專利名稱：晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)及方法
晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種晶體材料的生長設(shè)備，具體地說本發(fā)明涉及一種生長藍寶石、多晶硅或單晶硅等晶體材料生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)及方法。
背景技術(shù)：
在多晶硅、單晶硅或藍寶石等晶體材料生長過程中，其中多晶硅碎料在坩堝中生長成為多晶硅錠以及多晶硅轉(zhuǎn)換為單晶硅時，通過對坩堝的加熱溫度控制，并利用設(shè)置在坩堝底部的籽晶，使融化并圍繞籽晶新生長的晶體按照籽晶的晶粒排列方式進行排列:其中籽晶為單晶時，新生長晶體的硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，這些晶核長成與籽晶晶面取向相同的晶粒，則新生長的晶體就是單晶硅；若籽晶為多晶時，這些晶核長成與籽晶晶面取向不同的晶粒，則新生長的晶體就是多晶硅；但是這個過程必須是在一個密閉的爐體內(nèi)完成的。

在新晶體生長的過程中，爐室內(nèi)的坩堝需要形成下低上高的溫度梯度，為了形成溫度梯度，傳統(tǒng)設(shè)備通過改變坩堝的下部保溫效果，增加熱量的散失以便形成坩堝所需的下低上高的溫度梯度。也有技術(shù)是通過在下軸內(nèi)通入液氦等低溫流體，由低溫流體實現(xiàn)帶走坩堝下部熱量的目的，從而形成坩堝上下的溫度差“溫度梯度”的效果；以熱交換法為例，其生長方法為:A、首先通過加熱體加熱熔化坩堝內(nèi)的晶體材料碎料，使碎料熔體溫度保持略高于熔點5 10°C ;B、待坩堝底部設(shè)置的籽晶上端部分被熔化時“這時晶體材料碎料也已經(jīng)融化”，開始緩慢下降爐室內(nèi)的溫度“同時也使坩堝的溫度降低，以便融化的晶體材料碎料結(jié)晶”；C、對爐室內(nèi)坩堝底部的下軸注入氦氣，通過下軸的溫度傳遞對坩堝底部進行強制冷卻，這一過程中首先感知低溫的是坩堝底部以及設(shè)置在坩堝內(nèi)底部的籽晶，低溫會隨著籽晶向融化的晶體材料碎料輻射；D、融化的晶體材料就會以籽晶為核心，逐漸生長出充滿整個坩堝的晶體；這便是晶體材料的結(jié)晶過程。上述方式在生長時所需要件包括:坩堝的底部必須與下軸緊密連接，形成溫度導(dǎo)體；前期加熱坩堝時耗熱量極大；坩堝在加熱過程中由于擺放角度的原因，使得加熱體對于坩堝的加熱不均勻，使得坩堝四周的外緣面容易形成部分距離較近處較熱，其它相對于較熱部分的溫度較冷，這種環(huán)境下便會出現(xiàn)非均勻晶核。同理，藍寶石的加工方法包括提拉法、坩堝下降法、導(dǎo)模法、熱交換法、泡生法等，針對目前對藍寶石制備的方法，以上制備方法都采用支撐體旋轉(zhuǎn)帶動坩堝同步旋轉(zhuǎn)的方案，坩堝內(nèi)的藍寶石結(jié)晶過程受到微震使得結(jié)晶過程出現(xiàn)晶震現(xiàn)象而形成部分晶體錯位，造成品質(zhì)下降。即使是溫度梯度法生長藍寶石，也會出現(xiàn)坩堝在加熱過程中擺放角度的偏差，使得加熱體對于坩堝的加熱不均勻，生長出的藍寶石容易出現(xiàn)非均勻晶核。
為了克服前述問題，本發(fā)明人在先專利申請“一種生長晶體材料時的溫度梯度控制裝置及其方法，由于受理通知書尚未到達，因此在本專利申請中并未給出申請?zhí)?，如需查詢可通過后期檢索查閱該專利申請文獻”中公開了增加套筒形成的溫度梯度控制，實際使用中的溫度梯度控制較好的實現(xiàn)了發(fā)明人的訴求，但是發(fā)明人通過實驗發(fā)現(xiàn)單層的套筒效果略遜于多層套筒。

發(fā)明內(nèi)容為了克服背景技術(shù)中的不足，本發(fā)明公開了一種晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)及方法，利用所述多層套筒最大可能的使坩堝下部的冷能不外泄，使得坩堝形成溫度梯度控制。為了實現(xiàn)上述發(fā)明的目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，包括爐室、發(fā)熱體、多層套筒、坩堝和冷卻介質(zhì)降溫機構(gòu)，在爐室內(nèi)設(shè)有坩堝，坩堝的下部處于多層套筒內(nèi)，所述多層套筒下端處于爐室底板或底部保溫層上；或多層套筒下端處于支撐環(huán)上，所述支撐環(huán)處于爐室底板或底部保溫層上，在多層套筒外部設(shè)有發(fā)熱體；冷卻介質(zhì)降溫機構(gòu)設(shè)置在所述多層套筒內(nèi)的下部；由冷卻介質(zhì)降溫機構(gòu)獲取坩堝底部低溫區(qū)，所述低溫區(qū)形成坩堝上部溫度高下部溫度底的溫度梯度。所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，在發(fā)熱體的外部爐室內(nèi)設(shè)有保溫罩。所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，所述冷卻介質(zhì)降溫機構(gòu)包括下軸、多層套筒，所述下軸內(nèi)接通循環(huán)的冷卻介質(zhì)，多層套筒內(nèi)所述下軸中的冷卻介質(zhì)形成坩堝的溫度梯度控制，所述坩堝的下部與下軸的上端連接或間隔設(shè)置，下軸的下部穿過爐室底板或底部保溫層后連通冷卻介質(zhì)。所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，多層套筒包括外筒和內(nèi)筒，內(nèi)筒的底部向內(nèi)設(shè)有收口，支撐環(huán)A的上下兩端分別連接內(nèi)筒底部的收口和爐室底板或底部保溫層的上部面，在內(nèi)筒底部的向內(nèi)收口上部面上設(shè)有中空結(jié)構(gòu)的支架，坩堝下部坩堝底部凸出設(shè)置在支架上端的孔內(nèi)，其中坩堝底部凸出裸露在支架的中空結(jié)構(gòu)內(nèi)，在支架上設(shè)有多個貫通內(nèi)筒內(nèi)和支架中空結(jié)構(gòu)內(nèi)的冷氣孔，下軸的上端與坩堝底部凸出間隔設(shè)置，所述下軸與內(nèi)筒的向內(nèi)收口口部留有間距，形成下軸的可上下伸縮結(jié)構(gòu)。所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，外筒的下端處于爐室底板或底部保溫層的上部面；或在外筒的下端設(shè)有底部向內(nèi)設(shè)有收口，支撐環(huán)B的上下兩端分別連接外筒底部的收口和爐室底板或底部保溫層的上部面。所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，套筒內(nèi)筒上部設(shè)有向上延伸部分，套筒內(nèi)筒的向上延伸部分內(nèi)側(cè)面包裹所述坩堝的外部上面。所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，所述下軸內(nèi)的上部至下端為空心結(jié)構(gòu)，在空心結(jié)構(gòu)的下軸內(nèi)設(shè)有 管路，所述管路的內(nèi)部為冷卻介質(zhì)通路，冷卻介質(zhì)順著管路內(nèi)上流后沿著管路與下軸的空心結(jié)構(gòu)之間回流，形成坩堝的底部降溫結(jié)構(gòu)；或所述管路與下軸的空心結(jié)構(gòu)之間的外部為冷卻介質(zhì)通路，冷卻介質(zhì)順著管路外與下軸內(nèi)的空心結(jié)構(gòu)之間間隙上流后沿著管路內(nèi)回流，形成坩堝的底部降溫另一替換結(jié)構(gòu)。
