一种用于溶液法晶体生长的坩埚系统的制作方法

本发明涉及一种用于溶液法晶体生长的坩埚系统，属于晶体生长中热场设计技术领域。

背景技术：

随着我国电子元器件产业需求的提高，对元器件所需晶体材料质量等提出了较高的需求。其中一些晶体由于其材料特性等限制，被证明采用溶液法进行晶体生长是比较好的方法。比如采用thm(移动加热器法)法所生长的cdznte(碲锌镉)晶体能有效避免晶体缺陷多、组分不均匀、夹杂多等影响元器件特性的问题。同样在光隔离器上有很重要应用的yig(钇铁石榴石)晶体目前仍多采用溶液法进行生长。

采用溶液法进行晶体生长，目前存在一个比较大的问题是溶液在降温过程中需要控制界面温度分布，尽量使得结晶生长界面处于平或微凸的形状，这样有利于晶粒长大以及减少晶体内杂质含量。为了便于初期形核以及生长控制，采用逐渐放大的锥形底坩埚是目前经常采用的方法。但是锥形底坩埚存在比较大的问题便是放肩生长到一半的位置时会造成界面形状严重内凹，会造成在此处坩埚壁面上形成大量晶核，从而导致生长失败或晶体质量很差的现象。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种用于溶液法晶体生长的坩埚系统，考虑晶体生长初期过程中坩埚底部的热场变化，对晶体溶液法生长中坩埚的结构进行改进，以有利于高质量晶体的生长。

本发明提出的用于溶液法晶体生长的坩埚系统，包括炉体内胆、散热底盘和坩埚；所述的散热底盘置于炉体内胆下部，所述的坩埚置于炉体内胆内的散热底盘上；坩埚由坩埚本体和坩埚密封盖组成，坩埚密封盖盖在坩埚本体上，坩埚本体具有椭圆型底部结构，椭圆型底部结构满足下式：

其中，h为设计晶体生长界面高度，r为设计晶体生长界面半径，r为坩埚所在炉胆的散热底盘半径，k为晶体材料的导热系数，ε为晶体材料发射率，从相关手册获取，tg为晶体生长界面温度，为晶体生长工艺中的已知温度，根据用于晶体生长的溶液成分决定，可以从相关手册获取，t0,h为当生长界面上升到h位置时散热底盘的温度，需要在工装设计前测定，σ为stefan-boltzmann常数，σ＝5.67×10^‐8w/(m^‐2·k^‐4)，α为生长界面处坩埚表面切线角度；

通过数值计算的方式，求解上式，得到r与h的关系，即确定坩埚本体椭圆型底部的结构。

本发明提出的用于溶液法晶体生长的坩埚系统，其优点是：

本发明提出的坩埚系统中，其中坩埚底部设计为椭圆形，考虑晶体导热与辐射散热关系，通过坩埚形状的设计和散热底盘对坩埚散热进行控制，使得在坩埚降温过程中晶体生长界面一直保持在水平或微凸状态，因此特别有利于高质量晶体的生长。本发明的坩埚系统可以用于无籽晶法或者底部带籽晶的溶液法晶体生长。本发明的坩埚系统，由于设计结构简单，具有较强的可靠性，便于获得重复性生长结果。

附图说明

图1为本发明提出的用于溶液法晶体生长的坩埚系统的结构示意图。

图1中，1为炉体内胆，2为散热底盘，3为辐射散热通道，4为坩埚，5为坩埚密封盖，6为晶体生长界面。

具体实施方式

本发明提出的用于溶液法晶体生长的坩埚系统，其结构如图1所示，包括炉体内胆1、散热底盘2和坩埚。散热底盘2置于炉体内胆1的下部，坩埚置于炉体内胆1内的散热底盘2上。坩埚由坩埚本体4和坩埚密封盖5组成，坩埚密封盖5盖在坩埚本体4上，坩埚本体4具有椭圆型底部结构，椭圆型底部结构满足下式：

其中，h为设计晶体生长界面高度，r为设计晶体生长界面半径，r为坩埚所在炉胆的散热底盘半径，k为晶体材料的导热系数，ε为晶体材料发射率，从相关手册获取，tg为晶体生长界面温度，为晶体生长工艺中的已知温度，根据用于晶体生长的溶液成分决定，可以从相关手册获取，t0,h为当生长界面上升到h位置时散热底盘的温度，需要在工装设计前测定，实际过程中采用与生长晶体材料热特性和几何特性相似的材料，模拟生长过程，并采用普通热电偶测定散热底盘的温度，将该温度作为t0,h。σ为stefan-boltzmann常数，σ＝5.67×10^‐8w/(m^‐2·k^‐4)，α为生长界面处坩埚表面切线角度；

通过数值计算的方式，求解上式，得到r与h的关系，即确定坩埚本体椭圆型底部的结构。

本发明坩埚系统的设计，其主要目的是尽量避免晶体生长界面形状的变化。系统主要包括炉体内衬、坩埚和散热底盘，其中的坩埚具有椭圆型底部结构。本发明系统中，坩埚置于加热炉内，其炉膛内部结构包括炉膛内胆和散热底盘，在晶体生长过程中通过逐渐降低底部温度，从而使得晶体从坩埚底部向上生长。理想的生长界面形状为平或微凸。所采用的炉膛结构为坩埚侧面为低吸收率保温材料，坩埚底部为超高吸收率的散热底盘，即坩埚侧壁热量主要通过辐射散热传递给散热底盘，而坩埚中心则通过导热与散热底盘中心接触。在生长界面保持水平的情况下，需要维持生长界面继续水平，以保证通过溶液各处的散热量均相同，通过理论分析得到，首先必须保证通过坩埚中心散热量大于等于通过生长界面边缘所散失的热量。

坩埚内胆由低辐射吸收率的材料组成，相反散热地盘由辐射吸收率极高的黑体组成，其目的为限制通过炉体内胆的辐射散热从而只允许坩埚热量通过接触热传导以及辐射吸收的方式进行散热。如图1所示，理想的晶体生长界面应为图1中6所示的水平或者微凸形状。如果要使生长界面保持水平，则要使界面处等温线为水平，即坩埚中心通过热传导所散失的热量与生长界面边缘通过辐射所散失的热流密度相等。

假设生长界面到达坩埚的相对高度为h，此时散热底盘2在炉体内的温度到达t0,h，如果针对任意h均能得到该位置下的生长界面半径r则可以得到坩埚的曲线形状。此处引入生长界面边缘处切线角度α，如图1所示。

通过坩埚中心导热所散失的热流密度为：

在界面边缘通过热辐射向散热底盘所散失的热流密度为：

上式(1)和式(2)中，t0,h为当生长界面上升到h位置时，需要在工装设计前测定散热底盘的温度，tg为晶体生长界面温度(为工艺中已知温度)，根据用于晶体生长的溶液成分决定，h为生长界面高度，k为晶体材料导热系数，ε为材料发射率，σ为stefan-boltzmann常数，r为生长界面半径，r为散热底盘半径，α为生长界面处坩埚表面切线角度。综合上述两式，要通过辐射散热调节界面保持水平需要满足：

通过式(3)即可确定所设计坩埚即工装情况下，坩埚底部形状曲线要满足的关系，针对特定炉体中，需测定当晶体生长界面上升到h时散热底盘的温度，即确定t0,h。根据式(3)，取两侧热流密度相等即可通过数值计算的方式确定坩埚形状，即r与h的关系。