一种旋转提拉称重单元与炉腔分离的晶体提拉炉的制作方法

本发明涉及一种提拉称重单元与炉腔分离的晶体提拉炉，属于晶体生长设备技术领域。

背景技术：

提拉法是一种从熔体中生长高质量单晶体的方法，其基本原理是原料在坩埚中加热溶化，缓慢将籽晶与熔体接触，通过精确控制温度和晶体拉速和转速，使得固液界面处熔体不断凝固而生长出晶体。该晶体生长方法下籽晶过程和晶体生长过程能够实时观察与控制，可以通过使用优质定向籽晶和缩颈技术，减少晶体缺陷，因而该方法控制方便，能获得较快的生长速率和很高的产品性能均匀性获得高质量晶体，因此提拉法是一种能够应用于产业化的晶体生长方法，可用于生长激光晶体、压电晶体、电光晶体、闪烁晶体等重要的光电功能晶体。

中国专利文献cn103911655a公开的《一种晶体提拉装置》、cn101660198公开的《一种高精度自动化光电晶体提拉炉》、cn101788790a公开的《用于自动化光电晶体提拉炉的pc机控制系统》以及cn105717878a公开的《全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统》都属于提拉法晶体生长装置。

提拉法晶体生长装置包括旋转提拉单元和炉腔。炉腔中设置有保温热场和坩埚，保温热场置于炉腔内，坩埚置于保温热场中。旋转提拉称重单元是提拉法晶体生长装置中的重要组成部分，设置有高精度称重传感器、提拉执行机构和旋转执行机构，提拉执行机构和旋转执行机构带动置于炉腔内的籽晶杆旋转提升，满足了晶体生长精确提拉和稳定转动。

提拉法晶体生长过程中，下籽晶过程以及晶体生长过程中固液界面稳定性对于获得高质量的晶体尤为关键。下籽晶及晶体生长阶段，通过调整籽晶杆及籽晶夹头使得籽晶或生长晶体位于生长坩埚中心部位，并保证籽晶杆的旋转同心度，使得晶体生长初期籽晶位于温场对称中心，晶体生长过程中籽晶杆的旋转同心度，同样对晶体生长过程中界面的稳定性具有重要意义。由于提拉法晶体生长炉的旋转提拉装置以及上称重法电子秤的高精密性，外界轻微的干扰都容易引起晶体重量的波动，这些微扰动通过采集电子秤读数反馈到晶体生长控制系统，会造成晶体生长的不稳定，从而影响晶体生长的质量。固定在电子秤下面的籽晶杆对中有一点微小的偏差，到晶体籽晶位置就放大成划弧和抖动。因此，旋转提拉单元的稳定性与同心度对于提拉晶体炉非常重要。

目前的提拉晶体炉的提拉称重单元固定装置直接固定与炉腔顶部，虽然在晶体生长之前通过调整籽晶杆以及籽晶夹头，可以保证籽晶杆的同心度以及籽晶位于坩埚中心。但是，由于晶体生长过程中通冷却水的双层不锈钢炉腔会发生不同程度的热胀冷缩，固定于炉腔顶部的提拉称重单元也会随着不锈钢炉腔的形变而发生轻微的摇摆或倾斜，如图1所示，传统提拉炉炉腔形变前后导致籽晶杆和提拉单元相对倾斜变化，其中(a)和(b)分别为炉腔形变前后籽晶杆和提拉单元位置的状态。当提拉称重单元直接固定于变形的炉腔上，在晶体生长过程中，炉腔的形变会直接导致提拉称重单元发生倾斜，处于(b)位置，一方面直接影响晶体生长下种初期和晶体生长过程中籽晶杆的摇摆，从而导致生长初期的籽晶以及后期生长的晶体偏离坩埚中心位置，使得晶体生长温场的对称性和稳定性遭到破坏，从而导致晶体生长质量大大降低；另一方面，倾斜的籽晶杆会造成定向籽晶倾斜，籽晶和生长的晶体偏离坩埚温场中心，晶体生长方向与籽晶方向不一致，影响晶体的质量以及晶体器件加工的利用率。