所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，在坩堝與下軸的連接處外緣面上設(shè)有坩堝固定套，由坩堝固定套形成坩堝的防側(cè)歪結(jié)構(gòu)；或下軸的上端設(shè)置對應(yīng)坩堝底部凸出的凹陷，由凹陷形成坩堝的防側(cè)歪結(jié)構(gòu)。所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，所述多層套筒包括內(nèi)筒和外筒，在內(nèi)筒的底部設(shè)有穿孔，內(nèi)筒的中部筒底上的穿孔套在下軸上，內(nèi)筒的上端與坩堝上端口持平；或略低于坩堝的上端口 ；或略高于坩堝的上端口。所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，所述外筒上端設(shè)有上部收口，上部收口包裹在內(nèi)筒的上端口外部。所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，所述外筒設(shè)置為向下延伸，外筒的向下延伸下端部設(shè)置在爐室底板或底部保溫層上，外筒和內(nèi)筒形成倒魚鉤形結(jié)構(gòu)，在內(nèi)筒下部設(shè)有中部筒底。所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，所述外筒與內(nèi)筒的中部之間設(shè)有中部連接環(huán)，使所述外筒與內(nèi)筒的一側(cè)切面形成“H”形結(jié)構(gòu)。所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，在“H”形結(jié)構(gòu)所述外筒和內(nèi)筒的內(nèi)筒下部設(shè)有中部筒底。所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，所述中部筒底的中部設(shè)有穿孔，穿孔套在下軸上，穿孔的內(nèi)壁間隔設(shè)有多個豁口，由所述豁口形成下軸下部四周的冷氣上升通路；或在穿孔周圍的中部筒底上設(shè)有多個冷氣孔，由冷氣孔形成下軸下部四周的冷氣上升通路。所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，所述外筒與內(nèi)筒的底部之間設(shè)有下連接環(huán)，使所述外筒與內(nèi)筒與下連接環(huán)一側(cè)的切面形成“U”形結(jié)構(gòu)。所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，所述外筒的底部設(shè)有穿孔，外筒的筒底部穿孔與內(nèi)筒的筒底間隔套在下軸上，外筒的上端與內(nèi)筒的上端口持平；或外筒的上端略低于內(nèi) 筒的上端口 ；或外筒的上端略高于內(nèi)筒的上端口 ；外筒間隔包裹在內(nèi)筒的外部。所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，在外筒和內(nèi)筒之間，內(nèi)筒和坩堝之間的上端分別設(shè)有密封蓋環(huán)。所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，所述的蓋環(huán)下部面開槽形成的倒“凹”形截面結(jié)構(gòu)，由開槽卡住內(nèi)筒的上端，開槽兩側(cè)的環(huán)形向下凸起分別插在外筒和內(nèi)筒之間，以及內(nèi)筒和坩堝之間。所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，在內(nèi)筒和外筒底部穿孔的下部的下軸上分別設(shè)有套筒固定套。所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，在外筒和內(nèi)筒的上端設(shè)有上連接環(huán)，由所述上連接環(huán)使外筒和內(nèi)筒形成一體。所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，在外筒和內(nèi)筒之間設(shè)有至少一個中筒，使所述外筒、內(nèi)筒和中筒形成多層的套筒結(jié)構(gòu)。所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，在外筒的外部面設(shè)有外環(huán)，所述外環(huán)的外緣上部或下部設(shè)有外筒，形成外筒的上部大下部小結(jié)構(gòu)；或形成外筒的下部大上部小結(jié)構(gòu)。
所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，所述冷卻介質(zhì)降溫機構(gòu)，在多層套筒內(nèi)筒下部的爐室底板或底部保溫層上設(shè)有至少一個惰性氣體注入孔，所述多層套筒的底部處于爐室底板或底部保溫層上，在套筒的內(nèi)筒中部設(shè)有中部筒底，所述中部筒底的中部設(shè)有穿孔，由穿孔形成坩堝底部放置孔，在坩堝放置孔周圍的中部筒底上設(shè)有多個冷氣孔，由冷氣孔形成多層套筒內(nèi)筒下部的惰性氣體上升通路。所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，多層套筒內(nèi)筒的底部向內(nèi)設(shè)有收口，支撐環(huán)A的上下兩端分別連接內(nèi)筒底部的收口和爐室底板或底部保溫層的上部面，在內(nèi)筒底部的向內(nèi)收口上部面上設(shè)有中空結(jié)構(gòu)的支架，坩堝下部坩堝底部凸出設(shè)置在支架上端的孔內(nèi)，其中坩堝底部凸出裸露在支架的中空結(jié)構(gòu)內(nèi)，在支架上設(shè)有多個貫通內(nèi)筒內(nèi)和支架中空結(jié)構(gòu)內(nèi)的惰性氣體進入冷氣孔，爐室底板或底部保溫層上設(shè)置的惰性氣體注入孔。所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，所述多層套筒的內(nèi)筒、中筒和外筒為鎢或鑰或石墨材質(zhì)中的任意一種；或鎢和鑰組合；或鑰和石墨組合；或鎢和石墨組合形成兩層復(fù)合層；或鎢和鑰和石墨組成的三層復(fù)合層；或內(nèi)外為鑰層中部為鎢層；或內(nèi)外為鎢層中部為鑰層；或內(nèi)外為石墨層中部為鎢層；或內(nèi)外為鎢層中部為石墨層；或內(nèi)外為石墨層中部為鑰層；或內(nèi)外為鑰層中部為石墨層形成三層復(fù)合層；或在套筒的復(fù)合層中所述鎢層和鑰層和石墨層中加入氧化鋯層或氧化鋁層；或鎢或鑰或石墨材質(zhì)中任一或其中兩個替換為氧化鋯或氧化鋁。所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，所述惰性氣體為氦氣、氖氣、気氣、氪氣、氣氣、氮氣、氟利昂或氡氣中的任意一種。一種晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制方法，在爐室內(nèi)坩堝設(shè)置在下軸的上端，在坩堝內(nèi)的底部設(shè)置有籽晶，在籽晶上放置晶體材料，將坩堝處于筒形結(jié)構(gòu)的多層套筒內(nèi)，多層套筒的下端設(shè)置在爐室底板或底部保溫層；或多層套筒與爐室底板或底部保溫層之間設(shè)置支撐環(huán)，所述筒形結(jié)構(gòu)的多層套筒的外部設(shè)有發(fā)熱體，所述發(fā)熱體分別連接電源的正負(fù)極，發(fā)熱體對 筒形結(jié)構(gòu)的多層套筒輻射加熱，同步也對坩堝上部的晶體材料加熱，坩堝上部的所述晶體材料受益最大，加熱速度也明顯快于坩堝下部的晶體材料和籽晶，多層套筒將熱量傳遞給坩堝，同時所述下軸內(nèi)通入冷卻介質(zhì)，所述下軸四周的內(nèi)筒中形成低溫區(qū)，所述多層套筒發(fā)揮作用；一是使下軸四周形成的低溫區(qū)內(nèi)低溫盡可能少的擴散；二是使坩堝內(nèi)上部的晶體材料融化，并盡快并逐漸向下融化，當(dāng)所述坩堝內(nèi)的晶體材料全部融化時，所述籽晶的上端頭部也開始部分融化，由于下軸內(nèi)冷卻介質(zhì)的作用，籽晶融化明顯晚于籽晶上部的晶體材料融化的速度；而后降低發(fā)熱體的溫度，低溫區(qū)的低溫傳遞給坩堝，使所述坩堝由底部開始至上部緩慢均勻降溫，形成溫度梯度，坩堝內(nèi)融化的晶體材料由底部籽晶處開始生長結(jié)晶，獲取晶體材料塊。