控制炉内坩埚的温度的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于生长晶体的炉系统，并且涉及一种用于生长晶体的方法。具体地，本发明涉及一种包括控制炉内坩祸的温度的炉系统。
【背景技术】
[0002]在传统的用于生长晶体的炉中，坩祸被放置在炉腔的内部。为了形成一个晶体成分，晶种或籽晶被布置在坩祸内。晶种通常由是将要形成的晶体成分的材料的所期望的晶体材料制成。炉被加热以使得坩祸内的晶体材料变成熔融和液体状态。
[0003]通过从位于坩祸底部的籽晶开始生长晶体成分而形成晶体成分。为了实现从坩祸的底部生长晶体，坩祸的底部的温度必须被精确地控制，以使得不熔化籽晶并且使得已生长出的固体晶体成分不会由于温度变化而再次变成液体。因此，炉底部应该比顶部更冷，优选地具有最小化对流的稳定化的温度梯度。由于垂直方向上的温度梯度，所以坩祸中的材料可从底部向顶部凝固。
[0004]在传统的炉系统中，已知的是使用冷却的坩祸轴和/或可移动的温度屏蔽件来冷却该坩祸的底部和与已形成的晶体成分。通过冷却的轴或温度屏蔽件，可以控制坩祸中的晶体液体从底部向上的受控的凝固，并且可以在坩祸中提供期望的温度梯度。此外，已知的是从炉的底部提取热量。
【发明内容】
[0005]本发明的一个目的可以是提供一种改善液晶的受控凝固以便生长晶体的炉。
[0006]为了实现上面限定的目的，给出根据独立权利要求的一种用于生长晶体的炉系统和用于生长晶体的方法。
[0007]根据本发明的第一方面，提出一种用于生长晶体的炉系统。该炉系统包括用于生长晶体的坩祸和包括具有内部容积的壳体的炉，该内部容积形成加热区。坩祸布置在内部容积中，其中壳体包括连接内部容积与壳体的环境(即中间容积)的通孔。绝热塞能够可移动地插入通孔中，以分别控制(即，通过辐射)从坩祸和内部容积向外的热提取。绝热塞没有与坩祸有力传递接触。
[0008]根据本发明的另一方面，提出一种用于生长晶体的方法。根据该方法，提供一种坩祸。该坩祸布置在炉的壳体的内部容积中，其中壳体包括连接内部容积与壳体的环境(即中间容积)的通孔。绝热塞可移动地插入通孔中，以分别控制(即，通过辐射)从坩祸和内部容积向外的热提取。绝热塞没有与坩祸有力传递接触。
[0009]该炉包括容纳内部容积的壳体。该炉包括加热元件，尤其是福射加热元件，其加热内部容积直至达到期望的温度。在内部容积内可以提供的温度可以是100°C至1000°C，优选高达约2100°C或更高。壳体由绝热材料制成，以使得内部容积与包围壳体的环境(即中间容积)热隔离。该炉还可以包括容纳壳体的外壳体。中间容积形成在外壳体和壳体之间，以使得例如热交换器的另一炉设备可以安装在中间容积中。在操作条件下可以在内部容积和中间容积内产生炉的真空气氛。可替代地，在操作条件下可以在内部容积和中间容积内产生炉的惰性气体气氛。
[0010]坩祸包括内部生长容积。籽晶元件可以放置在坩祸内。籽晶元件由期望的单晶材料(例如蓝宝石)制成。此外，原始材料，例如期望的晶体材料，例如高纯度氧化铝裂片，被放入坩祸的内部生长容积中。当坩祸内的温度升高时，初始材料变成熔融态。炉适于以这样的方式加热坩祸:例如使得从壳体的底部至壳体的顶部的温度梯度是可调整的。换句话说，坩祸的底表面可保持得温度比坩祸的与坩祸的底表面分隔开的区域低。
