感应加热直拉法生长单晶的辅助加热方法和装置及单晶炉与流程

本发明涉及直拉单晶设备技术领域，特别涉及一种感应加热直拉法生长单晶的辅助加热方法和装置及单晶炉。

背景技术：

直拉法生长单晶，是熔体法生长单晶最为成熟和最常用的晶体生长方法之一，熔体直拉法生长单晶，首要的要求就是适合的温场，即温度在空间的分布。温场的描述一般用径向和轴向温度梯度来描述。对于直拉法生长单晶，适合的温度梯度是生长单晶的首要条件。感应加热是直拉法生长单晶，最常用的加热方法。高频电流通过发热体，产生高频磁场，与坩埚耦合产生交变电流，从而产生热量。感应加热，坩埚本身发热，设备布置比较简单。然而，在晶体生长过程中，熔体液面逐渐下降，裸露的坩埚侧壁越来越多，对熔体辐射的热量越来越多，熔体纵向温度梯度逐渐降低，到一定程度后，将不足提供足够的生长动力，晶体生长将停止。

技术实现要素：

有鉴于此，针对上述不足，有必要提出一种能保证晶体生长所需温度梯度的感应加热直拉法生长单晶的辅助加热方法。

还有必要提出一种能保证晶体生长所需温度梯度的感应加热直拉法生长单晶的辅助加热装置。

还有必要提出一种能保证晶体生长所需温度梯度的感应加热直拉法生长单晶的单晶炉。

一种感应加热直拉法生长单晶的辅助加热方法，晶体生长的阶段，在坩埚外侧设置辅助温场，所述坩埚自身可发热，将所述辅助温场放置于坩埚径向延伸的坩埚侧壁外侧的位置，通过所述辅助温场加热坩埚内熔体，提高坩埚内熔体的纵向温度梯度。

优选的，将所述辅助温场放置于坩埚侧壁中下部位置。

优选的，所述辅助温场为坩埚外侧设置保温体，在保温体外侧安装辅助加热丝，将所述辅助加热丝水平缠绕于保温体外侧环壁上，辅助加热丝设置于保温体中部偏下的位置，通过辅助加热丝自身发热来加热坩埚内熔体。

一种感应加热直拉法生长单晶的辅助加热装置，包括发热体、保温体、第一支撑体、第二支撑体、坩埚、辅助加热丝，所述发热体由水冷铜线绕成螺旋状，所述发热体与交流电源连接，保温体为一筒状体，保温体的上端面开口，保温体内置于发热体中，所述第一支撑体、第二支撑体高度可调，所述第一支撑体包括多个第一垫环体，多个第一垫环体同轴叠放一起，以组成第一支撑体，所述第一支撑体的下端端面固定设置，所述保温体置于第一支撑体的上端端面上，以通过第一支撑体调整保温体的高度，所述第二支撑体包括多个第二垫环体，多个第二垫环体同轴叠放一起，以组成第二支撑体，所述第二支撑体的下端放置于保温体内侧底壁上，所述坩埚置于第二支撑体的上端端面上，以通过第二支撑体调整坩埚的高度，所述坩埚能够收容熔体，坩埚由高导磁材料制成，以通过发热体产生的磁场使坩埚本身发热，辅助加热丝水平缠绕于保温体的外侧环壁上，辅助加热丝设置于保温体中部偏下的位置，辅助加热丝由高导磁材料制成，以通过发热体产生的磁场使辅助加热丝本身发热，进而加热与辅助加热丝相应位置的坩埚侧壁。

优选的，保温体的下端面设置有第一散热孔，每一个第一垫环体的端面设有第二散热孔，第二散热孔与第一散热孔同轴设置，每一个第二垫环体的端面设有第三散热孔，第三散热孔与第一散热孔同轴设置。