一種晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制方法，在爐室內(nèi)坩堝設(shè)置在多層套筒的中部筒底中部穿孔上，使坩堝的坩堝底部凸出下端面裸露在穿孔下部，下軸的上端與坩堝的坩堝底部凸出間隔設(shè)置，在坩堝內(nèi)的底部設(shè)置有籽晶，在籽晶上放置晶體材料，所述坩堝處于筒形結(jié)構(gòu)的多層套筒內(nèi)，多層套筒的下端設(shè)置在爐室底板或底部保溫層；或多層套筒與爐室底板或底部保溫層之間設(shè)置支撐環(huán)，所述筒形結(jié)構(gòu)的多層套筒的外部設(shè)有發(fā)熱體，所述發(fā)熱體分別連接電源的正負(fù)極，發(fā)熱體對筒形結(jié)構(gòu)的多層套筒輻射加熱，同步也對坩堝上部的晶體材料加熱，坩堝上部的所述晶體材料受益最大，加熱速度也明顯快于坩堝下部的晶體材料和籽晶，多層套筒將熱量傳遞給坩堝，同時所述下軸內(nèi)通入冷卻介質(zhì)，所述下軸四周及上端的內(nèi)筒中形成低溫區(qū)，所述多層套筒發(fā)揮作用；一是使下軸四周形成的低溫區(qū)內(nèi)低溫盡可能少的擴散；二是使坩堝內(nèi)上部的晶體材料融化，并盡快并逐漸向下融化，其中下軸與坩堝的坩堝底部凸出留有間距，或通過控制下軸在多層套筒內(nèi)的長度，使得內(nèi)筒中形成低溫區(qū)為可控狀態(tài)；當(dāng)所述坩堝內(nèi)的晶體材料全部融化時，所述籽晶的上端頭部也開始部分融化，由于下軸內(nèi)冷卻介質(zhì)的作用，籽晶融化明顯晚于籽晶上部的晶體材料融化的速度；而后降低發(fā)熱體的溫度，低溫區(qū)的低溫傳遞給坩堝，使所述坩堝由底部開始至上部緩慢均勻降溫，形成溫度梯度，坩堝內(nèi)融化的晶體材料由底部籽晶處開始生長結(jié)晶，獲取晶體材料塊。一種晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制方法，爐室內(nèi)的坩堝設(shè)置在多層套筒的內(nèi)筒中部筒底的穿孔所形成的坩堝底部放置孔上，坩堝底部的坩堝底部凸出裸露在穿孔的下部，在坩堝放置孔周圍的中部筒底上設(shè)置的冷氣孔形成的冷卻介質(zhì)通路；或設(shè)置在穿孔內(nèi)壁四周的豁口形成的冷卻介質(zhì)通路，坩堝內(nèi)的坩堝底部凸出中設(shè)置有籽晶，在所述籽晶上部放置晶體材料，所述多層套筒的外部設(shè)有發(fā)熱體，所述發(fā)熱體分別連接電源的正負(fù)極，發(fā)熱體對多層套筒輻射加熱，同步也對坩堝上部的晶體材料加熱，坩堝上部的所述晶體材料受益最大，加熱速度也明顯快于坩堝下部的晶體材料和籽晶，多層套筒將熱量傳遞給坩堝，同時由設(shè)置在多層套筒內(nèi)筒下部所述的爐室的惰性氣體注入孔，將惰性氣體充入多層套筒的內(nèi)筒中，內(nèi)筒內(nèi)形成低溫區(qū)，所述多層套筒發(fā)揮作用；一是使內(nèi)筒中形成的低溫區(qū)內(nèi)低溫盡可能少的擴散；二是使坩堝內(nèi)上部的晶體材料融化，并盡快并逐漸向下融化，當(dāng)所述坩堝內(nèi)的晶體材料全·部融化時，所述籽晶的上端頭部也開始部分融化，由于受到惰性氣體的作用，坩堝底部的籽晶融化明顯晚于晶體材料的融化速度，而后降低發(fā)熱體溫度，使最先受益于惰性氣體的坩堝內(nèi)的籽晶冷卻，惰性氣體迫使所述坩堝由底部開始至上部緩慢均勻降溫，形成溫度梯度，坩堝內(nèi)融化的晶體材料由底部籽晶處開始生長結(jié)晶，獲取晶體材料塊。所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制方法，所述晶體材料為晶體粉末、晶體碎塊或晶體顆粒。通過上述公開內(nèi)容，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明所述生長晶體材料時的溫度梯度控制裝置及其方法，將坩堝設(shè)置在爐室內(nèi)，坩堝的下部處于多層套筒內(nèi)，所述多層套筒下端處于爐室底板或底部保溫層上或多層套筒下端處于支撐環(huán)上，所述支撐環(huán)處于爐室底板或底部保溫層上，形成坩堝的下部獨立空間；當(dāng)發(fā)熱體對坩堝加熱時，通入坩堝下部的冷卻介質(zhì)降溫機構(gòu)的冷氣便會處于多層套筒內(nèi)，最大可能的使冷能不外泄；而此時的發(fā)熱體也受到冷能的影響最小，不僅實現(xiàn)坩堝上部溫度高下部溫度底的溫度梯度，而且節(jié)能效果明顯；本發(fā)明受到由于多層筒套的作用，可確保坩堝極少出現(xiàn)非均勻晶核。

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的套筒另一實施例結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明的套筒下部添加支撐環(huán)第一施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的套筒下部添加支撐環(huán)第二施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明的套筒第三實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明的套筒第四實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本發(fā)明的套筒下部添加支撐環(huán)第三施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本發(fā)明的套筒第五實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是本發(fā)明的套筒第六實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖10是本發(fā)明的套筒第七實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖11是本發(fā)明的套筒第八實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖12是本發(fā)明的套筒第九實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖13是本發(fā)明的套筒第十實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖14是本發(fā)明的套筒第i^一實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖15是本發(fā)明的套筒第十二實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖16是本發(fā)明的套筒第十三實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖17是本發(fā)明 的套筒第十四實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖18是本發(fā)明的套筒第十五實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖19是本發(fā)明的套筒第十六實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖20是本發(fā)明的套筒第十七實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖21是本發(fā)明的套筒第十八實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖22是本發(fā)明的套筒第十九實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖23是本發(fā)明的套筒第二十實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖24是本發(fā)明的套筒內(nèi)筒、外筒分別獨立設(shè)置結(jié)構(gòu)示意圖；圖25是本發(fā)明的套筒內(nèi)筒、外筒分別獨立設(shè)置第二實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖26是本發(fā)明的套筒內(nèi)筒、外筒分別獨立設(shè)置第三實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖27是本發(fā)明的套筒內(nèi)筒、外筒分別獨立設(shè)置第四實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖28是本發(fā)明的中部筒底穿孔設(shè)置豁口結(jié)構(gòu)示意圖；圖29是本發(fā)明的中部筒底穿孔四周的中部筒底上設(shè)置導(dǎo)孔結(jié)構(gòu)示意圖；圖30是本發(fā)明的蓋環(huán)下部面開槽形成的倒“凹”形截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖31是本發(fā)明的蓋環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖；在圖中:1、保溫罩；2、爐室；3、蓋環(huán)；4、上連接環(huán)；5、發(fā)熱體；6、晶體材料；7、坩堝；8、籽晶；9、外筒；10、內(nèi)筒；11、坩堝固定套；12、下軸；13、管路；14、中部筒底；15、套筒固定套；16、爐室底板或底部保溫層；17、冷氣孔；18、支架；19、支撐環(huán)A ;20、支撐環(huán)B ;21、坩堝底部凸出；22、穿孔；23、中部連接環(huán)；24、中筒；25、外環(huán)；26、下連接環(huán)；27、上部收口 ；
28、豁口 ；29、倒“凹”形截面；30、惰性氣體注入孔。
具體實施方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進行進一步的說明；下面的實施例并不是對于本發(fā)明的限定，僅作為支持實現(xiàn)本發(fā)明的方式，在本發(fā)明所公開的技術(shù)框架內(nèi)的任意等同結(jié)構(gòu)替換，均為本發(fā)明的保護范圍；
結(jié)合附圖1 31中所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，本發(fā)明主要結(jié)構(gòu)包括爐室2、發(fā)熱體5、多層套筒、坩堝7和冷卻介質(zhì)降溫機構(gòu)，在爐室2內(nèi)設(shè)有坩堝7，坩堝7的下部處于多層套筒內(nèi)；在多層套筒外部設(shè)有發(fā)熱體5。結(jié)合附圖3所述多層套筒包括外筒9和內(nèi)筒10，內(nèi)筒10的底部向內(nèi)設(shè)有收口，支撐環(huán)A19的上下兩端分別連接內(nèi)筒10底部的收口和爐室底板或底部保溫層16的上部面，所述支撐環(huán)A19形成下軸12與爐室2內(nèi)發(fā)熱體5的隔離，以便確保多層套筒、支撐環(huán)A19內(nèi)的冷能不外泄；同理所述多層套筒、支撐環(huán)A19也阻擋了發(fā)熱體5的溫度進入多層套筒、支撐環(huán)A19內(nèi)；在內(nèi)筒10底部設(shè)置的向內(nèi)收口上部面上設(shè)有中空結(jié)構(gòu)的支架18，坩堝7下部坩堝底部凸出21設(shè)置在支架18上端的孔內(nèi)，其中坩堝底部凸出21裸露在支架18的中空結(jié)構(gòu)內(nèi)，在支架18上設(shè)有多個貫通內(nèi)筒10內(nèi)和支架18中空結(jié)構(gòu)內(nèi)的冷氣孔17，下軸12的上端與坩堝底部凸出21間隔設(shè)置，所述下軸12與內(nèi)筒10的向內(nèi)收口口部留有間距，本發(fā)明在試驗時發(fā)現(xiàn)，將下軸12放入多層套筒、支撐環(huán)A19中的多少，也就是下軸12通過向下收縮，也可實現(xiàn)調(diào)整多層套筒、支撐環(huán)A19內(nèi)溫度的需求，尤其是需要降低多層套筒、支撐環(huán)A19中冷能量時，起作用便可顯現(xiàn)，因此下軸12設(shè)置為可上下伸縮的結(jié)構(gòu)。結(jié)合附圖1、2或6，所述多層套筒下端處于爐室底板或底部保溫層16上，也就是多層套筒根據(jù)實際使用狀態(tài)，不設(shè)置支撐環(huán)時，多層套筒下端可直接設(shè)置在爐室底板或底部保溫層16上。本發(fā)明在設(shè)置多套同步加工時，將爐室2加大，而后放置多套發(fā)熱體5、多層套筒、坩堝7和冷卻介質(zhì)降溫機構(gòu)形成的獨立晶體生長裝置，并由保溫罩I隔離，所以在發(fā)熱體5的外部爐室2內(nèi)設(shè)有保溫罩I的考慮是基于多套加工設(shè)備所用的，也就是爐室2本體具有保溫功能；當(dāng)然一套加工設(shè)備添加保溫罩I也可起到較好的保溫作用。結(jié)合附圖1 6中給出的是；所述冷卻介質(zhì)降溫機構(gòu)的一種形式是，冷卻介質(zhì)降溫機構(gòu)設(shè)置在所述多層套·筒內(nèi)的下部；所述冷卻介質(zhì)降溫機構(gòu)包括下軸12、多層套筒，所述下軸12內(nèi)接通循環(huán)的冷卻介質(zhì)，多層套筒內(nèi)所述下軸12中的冷卻介質(zhì)形成坩堝7的溫度梯度控制。在附圖7中所述坩堝7的下部與下軸12的上端連接或間隔設(shè)置，下軸12的下部穿過爐室底板或底部保溫層16后連通冷卻介質(zhì)；由冷卻介質(zhì)降溫機構(gòu)獲取坩堝7底部低溫區(qū)，所述低溫區(qū)形成坩堝7上部溫度高下部溫度底的溫度梯度。為了實現(xiàn)本發(fā)明，對于多層套筒的變化，本發(fā)明給出了多種可替換結(jié)構(gòu)，下面給予解釋。在圖中部分圖中未畫出爐室2、發(fā)熱體5、坩堝7和冷卻介質(zhì)降溫機構(gòu)與多層套筒的組合結(jié)構(gòu)，但這些多層套筒均為實施本發(fā)明的可替換結(jié)構(gòu):結(jié)合附圖12、14所述多層套筒至少包括內(nèi)筒10和外筒9，也可根據(jù)需要設(shè)置為多層，在內(nèi)筒10的底部設(shè)有穿孔22，內(nèi)筒10的中部筒底14上的穿孔22套在下軸12上，內(nèi)筒10的上端與坩堝7上端口持平；或略低于坩堝7的上端口 ；或略高于坩堝7的上端口。所述外筒9的下端處于爐室底板或底部保溫層16的上部面；或在外筒9的下端設(shè)有底部向內(nèi)設(shè)有收口，支撐環(huán)B20的上下兩端分別連接外筒9底部的收口和爐室底板或底部保溫層16的上部面。所述套筒內(nèi)筒10上部設(shè)有向上延伸部分，套筒內(nèi)筒10的向上延伸部分內(nèi)側(cè)面包裹所述坩堝7的外部上面。結(jié)合附圖1、2、3、4、5、6中所述的一種晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，所述下軸12內(nèi)的上部至下端為空心結(jié)構(gòu)，在空心結(jié)構(gòu)的下軸12內(nèi)設(shè)有管路13，所述管路13的內(nèi)部為冷卻介質(zhì)通路，冷卻介質(zhì)順著管路13內(nèi)上流后沿著管路13與下軸12的空心結(jié)構(gòu)之間回流，形成坩堝7的底部降溫結(jié)構(gòu)；或所述管路13與下軸12的空心結(jié)構(gòu)之間的外部為冷卻介質(zhì)通路，冷卻介質(zhì)順著管路13外與下軸12內(nèi)的空心結(jié)構(gòu)之間間隙上流后沿著管路13內(nèi)回流，形成坩堝的底部降溫另一替換結(jié)構(gòu)。結(jié)合附圖1、2、5、6中所述的一種晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，在坩堝7與下軸12的連接處外緣面上設(shè)有坩堝固定套11，由坩堝固定套11形成坩堝7的防側(cè)歪結(jié)構(gòu)；或下軸12的上端設(shè)置對應(yīng)坩堝底部凸出21的凹陷，由凹陷形成坩堝7的防側(cè)歪結(jié)構(gòu)。結(jié)合附圖26所述外筒9上端設(shè)有上部收口 27，上部收口 27包裹在內(nèi)筒10的上端口外部。