[0011]从壳体(尤其是坩祸)的底部至坩祸的顶部的这种受控的温度梯度通过在壳体中(例如在壳体的底部中)形成通孔而被调整，以在内部容积和中间容积之间提供热辐射耦入口 O
[0012]为了控制通过壳体的通孔的热提取，绝热塞被塞入并且可移动地插入通孔中。因此，当坩祸的底表面温度太高时，绝热塞远离坩祸移动以允许更多的辐射损耗，从而热可以通过辐射而通过通孔被提取。当坩祸的底表面温度太低时，绝热塞通过通孔并且朝向坩祸移动以暂停通过通孔的热提取。相应的温度传感器可以安装在内部容积中以分别测量坩祸和内部容积的底部与顶部之间的温度梯度。因此，可以在每一种操作模式下较好地调整内部容积与环境之间的能量传递，并且能量传递可以减小至当绝热塞例如被完全插入通孔时围绕的壳体绝热的能量损失值。
[0013]根据本发明的方案，绝热塞(和例如另外的绝热塞)没有与相应的坩祸有力传递的接触。因此，绝热塞不用于支撑坩祸，即坩祸的重力不传递给坩祸。此外，(另外的)绝热塞不以力传递的方式耦接至壳体。因此，绝热塞和例如另外的绝热塞能够在不支撑坩祸并且不安装至壳体上的情况下在壳体的相应通孔内自由地移动。因此，由于绝热塞能够在相应的通孔内的独立运动，所以实现了受控且灵活的热提取。
[0014]根据本发明的示例性实施例，壳体包括具有支撑区域的底部，坩祸被支撑在该支撑区域上，其中支撑区域包括连接内部容积与壳体的环境(即中间容积)的通孔。
[0015]因此，根据本发明的另一示例性实施例，坩祸设置在内部容积内，以使得通孔被坩祸的底表面覆盖。
[0016]根据示例性的实施例，坩祸的底表面具有第一直径，并且其中绝热塞的顶端具有等于或小于第一直径的第二直径。
[0017]绝热塞的顶端是绝热塞的最靠近坩祸底表面的一端。当绝热塞的第二直径等于坩祸的底表面的第一直径时，实现了尤其在坩祸的底表面的边缘和中心之间沿整个底表面的均匀的热提取和热控制。
[0018]根据示例性的实施例，坩祸包括圆柱形轮廓的晶种，该圆柱形轮廓具有晶体直径。绝热塞的顶端的第二直径等于晶体直径。
[0019]晶种例如形成为短圆柱棒状。晶种例如沿坩祸的底表面延伸。特别地，晶体直径可以大于坩祸的底表面的第一直径的80%，尤其是90%_100%。
[0020]当绝热塞的第二直径进一步适应于坩祸的底表面的第一直径和晶体直径时，提供了坩祸内部的有效且高质量的晶体生长。
[0021]特别地，晶种的晶体直径可以增加，这将减少在晶体生长可以开始之前的时间并且还将避免结晶质量缺陷，该结晶质量缺陷可能由晶种和坩祸的底部的相互作用产生。在不影响在不同的工艺阶段期间停止和控制从坩祸的底部提取热量的能力的情况下，可移动绝热塞的直径例如匹配晶种的较大晶种直径。
[0022]因此，提供全直径晶种，并且减小坩祸的侧壁与晶种的边缘之间的间隙。此外，当绝热塞的第二直径被调整为第一直径和/或晶体直径时，实现了沿整个晶体长度并且沿坩祸底部的均匀的热控制。这具有更快地开始生长并且避免由于坩祸的底部与坩祸内的熔融氧化铝/生长蓝宝石晶体的相互作用导致的缺陷的形成的优点。例如，使用较小直径的晶种，必须尝试首先从晶种的边缘沿径向向外生长晶体、然后开始竖直生长。使用根据示例性的实施例的较大/全直径晶种开始生长避免了这个问题。
