[发明专利]一种离子掺杂晶体生产设备及其生产工艺

说明书

本发明涉及晶体制备技术领域，具体公开了一种离子掺杂晶体生产设备及其生产工艺；该生产设备包括炉体、坩埚和加热系统，坩埚上部开设有通孔，通孔下部设有伸缩套筒，炉体上设有穿过伸缩套筒的伸缩提杆，坩埚外侧设有加热系统；加热系统启动后材料熔化为熔体，当伸缩套筒与熔体接触后，炉体通过进气装置充入保护气氛；本申请的熔体上部气氛分别为真空气氛和保护气氛，两气体环境通过伸缩套筒和熔体分隔开来，当伸缩套筒下降时，伸缩套筒两侧的熔体被排开进入真空室内，而伸缩套筒内的熔体界面会随伸缩套筒同步下降，既解决了籽晶上升法提杆易振动和蠕动的问题，又解决了坩埚下降法对设备要求高且存在安全隐患的问题。

技术领域

本发明涉及晶体制备技术领域，具体涉一种离子掺杂晶体生产设备及其生产工艺。

背景技术

掺杂晶体为得到所期望的物理性质，常需要在晶体中掺入杂质元素。例如在半导体硅中掺入一定量的磷，得到n型半导体；掺入一定量的铝或稼，得到p型半导体。掺杂的方法很多，平导体常利用在一定气氛下退火的办法或离子注入法掺杂。荧光材料的掺杂需要将基质和掺杂物质均匀混合，经高温处理得到均匀的材料；

现有的晶体制备方法主要为提拉法制备，是丘克拉斯基(J.Czochralski)在1917年发明的从熔体中提拉生长高质量单晶的方法。这种方法能够生长无色蓝宝石、红宝石、钇铝榴石、钆镓榴石、变石和尖晶石等重要的宝石晶体；即将构成晶体的原料放在坩埚中加热熔化，在熔体表面接籽晶提拉熔体，在受控条件下，使籽晶和熔体在交界面上不断进行原子或分子的重新排列，随降温逐渐凝固而生长出单晶体；

现有的提拉法主要包括提升籽晶和降下熔体的方式，二者各有利弊，提升籽晶法提杆的机械振动和蠕动会造成生长晶体的缺陷；对此现有技术中产生了熔体下降法制备晶体。

如图1所示的申请号为CN200810247023.7的一种生长钇铝石榴石晶体的方法及其设备，在该专利中采用了坩埚下降法生长晶体，在生长时需要将全部的熔体和坩埚一同下降，为保证如此质量的系统平稳下降因此对设备要求较高，且存在一定的安全隐患；

且两种生长方法都面对同一个问题——随着晶体生长熔体会不断减少，尤其是籽晶在缩颈、扩肩和收尾阶段其晶体消耗量不断变化，因此对控制设备提出了一定的要求，即现有制备装置的熔体界面与籽晶距离和晶体棒生长长度变化是非线性对应的(主要是因为熔体体积的消耗)。

发明内容

为了克服上述的技术问题，本发明的目的在于提供一种离子掺杂晶体生产设备及其生产工艺。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种离子掺杂晶体生产设备，包括炉体、坩埚和加热系统，所述坩埚上部开设有通孔，所述通孔下部设有伸缩套筒，所述炉体上设有穿过伸缩套筒的伸缩提杆，所述坩埚外侧设有加热系统；加热系统启动后材料熔化为熔体，当伸缩套筒下降至与熔体接触前，炉体通过抽气装置进行抽真空，当伸缩套筒下降至与熔体接触后，炉体通过进气装置充入保护气氛。

本申请的熔体上部气氛分别为真空气氛和保护气氛，两气体环境通过伸缩套筒和熔体分隔开来，当伸缩套筒下降时，伸缩套筒两侧的熔体被排开进入真空室内，而伸缩套筒内的熔体界面会随伸缩套筒同步下降，同时伸缩套筒两侧的熔体由于高于伸缩套筒内的熔体界面，因此当晶体生长时两侧的熔体可对套筒内的熔体进行补充，从而避免了晶体生长界面因消耗的变化。

作为本发明进一步的方案：所述坩埚内转动设有导流盘，所述导流盘下端面平行于熔体液面，所述导流盘下端面设有导流结构，当导流盘逆时针转动时，炉体中部的熔体沿导流结构向外侧流动，当导流盘顺时针转动时，炉体边缘的熔体沿导流结构向内侧流动。

在晶体生长过程中，由于加热系统位于坩埚四周，因此熔体边缘温度会高于中部，通过导流盘旋转则可适时控制熔体温度交换，提高或降低中部问题，从而减小或扩大熔体界面的径向温度梯度，保证晶体生长品质。