結(jié)合附圖1、2所述外筒9設(shè)置為向下延伸，外筒9的向下延伸下端部設(shè)置在爐室底板或底部保溫層16上，外筒9和內(nèi)筒10形成倒魚鉤形結(jié)構(gòu)，在內(nèi)筒下部設(shè)有中部筒底14。結(jié)合附圖13所述，外筒9與內(nèi)筒10的中部之間設(shè)有中部連接環(huán)23，使所述外筒9與內(nèi)筒10的一側(cè)切面形成“H”形結(jié)構(gòu)；結(jié)合附圖12，在“H”形結(jié)構(gòu)所述外筒9和內(nèi)筒10的內(nèi)筒10下部設(shè)有中部筒底14。結(jié)合附圖28和29所述，所述中部筒底14的中部設(shè)有穿孔22，穿孔22套在下軸12上，穿孔22的內(nèi)壁間隔設(shè)有多個豁口 28，由所述豁口 28形成下軸12下部四周的冷氣上升通路；或在穿孔22周圍的中部筒底14上設(shè)有多個冷氣孔17，由冷氣孔17形成下軸12下部四周的冷氣上升通路。結(jié)合附圖22、23所述，所述外筒9與內(nèi)筒10的底部之間設(shè)有下連接環(huán)26，使所述外筒9與內(nèi)筒10與下連接環(huán)26 —側(cè)的切面形成“U”形結(jié)構(gòu)。所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，所述外筒9的底部設(shè)有穿孔22，外筒9的筒底部穿孔22與內(nèi)筒10的筒底間隔套在下軸12上，外筒9的上端與內(nèi)筒10的上端口持平；或外筒9的上端略低于內(nèi)筒10的上端口 ；或外筒9的上端略高于內(nèi)筒10的上端口 ；外筒間隔包裹在內(nèi)筒10的外部；在外筒9和內(nèi)筒10之間，內(nèi)筒10和坩堝7之間的上端分別設(shè)有密封蓋環(huán)3 ;所述的蓋環(huán)3下部面開槽形成的倒“凹”形截面29結(jié)構(gòu)，由開槽卡住內(nèi)筒10的上端，開槽兩側(cè)的環(huán)形向下凸起分別插在外筒9和內(nèi)筒10之間，以及內(nèi)筒10和坩堝7之間；在內(nèi)筒10和外筒9底部穿孔22的下部的下軸12上分別設(shè)有套筒固定套15。為了使外筒9和內(nèi)筒10上端之間冷能盡可能少的流失，在外筒9和內(nèi)筒10的上端設(shè)有上連接環(huán)4，由所述上連接環(huán)4使外筒9和內(nèi)筒10形成一體。結(jié)合附圖1 6、17在外筒9和內(nèi)筒10之間設(shè)有至少一個中筒24，使所述外筒9、內(nèi)筒10和中筒24形成多層的套筒結(jié)構(gòu)；在外筒9的外部面設(shè)有外環(huán)25，所述外環(huán)25的外緣上部或下部設(shè)有外筒9，形成外筒9的上部大下部小結(jié)構(gòu)；或形成外筒9的下部大上部小結(jié)構(gòu)；上述結(jié)構(gòu)也可為上部多層、下部多層或全部為多層，或局部多層，形成部分單層和部分多層的結(jié)合形式。所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，結(jié)合附圖7給出的另一種冷卻介質(zhì)降溫機構(gòu)，所述冷卻介質(zhì)降溫機構(gòu)，在多層套筒內(nèi)筒10下部的爐室底板或底部保溫層16上設(shè)有至少一個惰性氣體注入孔30，所述多層套筒的底部處于爐室底板或底部保溫層16上，在套筒的內(nèi)筒10中部設(shè)有中部筒底14，所述中部筒底14的中部設(shè)有穿孔22，由穿孔22形成坩堝7底部放置孔，在坩堝7放置孔周圍的中部筒底14上設(shè)有多個冷氣孔17，由冷氣孔17形成多層套筒內(nèi)筒下部的惰性氣體上升通路。所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，多層套筒內(nèi)筒10的底部向內(nèi)設(shè)有收口，支撐環(huán)A19的上下兩端分別連接內(nèi)筒10底部的收口和爐室底板或底部保溫層16的上部面，在內(nèi)筒10底部的向內(nèi)收口上部面上設(shè)有中空結(jié)構(gòu)的支架18，坩堝7下部坩堝底部凸出21設(shè)置在支架18上端的孔內(nèi)，其中坩堝底部凸出21裸露在支架18的中空結(jié)構(gòu)內(nèi)，在支架18上設(shè)有多個貫通內(nèi)筒10內(nèi)和支架18中空結(jié)構(gòu)內(nèi)的惰性氣體進入冷氣孔17，爐室底板或底部保溫層16上設(shè)置的惰性氣體注入孔。所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，所述多層套筒的內(nèi)筒10、中筒24和外筒9為鎢或鑰或石墨材質(zhì)中的任意一種；或鎢和鑰組合；或鑰和石墨組合；或鎢和石墨組合形成兩層復(fù)合層；或鎢和鑰和石墨組成的三層復(fù)合層；或內(nèi)外為鑰層中部為鎢層；或內(nèi)外為鎢層中部為鑰層；或內(nèi)外為石墨層中部為鎢層；或內(nèi)外為鎢層中部為石墨層；或內(nèi)外為石墨層中部為鑰層；或內(nèi)外為鑰層中部為石墨層形成三層復(fù)合層；或在套筒的復(fù)合層中所述鎢層和鑰層和石墨層中加入氧化鋯層或氧化鋁層；或鎢或鑰或石墨材質(zhì)中任一或其中兩個替換為氧化鋯或氧化鋁。所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，所述惰性氣體為氦氣、氖氣、気氣、氪氣、氣氣、氮氣、氟利昂或氡氣中的任意一種。結(jié)合所有附圖給出如下較佳實施例:實施一:一種晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制方法，在爐室2內(nèi)坩堝7設(shè)置在下軸12的上端，在坩堝7內(nèi)的底部設(shè)置有籽晶8，在籽晶8上放置晶體材料6，將坩堝7處于筒形結(jié)構(gòu)的多層套筒內(nèi)，多層套筒的下端設(shè)置在爐室底板或底部保溫層16 ;或多層套筒與爐室底板或底部保溫層16之間設(shè)置支撐環(huán)，所述筒形結(jié)構(gòu)的多層套筒的外部設(shè)有發(fā)熱體5，所述發(fā)熱體5分別連接電源的正負(fù)極，發(fā)熱體5對筒形結(jié)構(gòu)的多層套筒輻射加熱，同步也對坩堝7上部的晶體材料6加熱，坩堝7上部的所述晶體材料6受益最大，加熱速度也明顯快于坩堝7下部的晶體材料6和籽晶8，多層套筒將熱量傳遞給坩堝7，同時所述下軸12內(nèi)通入冷卻介質(zhì)，所述下軸12四周的內(nèi)筒10中形成低溫區(qū)，所述多層套筒發(fā)揮作用；一是使下軸12四周形成的低溫區(qū)內(nèi)低溫盡可能少的擴散；二是使坩堝7內(nèi)上部的晶體材料6融化，并盡快并逐漸向下融化，當(dāng)所述坩堝7內(nèi)的晶體材料6全部融化時，所述籽晶8的上端頭部也開始部分融化，由于下軸12內(nèi)冷卻介質(zhì)的作用，籽晶8融化明顯晚于籽晶8上部的晶體材料6融化的速度；而后降低發(fā)熱體5的溫度，低溫區(qū)的低溫傳遞給坩堝7，使所述坩堝7由底部開始至上部緩慢均勻降溫，形 成溫度梯度，坩堝7內(nèi)融化的晶體材料6由底部籽晶8處開始生長結(jié)晶，獲取晶體材料塊。實施二:
