[發明專利]生長碲化汞晶體的真空高壓單晶爐系統及其控制方法

有效

• 申請號: 202010953790.0
• 申請日: 2020-09-11
• 公開（公告）號: CN112064108B
• 公開（公告）日: 2023-08-18
• 發明（設計）人: 解永強;張紅梅;柳森娟;徐海濤;王宏杰;楊曉東
• 申請（專利權）人: 西北電子裝備技術研究所（中國電子科技集團公司第二研究所）
• 主分類號: C30B13/00
• 分類號: C30B13/00;C30B13/28;C30B29/48
• 代理公司: 山西華炬律師事務所 14106
• 代理人: 陳奇

本發明公開了一種生長碲化汞晶體的真空高壓單晶爐系統及其控制方法，解決了如何完成碲化汞晶體生長的問題。包括單晶爐支架（33）、真空泵（36）、充氬氣裝置、循環水冷裝置（37）、電控柜（34）和驅動軸升降驅動裝置（38），在單晶爐支架（33）上，分別設置有下爐體（1）和上爐體（3），在下爐體（1）的爐底板中央處，設置有驅動軸伸出孔（24），在驅動軸伸出孔中設置有驅動軸（23），在伸入到爐體內腔中的驅動軸（23）的頂端設置有石英坩堝（16），在石英坩堝中放置有裝有碲化汞粉末狀材料的密閉石英管（17），設置在爐體外的驅動軸的下端與驅動軸升降驅動裝置（38）機械連接；實現了大直徑碲化汞晶體的生長。

技術領域

本發明涉及一種生長碲化汞晶體的真空高壓單晶爐系統，特別涉及一種生長碲化汞晶體的真空高壓單晶爐系統及其控制方法。

背景技術

碲化汞是一種半導體材料，擁有優異的熱電性能和負熱膨脹系數，可以用于制作紅外探測器；碲化汞晶體是采用區域熔煉的布里奇曼法制備的，所謂的布里奇曼法是：將碲化汞粉末狀材料裝在封閉的圓柱形石英管中，將石英管放置到坩堝中，坩堝放置于單晶爐中，在單晶爐中，設置有從高到低的具有一定溫度梯度的加熱場，爐中高溫區域的溫度，需要控制在略高于碲化汞粉末狀材料熔點附近，石英管中的碲化汞粉末狀材料，在高溫區域開始熔解，并保持一段時間，隨著石英管內的碲化汞粉末全部熔融，在封閉的石英管內，會生成較大壓力的汞蒸氣，為了防止石英管爆裂，一般在封閉的單晶爐中充入高壓的氬氣，以平衡石英管內外壓力；隨后，機械控制系統會控制坩堝支架，緩慢地將坩堝從爐中高溫場逐步移動到低溫場中去，即使坩堝逐步通過一個具有一定溫度梯度的加熱場，在此移動過程中，當坩堝底部的溫度下降到碲化汞的熔點以下的溫度場后，熔融的碲化汞原料就開始長晶，開始生長碲化汞晶體，隨著坩堝的下降晶體持續長大，從而完成石英管內碲化汞晶體的生長。

碲化汞晶體在單晶爐中的生成，與爐中梯度溫度場的設置，以及梯度溫度場的穩定，有著密切的關系，單晶爐中高溫區的溫度高達1000℃，而低溫區的溫度為500℃，在同一單晶爐爐中，如此大溫差的溫度場的穩定形成，通過什么手段來實現，是單晶爐的爐內溫場結構設計時需要解決的一個問題，碲化汞原料在高溫區熔融，在低溫區長晶，如何保證高溫區與低溫區的溫差穩定在110℃，是爐體設備設計中需要解決的另一個問題；另外，當碲化汞粉末狀材料在密閉的石英管中熔化時，會在管內產生很大的蒸氣壓，為了平衡管內的壓力，以避免石英管的爆裂，在單晶爐中需要充入一定壓力的氬氣，以平衡石英管內外壓力，但若有意外情況發生，例如石英管發生破裂，如何保護爐體內爐腔的環境和便于清理破碎的石英管碎渣，也是爐體結構設計中需要考慮的一個問題。

現有的單晶爐是由圓柱狀的上爐體和圓柱狀下爐體組成，上爐體扣接在下爐體上，扣接在一起后，上爐體內腔與下爐體內腔組成爐內腔體；碲化汞長晶需要在密閉的無氧的高壓環境的爐內腔體中進行，爐內腔需要先抽真空，后充入高壓氬氣；在整個工藝過程中，爐內腔體必須實現可靠密閉，上、下爐體之間的鎖緊密封，還需要同時考慮承受爐內正、負兩種壓力的情況，因此，上、下爐體的連接處的可靠鎖緊及密封直接關系到碲化汞長晶過程；另外，在碲化汞長晶過程中，支撐坩堝的支架的驅動軸是從上向下移動的，驅動軸從爐內的爐底穿出到爐外，與驅動機構機械連接在一起，該驅動軸與爐體之間的動密封也是設備的一個重要環節，一旦坩堝在升降或旋轉過程中，爐體與驅動軸之間的動密封若發生泄露，將會破壞爐內溫度場和壓力，影響到碲化汞長晶的品質，特別是，碲化汞蒸氣有毒，泄露后，會危及附近操作員人身的生命安全；因此，爐體的密封特別重要。

單晶爐長晶中，爐內溫度高達上千度，如何實現爐內溫度場的保溫是一個主題，如何實現爐體外爐壁的冷卻，特別是對承擔坩堝移動的伸出到爐體外的驅動軸的冷卻，以及如何實現上、下爐體之間的鎖緊密封圈的降溫，也是現場需要解決的一個難題。

發明內容

本發明提供了一種生長碲化汞晶體的真空高壓單晶爐系統及其控制方法，解決了如何完成碲化汞晶體生長的技術問題。

本發明是通過以下技術方案解決以上技術問題的：