[發(fā)明專利]人工晶體生長的溫場調(diào)控裝置和溫場動態(tài)調(diào)控方法

有效

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• 申請日: 2020-12-21
• 公開（公告）號: CN112795980B
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發(fā)明（設計）人: 龍思衛(wèi);王彪;王文佳;林少鵬;朱允中;劉秩樺
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: C30B15/20
• 分類號: C30B15/20
• 代理公司: 廣州駿思知識產(chǎn)權代理有限公司 44425
• 代理人: 吳靜芝

本發(fā)明涉及一種人工晶體生長的溫場調(diào)控裝置。所述人工晶體生長的溫場調(diào)控裝置包括溫場調(diào)節(jié)單元、控制單元以及電磁屏蔽結構。所述溫場調(diào)節(jié)單元包括蓋設在晶體溶液容器上方的保溫蓋，所述保溫蓋的側壁上設置有垂直距離不同的散熱窗，每個散熱窗上都設有可改變散熱窗孔洞大小的調(diào)節(jié)板；所述控制單元根據(jù)當前溫度信息、電源功率信息以及晶體直徑信息，實時調(diào)整各調(diào)節(jié)板的開合方向及速度，實現(xiàn)晶體生長溫場的動態(tài)調(diào)整；所述電磁屏蔽結構消除電磁場對裝置的負面影響。本發(fā)明保證了高品質(zhì)大尺寸人工光電單晶的穩(wěn)定生長，并顯著降低單晶生長的電能消耗，具有很強的應用價值。

技術領域

本發(fā)明涉及人工晶體生長技術領域，特別是涉及一種用于優(yōu)化晶體生長各個階段的溫場的溫場調(diào)控裝置和方法。

背景技術

人工光電晶體具有極高的科研和商業(yè)價值，是高功率激光器、光電通訊、激光醫(yī)療、遙感等多個領域的基礎材料。垂直提拉法(Czochralski法)是當前制備大尺寸光電單晶，包括石榴石(GGG、YAG、LuAG等)、鈣鈦礦(YAP、LiNbO₃、LiTaO₃等)、藍寶石等晶體的最主要的方法之一。制備晶體時，首先需要用加熱線圈把坩堝中多晶料熔化，然后將籽晶緩慢下降至其末端浸潤在熔體中，接著一定的旋轉速度和提拉速度向上提拉，經(jīng)由縮頸、放肩、等徑、收尾、拉脫幾個步驟使熔體重新凝固為單晶。晶體制備過程中，有兩個重要的難點：(1)電能消耗高：光電晶體的熔點普遍極高，維持高溫熔體狀態(tài)需使用高功率電源作為輸入；足夠的溫度梯度是晶體順利生長的前提，常用的增大散熱孔增加溫度梯度的方案進一步提高電能消耗，提高了晶體的制備成本。(2)溫場控制難：溫場分布隨著晶體生長自行發(fā)生變化，該變化不利于晶體持續(xù)穩(wěn)定生長。晶體生長的不同階段需要分別提供不同的合適的溫度梯度，保證高品質(zhì)單晶順利持續(xù)生長。

當前，絕大部分情況下，使用密封在爐膛內(nèi)部的固定保溫結構進行晶體制備。在整個晶體生長過程中，保溫結構無法調(diào)整改變；只能被動接受隨著晶體生長和液面下降帶來的溫場改變；逐漸惡化的溫場導致晶體生長界面發(fā)生顯著變化，降低晶棒兩端光學性質(zhì)的一致性，甚至導致晶體生長中斷或晶體開裂。

發(fā)明專利《一種動態(tài)調(diào)整溫場中溫度梯度的裝置》(CN201822068289.7)公開了一種動態(tài)調(diào)整溫度梯度的方法，通過設置和調(diào)整保溫結構頂部的溫場上蓋，改變位于保溫結構頂部的籽晶桿經(jīng)過的散熱孔的大小，實現(xiàn)溫度梯度的逐漸減小，提高晶體完整率，降低晶體成本。該發(fā)明專利調(diào)節(jié)保溫結構頂部的籽晶桿經(jīng)過的垂直方向的散熱孔，對溫場調(diào)節(jié)的幅度較小；本發(fā)明專利調(diào)節(jié)保溫蓋的側壁上不同高度的多個側向的散熱孔，從氣流方式散熱與輻射方式散熱兩種途徑大幅度調(diào)控溫場；兩種發(fā)明專利在原理和設計上存在本質(zhì)區(qū)別。

發(fā)明專利《一種利用溫度梯度可調(diào)節(jié)的溫場裝置生長近化學計量比鈮酸鋰晶體的方法》(CN201510400519.3)公開了一種用于近化學計量比鈮酸鋰晶體生長的溫度梯度可調(diào)節(jié)的溫場裝置，通過升降保溫結構頂部的可移動保溫帽，增加或減小溫度梯度，實現(xiàn)高品質(zhì)化學計量比鈮酸鋰晶體的生長。該發(fā)明專利基于保溫帽與固定保溫套之間的相對位置的變化，并不涉及散熱孔面積或數(shù)量的增加，與本發(fā)明專利在原理和設計上存在本質(zhì)區(qū)別。

現(xiàn)有的固定保溫結構由于可調(diào)整的范圍非常有限，因此不能為晶體生長各個階段提供合適的溫場分布。隨著晶體生長和液面下降而持續(xù)惡化的溫場不利于高品質(zhì)晶體的持續(xù)穩(wěn)定生長。同時，使用強散熱效果的固定保溫結構也不利于節(jié)能和降低成本。

此外，應用于晶體生長裝置的保溫材料具有高反射率，液面和晶體以輻射光方式散射的熱量會被保溫材料反射回來，從而實現(xiàn)保溫；但在晶體生長需要較大溫度梯度時，被反射的輻射光的熱量不利于溫度梯度的形成。

如何同時對保溫系統(tǒng)中部側面和頂部的散熱效果同時進行大幅度的調(diào)整，即同時運用輻射方式散熱與氣流方式散熱，實現(xiàn)一種可以大幅度、平穩(wěn)且自動地調(diào)節(jié)溫場的溫場控制裝置，仍然是大尺寸高品質(zhì)光電單晶生長中極為重要、亟需解決的一個問題。

發(fā)明內(nèi)容