第二種晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制方法，在爐室2內(nèi)坩堝7設(shè)置在多層套筒的中部筒底14中部穿孔22上，使坩堝7的坩堝底部凸出21下端面裸露在穿孔22下部，下軸12的上端與坩堝7的坩堝底部凸出21間隔設(shè)置，在坩堝7內(nèi)的底部設(shè)置有籽晶8，在籽晶8上放置晶體材料6，所述坩堝7處于筒形結(jié)構(gòu)的多層套筒內(nèi)，多層套筒的下端設(shè)置在爐室底板或底部保溫層16 ;或多層套筒與爐室底板或底部保溫層16之間設(shè)置支撐環(huán)，所述筒形結(jié)構(gòu)的多層套筒的外部設(shè)有發(fā)熱體5，所述發(fā)熱體5分別連接電源的正負(fù)極，發(fā)熱體5對筒形結(jié)構(gòu)的多層套筒輻射加熱，同步也對坩堝7上部的晶體材料6加熱，坩堝7上部的所述晶體材料6受益最大，加熱速度也明顯快于坩堝7下部的晶體材料6和籽晶8，多層套筒將熱量傳遞給坩堝7，同時所述下軸12內(nèi)通入冷卻介質(zhì)，所述下軸12四周及上端的內(nèi)筒10中形成低溫區(qū)，所述多層套筒發(fā)揮作用；一是使下軸12四周形成的低溫區(qū)內(nèi)低溫盡可能少的擴散；二是使坩堝7內(nèi)上部的晶體材料6融化，并盡快并逐漸向下融化，其中下軸12與坩堝7的坩堝底部凸出21留有間距，或通過控制下軸12在多層套筒內(nèi)的長度，使得內(nèi)筒10中形成低溫區(qū)為可控狀態(tài)；當(dāng)所述坩堝7內(nèi)的晶體材料6全部融化時，所述籽晶8的上端頭部也開始部分融化，由于下軸12內(nèi)冷卻介質(zhì)的作用，籽晶8融化明顯晚于籽晶8上部的晶體材料6融化的速度；而后降低發(fā)熱體5的溫度，低溫區(qū)的低溫傳遞給坩堝7，使所述坩堝7由底部開始至上部緩慢均勻降溫，形成溫度梯度，坩堝7內(nèi)融化的晶體材料6由底部籽晶8處開始生長結(jié)晶，獲取晶體材料塊。實施三:第三種晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制方法，爐室2內(nèi)的坩堝7設(shè)置在多層套筒的 內(nèi)筒中部筒底14的穿孔22所形成的坩堝7底部放置孔上，坩堝7底部的坩堝底部凸出21裸露在穿孔22的下部，在坩堝7放置孔周圍的中部筒底14上設(shè)置的冷氣孔17形成的冷卻介質(zhì)通路；或設(shè)置在穿孔22內(nèi)壁四周的豁口 28形成的冷卻介質(zhì)通路，坩堝7內(nèi)的坩堝底部凸出21中設(shè)置有籽晶8，在所述籽晶8上部放置晶體材料6，所述多層套筒的外部設(shè)有發(fā)熱體5，所述發(fā)熱體5分別連接電源的正負(fù)極，發(fā)熱體5對多層套筒輻射加熱，同步也對坩堝7上部的晶體材料6加熱，坩堝7上部的所述晶體材料6受益最大，加熱速度也明顯快于坩堝7下部的晶體材料6和籽晶8，多層套筒將熱量傳遞給坩堝7，同時由設(shè)置在多層套筒內(nèi)筒10下部所述的爐室2的惰性氣體注入孔30，將惰性氣體充入多層套筒的內(nèi)筒10中，內(nèi)筒10內(nèi)形成低溫區(qū)，所述多層套筒發(fā)揮作用；一是使內(nèi)筒10中形成的低溫區(qū)內(nèi)低溫盡可能少的擴散；二是使坩堝7內(nèi)上部的晶體材料6融化，并盡快并逐漸向下融化，當(dāng)所述坩堝7內(nèi)的晶體材料6全部融化時，所述籽晶8的上端頭部也開始部分融化，由于受到惰性氣體的作用，坩堝7底部的籽晶8融化明顯晚于晶體材料6的融化速度，而后降低發(fā)熱體5溫度，使最先受益于惰性氣體的坩堝7內(nèi)的籽晶8冷卻，惰性氣體迫使所述坩堝7由底部開始至上部緩慢均勻降溫，形成溫度梯度，坩堝7內(nèi)融化的晶體材料6由底部籽晶8處開始生長結(jié)晶，獲取晶體材料塊。在實施例1、2或3中所述晶體材料6為晶體粉末、晶體碎塊或晶體顆粒的任意一種或晶體粉末、晶體碎塊或晶體顆粒的混合物。本發(fā)明未詳述部分為現(xiàn)有技術(shù)。為了公開本發(fā)明的目的而在本文中選用的實施例，當(dāng)前認(rèn)為是適宜的，但是，應(yīng)了解的是，本發(fā)明旨在包括一切屬于本構(gòu)思和發(fā)明范圍內(nèi)的實施例的所有變化和改進。
權(quán)利要求
1.一種晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，其特征是:包括爐室(2)、發(fā)熱體(5)、多層套筒、坩堝(7)和冷卻介質(zhì)降溫機構(gòu)，在爐室(2)內(nèi)設(shè)有坩堝(7)，坩堝(7)的下部處于多層套筒內(nèi)，所述多層套筒下端處于爐室底板或底部保溫層(16)上；或多層套筒下端處于支撐環(huán)上，所述支撐環(huán)處于爐室底板或底部保溫層(16)上，在多層套筒外部設(shè)有發(fā)熱體(5);冷卻介質(zhì)降溫機構(gòu)設(shè)置在所述多層套筒內(nèi)的下部；由冷卻介質(zhì)降溫機構(gòu)獲取坩堝(7)底部低溫區(qū)，所述低溫區(qū)形成坩堝(7)上部溫度高下部溫度底的溫度梯度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，其特征是:在發(fā)熱體(5)的外部爐室(2)內(nèi)設(shè)有保溫罩(I)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，其特征是:所述冷卻介質(zhì)降溫機構(gòu)包括下軸(12)、多層套筒，所述下軸(12)內(nèi)接通循環(huán)的冷卻介質(zhì)，多層套筒內(nèi)所述下軸(12)中的冷卻介質(zhì)形成坩堝(7)的溫度梯度控制，所述坩堝(7)的下部與下軸(12)的上端連接或間隔設(shè)置，下軸(12)的下部穿過爐室底板或底部保溫層(16)后連通冷卻介質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，其特征是:多層套筒包括外筒(9)和內(nèi)筒(10)，內(nèi)筒(10)的底部向內(nèi)設(shè)有收口，支撐環(huán)A (19)的上下兩端分別連接內(nèi)筒(10)底部的收口和爐室底板或底部保溫層(16)的上部面，在內(nèi)筒(10)底部的向內(nèi)收口上部面上設(shè)有中空結(jié)構(gòu)的支架(18)，坩堝(7)下部坩堝底部凸出(21)設(shè)置在支架(18)上端的孔內(nèi)，其中坩堝底部凸出(21)裸露在支架(18)的中空結(jié)構(gòu)內(nèi)，在支架(18)上設(shè)有多個貫通內(nèi)筒(10)內(nèi)和支架(18)中空結(jié)構(gòu)內(nèi)的冷氣孔(17)，下軸(12)的上端與坩堝底部凸出(21)間隔設(shè)置，所述下軸(12)與內(nèi)筒(10)的向內(nèi)收口口部留有間距，形成下軸(12)的可上下伸縮結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要 求4所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，其特征是:外筒(9)的下端處于爐室底板或底部保溫層(16)的上部面；或在外筒(9)的下端設(shè)有底部向內(nèi)設(shè)有收口，支撐環(huán)B (20)的上下兩端分別連接外筒(9)底部的收口和爐室底板或底部保溫層(16)的上部面。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，套筒內(nèi)筒(10)上部設(shè)有向上延伸部分，套筒內(nèi)筒(10)的向上延伸部分內(nèi)側(cè)面包裹所述坩堝(7)的外部上面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，其特征是:所述下軸(12)內(nèi)的上部至下端為空心結(jié)構(gòu)，在空心結(jié)構(gòu)的下軸(12)內(nèi)設(shè)有管路(13)，所述管路(13)的內(nèi)部為冷卻介質(zhì)通路，冷卻介質(zhì)順著管路(13)內(nèi)上流后沿著管路(13)與下軸(12)的空心結(jié)構(gòu)之間回流，形成坩堝(7)的底部降溫結(jié)構(gòu)；或所述管路(13)與下軸(12)的空心結(jié)構(gòu)之間的外部為冷卻介質(zhì)通路，冷卻介質(zhì)順著管路(13)外與下軸(12)內(nèi)的空心結(jié)構(gòu)之間間隙上流后沿著管路(13)內(nèi)回流，形成坩堝的底部降溫另一替換結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，其特征是:在坩堝⑵與下軸(12)的連接處外緣面上設(shè)有坩堝固定套(11)，由坩堝固定套(11)形成坩堝(7)的防側(cè)歪結(jié)構(gòu)；或下軸(12)的上端設(shè)置對應(yīng)坩堝底部凸出(21)的凹陷，由凹陷形成坩堝(7)的防側(cè)歪結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，其特征是:所述多層套筒包括內(nèi)筒(10)和外筒(9)，在內(nèi)筒(10)的底部設(shè)有穿孔(22)，內(nèi)筒(10)的中部筒底(14)上的穿孔(22)套在下軸(12)上，內(nèi)筒(10)的上端與坩堝(7)上端口持平；或略低于坩堝(7)的上端口 ；或略高于坩堝(7)的上端口。