[发明专利]提拉泡生法生长晶体的装置

说明书

技术领域

本发明属于晶体生长技术领域，涉及一种晶体生长装置。具体涉及一种提拉泡生法生长晶体的装置。

背景技术

蓝宝石具有多种优异性能，被广泛地应用于国防、科研和民用的许多领域。近年来，随着LED产业的发展蓝宝石作为其商业化可行性最好的衬底材料，其应用市场急剧膨胀。如何精确可控地生长蓝宝石晶体一直是晶体生长研究人员关注的课题。目前，生长高质量、大尺寸蓝宝石晶体的方法主要包括：提拉法、泡生法、温梯法、热交换法等。

其中，提拉法中的“缩颈”工艺，能够在晶体生长初期排除籽晶内部的位错，有助于提高晶体的质量；其成熟的引晶和放肩技术使得晶体的直径可以被精确地控制。然而，提拉法过程中提拉机构的机械扰动和晶体、坩埚的旋转运动导致的熔体的不规则扰动会导致晶体缺陷的增加；并且提拉法生长晶体会受到坩埚的限制，晶体尺寸一般为坩埚尺寸的1/3。

相比较而言，泡生法在生长过程中，籽晶杆的转动和提拉都是微量的。且晶体生长界面由熔体包围，这样熔体表面的温度扰动在到达固液界面以前可被熔体减小以致消除，这些优点都使得泡生法适宜于高质量蓝宝石晶体的生长。另一方面，相比于提拉法中晶体尺寸会受到坩埚的限制，泡生法生长的晶体的尺寸可与坩埚相当，这一点也是得泡生法更适宜于大尺寸蓝宝石单晶的生长。然而，相比于提拉法，泡生法的引晶放肩控制则较为困难，在国内泡生法工艺中该过程只能靠人工凭经验操作，以至于泡生法成品率低下。

结合两种方法各自的优势，采用提拉法的引晶放肩控制手段与泡生法的等径生长控制手段相结合，是蓝宝石生长工艺的发展方向。虽然目前已有将提拉法与泡生法相结合进行晶体生长的方法，例如中国专利CN101054723A公开一种R面蓝宝石晶体的生长方法，用综合熔体法生长晶体，其中使用提拉法下种、收颈、放肩，在等径生长阶段采用泡生法和/或温梯法，但是它们仅通过简单地改变降温速率、转速、拉速等参数进行生长方法的转换，而没有解决提拉法设备和泡生法设备难以相容的问题，特别是从提拉法温场向泡生法温场转换的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于克服提拉法设备和泡生法设备难以相容的问题,提供一种便于提拉法引晶放肩工艺与泡生法等径工艺过渡的晶体生长的方法和装置，从而在一个装置中结合提拉法与泡生法各自的优点进行晶体生长以获得高质量、大尺寸的晶体。

在此，本发明提供一种提拉泡生法生长晶体的装置，所述装置包括：夹持籽晶的复合型籽晶杆，所述复合型籽晶杆包括可相互分离或接合的主水冷杆与籽晶夹具，所述主水冷杆和籽晶夹具能够独立地上下运动和顺逆旋转运动；容纳有用于生长晶体的熔体的坩埚；以及温场调节单元，所述温场调节单元包括发热体、上保温罩、侧保温层和下保温层，所述上保温罩位于所述坩埚的上方且能够升降，所述发热体位于所述坩埚和侧保温层之间。

在本发明中，所述上保温罩兼具提拉法炉体的后热器和泡生法设备的上隔热屏的作用，在引晶放肩过程中，用于控制熔体液面上方的气体流动从而形成一个类似提拉法的温场，通过调节该装置的高度，配合炉体气氛与气压的控制，可实现炉体内部温场由一种类似提拉法的温场到泡生法温场的转变。采用本发明，可以在泡生法关键的引晶放肩过程中，使用类似提拉法的温场和程序，便于该过程的自动化、标准化；而待引晶放肩进行到一定阶段后，通过连续的步骤，实现温场由一种类似于提拉法的温场向泡生法温场的转换，根据称重信号，可实现引晶、放肩过程的高精度自动可控，可大大提高泡生法工艺的自动化程度。

又，在本发明中，通过调节所述复合型籽晶杆中的所述籽晶夹具与所述主水冷杆的相对位置，可实现籽晶部位导热性能的连续转变，从而适应性服从温场从一种类似于提拉法的温场向泡生法温场的转变。

优选地，所述上保温罩为钟罩形保温罩，包括圆筒形钨热套筒或钼热套筒、和位于所述钨热套筒或钼热套筒上部且由多片环形钨隔热片和/或钼隔热片组成的上保温屏。更优选地，所述上保温罩上设有观察口，从而可以实时观察所述装置内的晶体生长状况。

较佳地，所述发热体为围绕所述坩埚设置的鸟笼形钨发热体。通过调节所述发热体的功率可以改变炉内温度。

在本发明中，所述复合型籽晶杆还可以包括位于所述主水冷杆和籽晶夹具之间的导热弹簧。当所述主水冷杆与所述籽晶夹具之间的距离缩小时，所述导热弹簧被压缩。该过程是一个籽晶轴向上热传导效应逐渐显著的过程，配合着炉内气压的降低，一方面依赖于气氛的热传递效应的降低，另一方面轴向热传导效应逐渐显著，炉内温场逐渐由提拉法向泡生法转变。