优选的，所述保温体的轴线与发热体的轴线重合，所述坩埚与保温体同轴设置。

优选的，所述辅助加热丝为铂、铱、镍中的一种。

优选的，在保温体外侧环壁缠绕两圈辅助加热丝。

优选的，在坩埚的外壁与保温体内壁之间的空间填充有氧化锆粉料。

一种感应加热直拉法生长单晶的单晶炉，包括炉体、晶种轴、驱动机构以及感应加热直拉法生长单晶的辅助加热装置，感应加热直拉法生长单晶的辅助加热装置安装于炉体的腔室中，驱动机构安装于炉体的顶端，晶种轴沿炉体的腔室上下方向延伸，晶种轴与坩埚同轴设置，晶种轴具有一个自由端，晶种轴的另一端与驱动机构连接，驱动机构带动晶种轴绕晶种轴的轴线转动，并带动晶种轴相对炉体上下直线运动。

本发明技术方案中，通过在坩埚外侧增加辅助温场，为坩埚内熔体加热，这样就能抵消熔体液面上方裸露出的坩埚的侧壁对熔体产生的热量，保证晶体生长所需的温度梯度。

附图说明

图1为所述感应加热直拉法生长单晶的单晶炉的纵截面示意图。

图2为图1中所述感应加热直拉法生长单晶的单晶炉沿a-a方向的剖视图。

图中：感应加热直拉法生长单晶的辅助加热装置10、发热体11、保温体12、第一散热孔121、第一支撑体13、第一垫环体131、第二散热孔1311、第二支撑体14、第二垫环体141、第三散热孔1411、坩埚15、辅助加热丝16、氧化锆粉料17、炉体20、晶种轴30、驱动机构40。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

参见图1和图2，本发明实施例提供了一种感应加热直拉法生长单晶的辅助加热方法，晶体生长的阶段，在坩埚15外侧设置辅助温场，坩埚15自身可发热，将辅助温场放置于坩埚15径向延伸的坩埚15侧壁外侧的位置，通过辅助温场加热坩埚15内熔体，提高坩埚15内熔体的纵向温度梯度。

本发明技术方案中，通过在坩埚15外侧增加辅助温场，为坩埚15内熔体加热，这样就能抵消熔体液面上方裸露出的坩埚15的侧壁对熔体产生的热量，保证晶体生长所需的温度梯度。

参见图1和图2，进一步，将辅助温场放置于坩埚15侧壁中下部位置。

参见图1和图2，进一步，辅助温场为坩埚15外侧设置保温体12，在保温体12外侧安装辅助加热丝16，将辅助加热丝16水平缠绕于保温体12外侧环壁上，辅助加热丝16设置于保温体12中部偏下的位置，通过辅助加热丝16自身发热来加热坩埚15内熔体。

参见图1和图2，本发明实施例还提供了一种感应加热直拉法生长单晶的辅助加热装置10，包括发热体11、保温体12、第一支撑体13、第二支撑体14、坩埚15、辅助加热丝16，发热体11由水冷铜线绕成螺旋状，发热体11与交流电源连接，保温体12为一筒状体，保温体12的上端面开口，保温体12内置于发热体11中，第一支撑体13、第二支撑体14高度可调，第一支撑体13包括多个第一垫环体131，多个第一垫环体131同轴叠放一起，以组成第一支撑体13，第一支撑体13的下端端面固定设置，保温体12置于第一支撑体13的上端端面上，以通过第一支撑体13调整保温体12的高度，第二支撑体14包括多个第二垫环体141，多个第二垫环体141同轴叠放一起，以组成第二支撑体14，第二支撑体14的下端放置于保温体12内侧底壁上，坩埚15置于第二支撑体14的上端端面上，以通过第二支撑体14调整坩埚15的高度，坩埚15能够收容熔体，坩埚15由高导磁材料制成，以通过发热体11产生的磁场使坩埚15本身发热，辅助加热丝16水平缠绕于保温体12的外侧环壁上，辅助加热丝16设置于保温体12中部偏下的位置，辅助加热丝16由高导磁材料制成，以通过发热体11产生的磁场使辅助加热丝16本身发热，进而加热与辅助加热丝16相应位置的坩埚15侧壁。

熔体液面m在坩埚15内沿p方向下降的过程中，熔体液面m上方的裸露的坩埚15侧壁面积越来越大，裸露的坩埚15侧壁加热熔体，使得熔体沿p方向温度梯度越来越低，到一定程度后，将不足提供足够的生长动力，晶体生长将停止。