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，其特征是:所述外筒(9)上端設(shè)有上部收口(27)，上部收口(27)包裹在內(nèi)筒(10)的上端口外部。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，其特征是:所述外筒(9)設(shè)置為向下延伸，外筒(9)的向下延伸下端部設(shè)置在爐室底板或底部保溫層(16)上，外筒(9)和內(nèi)筒(10)形成倒魚鉤形結(jié)構(gòu)，在內(nèi)筒下部設(shè)有中部筒底(14)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，其特征是:所述外筒(9)與內(nèi)筒(10)的中部之間設(shè)有中部連接環(huán)(23)，使所述外筒(9)與內(nèi)筒(10)的一側(cè)切面形成“H”形結(jié)構(gòu)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，其特征是:在“H”形結(jié)構(gòu)所述外筒(9)和內(nèi)筒(10)的內(nèi)筒(10)下部設(shè)有中部筒底(14)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，其特征是:所述中部筒底(14)的中部設(shè)有穿孔(22)，穿孔(22)套在下軸(12)上，穿孔(22)的內(nèi)壁間隔設(shè)有多個豁口(28)，由所述豁口(28)形成下軸(12)下部四周的冷氣上升通路；或在穿孔(22)周圍的中部筒底(14)上設(shè)有多個冷氣孔(17)，由冷氣孔(17)形成下軸(12)下部四周的冷氣上升通路。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的晶體 生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，其特征是:所述外筒(9)與內(nèi)筒(10)的底部之間設(shè)有下連接環(huán)(26)，使所述外筒(9)與內(nèi)筒(10)與下連接環(huán)(26) —側(cè)的切面形成“U”形結(jié)構(gòu)。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，其特征是:所述外筒(9)的底部設(shè)有穿孔(22)，外筒(9)的筒底部穿孔(22)與內(nèi)筒(10)的筒底間隔套在下軸(12)上，外筒(9)的上端與內(nèi)筒(10)的上端口持平；或外筒(9)的上端略低于內(nèi)筒(10)的上端口 ；或外筒(9)的上端略高于內(nèi)筒(10)的上端口 ；外筒間隔包裹在內(nèi)筒(10)的外部。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，其特征是:在外筒(9)和內(nèi)筒(10)之間，內(nèi)筒(10)和坩堝(7)之間的上端分別設(shè)有密封蓋環(huán)⑶。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，其特征是:所述的蓋環(huán)(3)下部面開槽形成的倒“凹”形截面(29)結(jié)構(gòu)，由開槽卡住內(nèi)筒(10)的上端，開槽兩側(cè)的環(huán)形向下凸起分別插在外筒(9)和內(nèi)筒(10)之間，以及內(nèi)筒(10)和坩堝(7)之間。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，其特征是:在內(nèi)筒(10)和外筒(9)底部穿孔(22)的下部的下軸(12)上分別設(shè)有套筒固定套(15)。
20.根據(jù)權(quán)利要求9所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，其特征是:在外筒(9)和內(nèi)筒(10)的上端設(shè)有上連接環(huán)⑷，由所述上連接環(huán)⑷使外筒(9)和內(nèi)筒(10)形成一體。
21.根據(jù)權(quán)利要求9所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，其特征是:在外筒(9)和內(nèi)筒(10)之間設(shè)有至少一個中筒(24)，使所述外筒(9)、內(nèi)筒(10)和中筒(24)形成多層的套筒結(jié)構(gòu)。
22.根據(jù)權(quán)利要求9所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，其特征是:在外筒(9)的外部面設(shè)有外環(huán)(25)，所述外環(huán)(25)的外緣上部或下部設(shè)有外筒(9)，形成外筒(9)的上部大下部小結(jié)構(gòu)；或形成外筒(9)的下部大上部小結(jié)構(gòu)。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，其特征是:所述冷卻介質(zhì)降溫機構(gòu)，在多層套筒內(nèi)筒(10)下部的爐室底板或底部保溫層(16)上設(shè)有至少一個惰性氣體注入孔(30)，所述多層套筒的底部處于爐室底板或底部保溫層(16)上，在套筒的內(nèi)筒(10)中部設(shè)有中部筒底(14)，所述中部筒底(14)的中部設(shè)有穿孔(22)，由穿孔(22)形成坩堝(7)底部放置孔，在坩堝(7)放置孔周圍的中部筒底(14)上設(shè)有多個冷氣孔(17)，由冷氣孔(17)形成多層套筒內(nèi)筒下部的惰性氣體上升通路。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，其特征是:多層套筒內(nèi)筒(10)的底部向內(nèi)設(shè)有收口，支撐環(huán)A(19)的上下兩端分別連接內(nèi)筒(10)底部的收口和爐室底板或底部保溫層(16)的上部面，在內(nèi)筒(10)底部的向內(nèi)收口上部面上設(shè)有中空結(jié)構(gòu)的支架 (18)，坩堝(7)下部坩堝底部凸出(21)設(shè)置在支架(18)上端的孔內(nèi)，其中坩堝底部凸出(21)裸露在支架(18)的中空結(jié)構(gòu)內(nèi)，在支架(18)上設(shè)有多個貫通內(nèi)筒(10)內(nèi)和支架(18)中空結(jié)構(gòu)內(nèi)的惰性氣體進入冷氣孔(17)，爐室底板或底部保溫層(16)上設(shè)置的惰性氣體注入孔。
25.根據(jù)權(quán)利要求1、4、9或23任一權(quán)利要求所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，其特征是:所述多層套筒的內(nèi)筒(10)、中筒(24)和外筒(9)為鎢或鑰或石墨材質(zhì)中的任意一種；或鎢和鑰組合；或鑰和石墨組合；或鎢和石墨組合形成兩層復(fù)合層；或鎢和鑰和石墨組成的三層復(fù)合層；或內(nèi)外為鑰層中部為鎢層；或內(nèi)外為鎢層中部為鑰層；或內(nèi)外為石墨層中部為鎢層；或內(nèi)外為鎢層中部為石墨層；或內(nèi)外為石墨層中部為鑰層；或內(nèi)外為鑰層中部為石墨層形成三層復(fù)合層；或在套筒的復(fù)合層中所述鎢層和鑰層和石墨層中加入氧化鋯層或氧化鋁層；或鎢或鑰或石墨材質(zhì)中任一或其中兩個替換為氧化鋯或氧化鋁。
26.根據(jù)權(quán)利要求23或24所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)，其特征是:所述惰性氣體為氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣、氮氣、氟利昂或氡氣中的任意一種。
