[發明專利]一種生長晶體材料時的溫度引導裝置及其方法

有效

• 申請號: 201210049146.6
• 申請日: 2012-02-29
• 公開（公告）號: CN103290485B
• 公開（公告）日: 2017-03-22
• 發明（設計）人: 劉朝軒
• 申請（專利權）人: 洛陽金諾機械工程有限公司
• 主分類號: C30B35/00
• 分類號: C30B35/00;C30B11/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

【技術領域】

本發明涉及一種晶體材料生長設備的輔助溫控裝置，具體地說本發明涉及一種生長藍寶石、多晶硅或單晶硅等晶體材料時的溫度引導裝置及其方法。

【背景技術】

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換為單晶硅時，通過對坩堝的加熱溫度控制，并利用設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完成的。

在新晶體生長的過程中，爐室內的坩堝需要形成下低上高的溫度梯度，為了形成溫度梯度，傳統設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。

也有技術是通過在下軸內通入液氦等低溫流體，由低溫流體實現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的晶體材料碎料，使碎料熔體溫度保持略高于熔點5～10℃；

B、待坩堝底部設置的籽晶上端部分被熔化時“這時晶體材料碎料也已經融化”，開始緩慢下降爐室內的溫度“同時也使坩堝的溫度降低，以便融化的晶體材料碎料結晶”；

C、對爐室內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置在坩堝內底部的籽晶，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，這種環境下便會出現非均勻晶核。

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帶動坩堝同步旋轉的方案，坩堝內的藍寶石結晶過程受到微震使得結晶過程出現晶震現象而形成部分晶體錯位，造成品質下降。即使是溫度梯度法生長藍寶石，也會出現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非均勻晶核。

為了克服前述問題，本發明人在先專利申請“一種生長晶體材料時的溫度梯度控制裝置及其方法，申請號、201210020279.0，申請日2012年1月10日”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了發明人的訴求，但是發明人通過實驗發現單層的套筒效果略遜于多層套筒；所以申請人在后申請了另一項專利申請“晶體生長時利用多層套筒形成的溫度梯度控制結構及方法，申請號、201210028171.6，申請日2012年2月9日”，在申請文件中公開了通過增加套筒數量，實現了較佳的溫度梯度。

通過上述解釋不難發現，溫度的梯度控制僅僅是對于坩堝下部的溫控，然而坩堝上部散失的熱量如能夠引導，使其上部熱量最大化的使坩堝上部受益，也是一種較佳的溫控形式，通過檢索現有文獻尚未發現相關報道。

【發明內容】

為了克服背景技術中的不足，本發明公開了一種生長晶體材料時的溫度引導裝置及其方法，本發明通過在坩堝上部添加上蓋，由上蓋形成發熱體熱能向坩堝內晶體材料的上部聚攏，使上部的晶體材料獲取較快的溫度上升，實現了溫度引導和最大化利用熱能的目的。

為了實現上述發明的目的，本發明采用如下技術方案：

一種生長晶體材料時的溫度引導裝置，包括爐室、發熱體、坩堝、冷卻介質降溫機構和導熱通路，在爐室內設有坩堝，坩堝的外部設有發熱體，所述發熱體處于爐室內，坩堝的下部設有冷卻介質降溫機構，在坩堝的上端設有上蓋，上蓋的下部與坩堝的上端之間設有導熱通路，由上蓋形成發熱體熱能向坩堝上部的聚攏，由導熱通路引導熱能向坩堝內晶體材料上部的加熱，獲取坩堝內晶體材料上部的溫度高于坩堝內下部的晶體材料。

所述的生長晶體材料時的溫度引導裝置，在發熱體外部的爐室中設有保溫罩。