本技术方案中，通过在保温体12外侧环壁上安装辅助加热丝16，通过发热体11产生的磁场使辅助加热丝16本身发热，再进一步加热坩埚15侧壁，而辅助加热丝16设置于保温体12中部偏下的位置，这个位置位于裸露的坩埚15侧壁的下方，从而使得熔体的温度增加，这样就能抵消熔体液面上方裸露出的坩埚15的侧壁对熔体产生的热量，保证晶体生长所需的温度梯度，补充在生长晶体到一定阶段，温度梯度不足的问题，保证熔体转变为晶体的比例，维持在一个比较高的程度。

参见图1和图2，进一步，保温体12的下端面设置有第一散热孔121，每一个第一垫环体131的端面设有第二散热孔1311，第二散热孔1311与第一散热孔121同轴设置，每一个第二垫环体141的端面设有第三散热孔1411，第三散热孔1411与第一散热孔121同轴设置。

坩埚15的底壁和侧壁均发热，靠近坩埚15底壁的位置，坩埚15轴线o处的温度高于同一位置坩埚15侧壁位置的熔体温度，这样情况下，不利于晶体生长。

本技术方案中，通过在坩埚15的底壁设置第一散热孔121，使得坩埚15底壁产生的热量通过第一散热孔121排出，使得靠近坩埚15底壁的位置，坩埚15轴线o处的温度低于同一位置坩埚15侧壁位置的熔体温度，保证晶体的正常生长。

参见图1和图2，进一步，保温体12的轴线与发热体11的轴线重合，坩埚15与保温体12同轴设置。

参见图1和图2，进一步，辅助加热丝16为铂、铱、镍中的一种。

参见图1和图2，进一步，在保温体12外侧环壁缠绕两圈辅助加热丝16。

参见图1和图2，进一步，在坩埚15的外壁与保温体12内壁之间的空间填充有氧化锆粉料17。

参见图1和图2，本发明实施例提供了一种感应加热直拉法生长单晶的单晶炉，包括炉体20、晶种轴30、驱动机构40以及感应加热直拉法生长单晶的辅助加热装置10，感应加热直拉法生长单晶的辅助加热装置10安装于炉体20的腔室中，驱动机构40安装于炉体20的顶端，晶种轴30沿炉体20的腔室上下方向延伸，晶种轴30与坩埚15同轴设置，晶种轴30具有一个自由端，晶种轴30的另一端与驱动机构40连接，驱动机构40带动晶种轴30绕晶种轴30的轴线转动，并带动晶种轴30相对炉体20上下直线运动。

以下通过实施例和对比例进一步说明本发明，下面的实施例只是用于详细说明本发明，并不以任何方式限制发明的保护范围。

对比例1：生长钽酸锂（lt）晶体，直径160mm、高度100mm的铱金坩埚15，装料14kg，生长4英寸晶体。不加辅助加热丝16，生长晶体重量6800g，晶体外观扭曲，晶体生长原料里引用率49%。

实施例1：生长钽酸锂（lt）晶体，直径160mm、高度100mm的铱金坩埚15，装料14kg，生长4英寸晶体。辅助加热丝16为铂金，辅助加热丝16截面厚度0.5mm，辅助加热丝16截面高度2mm，辅助加热丝16的位置在距离坩埚15顶部三分之二高度处，生长晶体重量8800g，晶体外观通直，生长界面微凸，晶体生长原料里引用率63%。

实施例2：生长钽酸锂（lt）晶体，直径160mm、高度100mm的铱金坩埚15，装料14kg，生长4英寸晶体。辅助加热丝16为镍带，辅助加热丝16截面厚度1.0mm，辅助加热丝16截面高度2mm，辅助加热丝16的位置在距离坩埚15顶部三分之二高度处，生长晶体重量9000g，晶体外观通直，生长界面微凸，晶体生长原料里引用率64%。

本发明实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。

本发明实施例装置中的模块或单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。