27.利用權(quán)利要求1 26所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)實施的一種晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制方法，在爐室(2)內(nèi)坩堝(7)設(shè)置在下軸(12)的上端，在坩堝(7)內(nèi)的底部設(shè)置有籽晶(8)，在籽晶(8)上放置晶體材料(6)，將坩堝(7)處于筒形結(jié)構(gòu)的多層套筒內(nèi)，多層套筒的下端設(shè)置在爐室底板或底部保溫層(16);或多層套筒與爐室底板或底部保溫層(16)之間設(shè)置支撐環(huán)，所述筒形結(jié)構(gòu)的多層套筒的外部設(shè)有發(fā)熱體(5)，所述發(fā)熱體(5)分別連接電源的正負(fù)極，發(fā)熱體(5)對筒形結(jié)構(gòu)的多層套筒輻射加熱，同步也對坩堝(7)上部的晶體材料(6)加熱，坩堝(7)上部的所述晶體材料(6)受益最大，加熱速度也明顯快于坩堝(7)下部的晶體材料(6)和籽晶(8)，多層套筒將熱量傳遞給坩堝(7)，同時所述下軸(12)內(nèi)通入冷卻介質(zhì)，所述下軸(12)四周的內(nèi)筒(10)中形成低溫區(qū)，所述多層套筒發(fā)揮作用；一是使下軸(12)四周形成的低溫區(qū)內(nèi)低溫盡可能少的擴散；二是使坩堝(7)內(nèi)上部的晶體材料(6)融化，并盡快并逐漸向下融化，當(dāng)所述坩堝(7)內(nèi)的晶體材料(6)全部融化時，所述籽晶(8)的上端頭部也開始部分融化，由于下軸(12)內(nèi)冷卻介質(zhì)的作用，籽晶(8)融化明顯晚于籽晶(8)上部的晶體材料(6)融化的速度；而后降低發(fā)熱體(5)的溫度，低溫區(qū)的低溫傳遞給坩堝(7)，使所述坩堝(7)由底部開始至上部緩慢均勻降溫，形成溫度梯度，坩堝(7)內(nèi)融化的晶體材料￠)由底部籽晶(8)處開始生長結(jié)晶，獲取晶體材料塊。
28.利用權(quán)利要求1 26所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)實施的另一種晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制方法，在爐室(2)內(nèi)坩堝(7)設(shè)置在多層套筒的中部筒底(14)中部穿孔(22)上，使坩堝(7)的坩堝底部凸出(21)下端面裸露在穿孔(22)下部，下軸(12)的上端與坩堝(7)的坩堝底部凸出(21)間隔設(shè)置，在坩堝(7)內(nèi)的底部設(shè)置有籽晶(8)，在籽晶(8)上放置晶體材料(6)，所述坩堝(7)處于筒形結(jié)構(gòu)的多層套筒內(nèi)，多層套筒的下端設(shè)置在爐室底板或底部保溫層(16);或多層套筒與爐室底板或底部保溫層(16)之間設(shè)置支撐環(huán)，所述筒形結(jié)構(gòu)的多層套筒的外部設(shè)有發(fā)熱體(5)，所述發(fā)熱體(5)分別連接電源的正負(fù)極，發(fā)熱體(5)對筒形結(jié)構(gòu)的多層套筒輻射加熱，同步也對坩堝(7)上部的晶體材料(6)加熱，坩堝(7)上部的所述晶體材料(6)受益最大，加熱速度也明顯快于坩堝(7)下部的晶體材料(6)和籽晶(8)，多層套筒將熱量傳遞給坩堝(7)，同時所述下軸(12)內(nèi)通入冷卻介質(zhì)，所述下軸(12)四周及上端的內(nèi)筒(10)中形成低溫區(qū)，所述多層套筒發(fā)揮作用；一是使下軸(12)四周形成的低溫區(qū)內(nèi)低溫盡可能少的擴散；二是使坩堝(7)內(nèi)上部的晶體材料(6)融化，并盡快并逐漸向下融化，其中下軸(12)與坩堝⑵的坩堝底部凸出(21)留有間距，或通過控制下軸(12)在多層套筒內(nèi)的長度，使得內(nèi)筒(10)中形成低溫區(qū)為可控狀態(tài)；當(dāng)所述坩堝(7)內(nèi)的晶體材料(6)全部融化時，所述籽晶(8)的上端頭部也開始部分融化，由于下軸(12)內(nèi)冷卻介質(zhì)的作用，籽晶(8)融化明顯晚于籽晶(8)上部的晶體材料(6)融化的速度；而后降低發(fā)熱體(5)的溫度，低溫區(qū)的低溫傳遞給坩堝(7)，使所述坩堝(7)由底部開始至上部緩慢均勻降溫，形成溫度梯度，坩堝(7)內(nèi)融化的晶體材料(6)由底`部籽晶(8)處開始生長結(jié)晶，獲取晶體材料塊。
29.利用權(quán)利要求1 26所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)實施的第三種晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制方法，爐室(2)內(nèi)的坩堝(7)設(shè)置在多層套筒的內(nèi)筒中部筒底(14)的穿孔(22)所形成的坩堝(7)底部放置孔上，坩堝(7)底部的坩堝底部凸出(21)裸露在穿孔(22)的下部，在坩堝(7)放置孔周圍的中部筒底(14)上設(shè)置的冷氣孔(17)形成的冷卻介質(zhì)通路；或設(shè)置在穿孔(22)內(nèi)壁四周的豁口(28)形成的冷卻介質(zhì)通路，坩堝(7)內(nèi)的坩堝底部凸出(21)中設(shè)置有籽晶(8)，在所述籽晶(8)上部放置晶體材料￠)，所述多層套筒的外部設(shè)有發(fā)熱體(5)，所述發(fā)熱體(5)分別連接電源的正負(fù)極，發(fā)熱體(5)對多層套筒輻射加熱，同步也對坩堝(7)上部的晶體材料(6)加熱，坩堝(7)上部的所述晶體材料(6)受益最大，加熱速度也明顯快于坩堝(7)下部的晶體材料(6)和籽晶(8)，多層套筒將熱量傳遞給坩堝(7)，同時由設(shè)置在多層套筒內(nèi)筒(10)下部所述的爐室(2)的惰性氣體注入孔(30)，將惰性氣體充入多層套筒的內(nèi)筒(10)中，內(nèi)筒(10)內(nèi)形成低溫區(qū)，所述多層套筒發(fā)揮作用；一是使內(nèi)筒(10)中形成的低溫區(qū)內(nèi)低溫盡可能少的擴散；二是使坩堝⑵內(nèi)上部的晶體材料(6)融化，并盡快并逐漸向下融化，當(dāng)所述坩堝(7)內(nèi)的晶體材料(6)全部融化時，所述籽晶(8)的上端頭部也開始部分融化，由于受到惰性氣體的作用，坩堝(7)底部的籽晶(8)融化明顯晚于晶體材料(6)的融化速度，而后降低發(fā)熱體(5)溫度，使最先受益于惰性氣體的坩堝(7)內(nèi)的籽晶(8)冷卻，惰性氣體迫使所述坩堝7由底部開始至上部緩慢均勻降溫，形成溫度梯度，坩堝(7)內(nèi)融化的晶體材料(6)由底部籽晶(8)處開始生長結(jié)晶，獲取晶體材料塊。
30.根據(jù)權(quán)利要求27、28或29任一權(quán)利要求所述的晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制 方法，所述晶體材料(6)為晶體粉末、晶體碎塊或晶體顆粒。
全文摘要
一種晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結(jié)構(gòu)及方法，涉及一種晶體材料的生長設(shè)備，在爐室(2)內(nèi)設(shè)有坩堝(7)，坩堝的下部處于多層套筒內(nèi)，多層套筒下端處于于支撐環(huán)上，支撐環(huán)處于爐室底板或底部保溫層(16)上，形成坩堝的下部獨立空間；在多層套筒外部設(shè)有發(fā)熱體(5)；冷卻介質(zhì)降溫機構(gòu)設(shè)置在多層套筒內(nèi)的下部；由冷卻介質(zhì)降溫機構(gòu)獲取的坩堝底部低溫區(qū)形成坩堝的溫度梯度；當(dāng)發(fā)熱體對坩堝加熱時，通入坩堝下部的冷卻介質(zhì)降溫機構(gòu)的冷氣便會處于多層套筒內(nèi)，最大可能的使冷能不外泄；而此時的發(fā)熱體也受到冷能的影響最小，較好的實現(xiàn)了坩堝上部溫度高下部溫度底的溫度梯度；由于多層筒套的作用，可確保坩堝極少出現(xiàn)非均勻晶核。
文檔編號C30B28/06GK103243378SQ20121002817
公開日2013年8月14日 申請日期2012年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月9日
發(fā)明者劉朝軒, 王晨光 申請人:洛陽金諾機械工程有限公司