[0023]根据示例性的实施例，通孔的第三直径能够调整为绝热塞的顶端的第二直径。通孔的第三直径尤其适应于绝热塞的第二直径，以使得通孔与绝热塞之间的间隙被减小，从而提供精确且准确的温度控制。
[0024]通孔形成在壳体的底部的支撑区域中，其中坩祸使用其底表面搁置在支撑区域上。因此，在一侧，壳体的底部支撑坩祸，并且在另一侧，来自坩祸底部的热量可以直接通过通孔被提取至环境，即中间容积。
[0025]支撑区域可以由壳体的底部的突起或凹部形成。当支撑区域由凹部形成时，坩祸可以固定和/或对齐(定向)在底部的凹部内。下述的支撑板可以布置在底部的凹部内。
[0026]因为坩祸的底表面搁置在壳体的底部上并且由此覆盖通孔，所以内部容积通过坩祸本身与环境(即中间容积)分隔开。即使坩祸的底表面必须被冷却，也仅移除绝热塞而坩祸的底表面仍覆盖通孔。热量通过辐射(即辐射冷却)通过通孔从坩祸的底表面上被提取。
[0027]热辐射描述的是通过电磁辐射的辐射或吸收至或从实体(例如坩祸的底表面)的能量传递。
[0028]根据本发明的示例性实施例，绝热塞包括热辐射部，该热辐射部形成绝热塞的面向坩祸的一个表面(尤其是底表面)的自由端。
[0029]根据本发明的另一个示例性实施例，热辐射部包括具有大于(约)50W/(m*K)、尤其大于(约)90W/(m*K)的传热系数的材料。
[0030]热辐射部可以由例如碳或石墨材料形成以提供合适的传热特性。因此，从坩祸底表面福射的热量可以被绝热塞的热福射部吸收。因此，该热量可以非常有效地被热福射部提取。
[0031]根据本发明的另一示例性的实施例，绝热塞包括绝热部，该绝热部形成绝热塞的面向壳体的环境(即中间容积)的自由端。
[0032]根据本发明的另一示例性的实施例，绝热部包括具有小于20W/(m*K)、尤其小于lW/(m*K)的传热系数的材料。
[0033 ]绝热部可以由例如绝热材料(例如石墨材料)形成。
[0034]根据本发明的另一示例性的实施例，坩祸的底表面的区域具有等于或大于通孔的开口横截面的尺寸。因此，通过该示例性的实施例，确保坩祸的底表面完全覆盖通孔的开
□ O
[0035]根据本发明的另一示例性的实施例，炉系统还包括布置在坩祸的底表面与支撑区域之间的支撑板。
[0036]支撑板可以是坩祸的底表面的一体部件或可以是分离部件。支撑板可以由具有高热传导率的材料制成，该具有高热传导率的材料具有大于例如(约)50W/(m*K)、尤其大于(约)90W/ (m*K)的传热系数。
[0037]因此，壳体的底部围绕支撑区域的区域和/或支撑区域本身可以由包括例如小于10W/(m*K)的低传热系数的绝热材料制成。因此，提供了内部容积与环境之间良好的隔离，从而还实现了良好的传热控制。然而，支撑板覆盖通孔的开口并且提供良好的热辐射特性，使得虽然壳体由高绝热材料制成但是热量仍可以通过通孔提取。
[0038]根据本发明的另一示例性的实施例，绝热塞被可移动地支撑以使得绝热塞能够沿朝向坩祸和远离坩祸的方向移动。
[0039]例如，绝热塞连接至马达，例如液压或电马达，该马达相对于坩祸的底表面驱动通孔内的绝热塞。
[0040]绝热塞可以在通孔内步进式或连续地移动。在该情况下，在绝热塞和底表面之间提供容积部，以使得热量通过辐射经由容积部从坩祸的底表面被提取至绝热塞。
[0041]具体地，当绝热塞包括热辐射部时，绝热塞可以从通孔中以如下方式被拉出:使得热辐射部的一部分被拉出通孔并且