技术实现要素：

本发明针对现有晶体提拉炉存在的缺点，提供一种旋转提拉单元的稳定性好、同心度高的旋转提拉称重单元与炉腔分离的晶体提拉炉。

本发明的旋转提拉称重单元与炉腔分离的晶体提拉炉，采用以下技术方案：

该晶体提拉炉，包括炉腔和旋转提拉称重单元，旋转提拉称重单元固定于炉腔之外独立的固定装置上。

所述固定装置为支撑固定架。所述支撑固定架为立柱式、框架式或悬挂式。

所述固定装置的底部设置有减震座。

通过调整籽晶杆，使籽晶位于炉腔内坩埚的中心部位，这样在晶体生长之前进行调整以保证籽晶杆的同心度以及籽晶位于坩埚的中心。然后通过旋转并向上提拉籽晶而实现晶体生长。

本发明中的旋转提拉称重单元与炉腔分离，不直接固定于炉腔上，而是固定于独立的固定装置上，这种独立于炉腔之外的固定装置非常关键，这种结构避免了传统晶体提拉炉由于炉腔热胀冷缩而导致的提拉称重单元不稳定，可以避免炉腔变形造成的籽晶和生长晶体偏离坩埚中心，使晶体生长过程稳定可靠，有利于获得高质量的晶体。

附图说明

图1是传统晶体提拉炉炉腔形变前后，籽晶杆和提拉单元相对倾斜变化示意图。其中(a)为炉腔形变前籽晶杆和提拉单元相对位置的状态；(b)为炉腔形变后籽晶杆和提拉单元相对位置的状态。

图2是本发明晶体提拉炉的结构示意图。

其中：1.减震支脚，2.炉腔，3.支撑固定架，4.旋转提拉称重单元，5.籽晶杆，6.籽晶，7.温场，8.坩埚，9.加热装置，10.接气口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明为旋转提拉称重单元与炉腔分离的晶体提拉炉，其结构如图1所示。包括固定装置、炉腔2和旋转提拉称重单元4。固定装置主要用于固定旋转提拉称重单元4，从而避免传统晶体提拉炉直接固定于炉腔上造成提拉单元的不稳定。固定装置分离于炉腔2之外，是独立机构，不与炉腔2连接。固定装置包括支撑固定架3和设置于支撑固定架3底部的减震固定底座1。旋转提拉称重单元4固定于支撑固定架3的顶部。支撑固定架3可以是独立于炉腔2之外的立柱式结构、框架式结构或者是悬挂式(呈c型)结构。

炉腔2为双层水冷不锈钢炉腔，晶体生长过程通循环冷却水。炉腔2的顶部和底部均设置有接气口10。通过接气口使腔体内处于真空状态，或通过控制进出气口气体流量，达到炉腔2内处于流动气氛状态。

炉腔2内设置有温场7，坩埚8置于温场7中。温场7外围的加热装置9为感应加热线圈10，或者是设置于炉腔2内部的电阻加热装置。与提拉称重单元4连接的籽晶杆5伸入炉腔2内。

炉腔2的顶部设置有摄像机，用于实时监测腔体内晶体生长状态。

根据实际生长晶体的尺寸，选择合适尺寸的温场7和坩埚8，将晶体多晶原料置于坩埚8内，籽晶6置于与提拉称重单元4连接的籽晶杆5上。通过炉腔2内底部的升降装置带动坩埚8升降，调整坩埚8的位置，使坩埚8处于最佳的温场位置。通过接气口10向炉腔2内通入惰性气体或对炉腔2抽真空，使腔体内形成适合晶体生长的环境。

加热装置9接通电源对装有原料的坩埚8加热，当坩埚8加热到多晶原料熔点以上时，晶体多晶原料熔化成熔体状态，旋转提拉称重单元4带动籽晶杆5，使得籽晶6伸入到坩埚8内的熔体中。通过调整籽晶杆5，使籽晶6位于坩埚8的中心部位，这样在晶体生长之前进行调整以保证保证籽晶杆5的同心度以及籽晶6位于坩埚8的中心。

然后通过旋转并向上提拉籽晶6而实现晶体生长。

本发明中的这种独立于炉腔的用于安装固定旋转提拉称重单元4的固定装置非常关键，可以避免炉腔2变形造成的籽晶和生长晶体偏离坩埚8的中心，保证籽晶杆5的旋转同心度，使得晶体生长过程稳定可靠，获得高质量的晶体。