一种用于管式单晶生长炉的观察窗的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于管式单晶生长炉的观察窗。它包括套筒，透明石英片，石英放大镜，卡筒和盖套；所述套筒内间隔设置多个透明石英片，所述套筒内最下面的透明石英片设置在套筒内的底部，所述相邻透明石英片之间设置卡筒；所述套筒内的顶部设置有石英放大镜，所述套筒内最上面的透明石英片与石英放大镜之间设置有卡筒；所述盖套设置在套筒的上方用以将石英放大镜和套筒内的内部元件封闭以防滑落。本发明的观察窗结构具有安装方便，拆卸容易的特点；由于空气的导热性很差，因此该观察窗的结构具有更好的保温效果，对炉内径向温场的影响也更小；本发明的观察窗在一定程度上可以起到对径向温场的调节作用，具有更大的操作空间。
【专利说明】
一种用于管式单晶生长炉的观察窗
技术领域
[0001]本发明涉及晶体生长的设备领域，具体设计一种用于管式单晶生长炉的观察窗。
【背景技术】
[0002]利用布里奇曼法(Bridgman)进行晶体生长是近年来人们在探索新型半导体晶体材料生长方法初期所广泛采用的方法。该方法通常采用水平或竖直式的具有稳定温场分布的管式生长炉作为生长装置，通过缓慢移动生长安瓿使其从高温区逐渐过渡到低温区的方式来实现熔体的结晶生长。该方法工艺简单，容易控制，对生长炉的要求也不是很高，通常情况下，自行设计的管式电阻炉只需满足晶体生长所需的温场要求，就可以用于布里奇曼法晶体生长;同时该方法采用的封闭安瓿系统，使晶体生长不容易受到外界环境的污染，有利于高品质晶体的生长。而且相对于其他单晶生长平台的搭建成本也比较低，因此一直受到科研工作者的广泛采用。
[0003]传统的用于布里奇曼法单晶生长管式炉由于采用了不透明的电阻丝加热，同时采用了陶瓷炉管和保温棉作为炉体结构的组成部分，使得生长过程中无法直接观察到生长安瓿及其内部熔体的状态。生长过程中，坩祸在炉管内的移动会对管内的径向和轴向温场产生难以预知的影响，因此利用该方法在采用籽晶法生长晶体时，籽晶的熔接和界面的控制将会是一件非常困难的事。
[0004]为了使生长过程可见，人们对传统的管式生长炉进行改进，拿掉了其中的陶瓷炉管和保温棉，改用内壁镀金的透明石英管作为炉壳材料。这样既可以起到保温的作用，又能很好地观察到生长安瓿。但镀金石英炉壳的生产技术难度大，目前只有美国等少数国家能做，而且成本很高。镀金炉管在使用过程中，由于金膜的自挥发和结晶作用，其均匀性也会受到影响，内部温场也会跟着发生变化。因此金膜的使用寿命有限，不利于大批量长期生产使用。
[0005]相对于高成本的镀金石英炉壳而言，目前使用比较多的是在炉体侧面局部位置进行开孔，然后用一块透明石英柱插入其中作为观察窗，使生长安瓿中位于生长界面的关键位置可见。这样可以大大降低炉体制作成本，在一定程度上也改变了传统炉体不可观察的尴尬局面。
[0006]采用石英柱作为观察窗固然可以看到炉内安瓿的局部情况，但石英柱的高导热性必然会影响到炉内的径向温度分布。在高品质单晶生长过程中，径向温场的不对称会大大影响到晶体的品质，甚至会导致孪晶的出现，降低成晶率。与此同时，石英柱在长时间高温环境下使用，表面会因重结晶而变得不透明。因此石英柱的使用寿命也很有限，而更换成本也很高。
[0007]在尚未找到一种适合的既能耐高温，又透明，同时又具有低导热性的窗口材料之时，我们通过改变窗口的结构，设计制作了一种可以大幅度减小对径向温场影响的低成本石英观察窗，有效提尚了晶体的品质和成晶率。
【发明内容】
[0008][要解决的技术问题]
[0009]本发明的目的是解决上述现有技术问题，提供一种具有全新设计和结构的用于管式单晶生长炉的观察窗。该观察窗解决了传统石英柱观察窗导热性高，维护成本高的问题；其大大提高了布里奇曼法生长晶体的品质和成晶率。
[0010][技术方案]
[0011]为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案:
[0012]本发明为了在保证窗口的透明性的同时最大幅度地减小观察窗的导热性，利用多层透明石英片与空气层交叉叠合的方式作为观察窗介质;并采用导热性差的异型保温材料作为框架。本发明不仅可以大幅度的降低观察窗对径向温场的影响，还能大幅度降低使用维护成本。
[0013]—种用于管式单晶生长炉的观察窗，它包括套筒，透明石英片，石英放大镜，卡筒和盖套;所述套筒内间隔设置多个透明石英片，所述套筒内最下面的透明石英片设置在套筒内的底部，所述相邻透明石英片之间设置有卡筒;所述套筒内的顶部设置有石英放大镜，所述套筒内最上面的透明石英片与石英放大镜之间设置有卡筒;所述盖套设置在套筒的上方用以将石英放大镜和套筒内的内部元件封闭以防滑落。
[0014]本发明更进一步的技术方案，所述套筒为底部带有内卡环，顶部带有外卡环的圆柱形筒;所述套筒的外径与管式单晶生长炉炉体壁面观察窗的内径一致;所述套筒的长度与管式单晶生长炉炉体保温材料的厚度相同。
[0015]本发明更进一步的技术方案，所述透明石英片是厚度为I?2mm的圆形薄片，所述透明石英片的直径与套筒的内径相等。
[0016]本发明更进一步的技术方案，所述透明石英片中的一个或多个表面进行镀金处理。
[0017]本发明更进一步的技术方案，所述卡筒的外径与套筒的内径相等，所述卡筒的内径与套筒底部内卡环的内径相同。
[0018]本发明更进一步的技术方案，所述石英放大镜为用石英玻璃制备的凸透镜;所述石英放大镜的直径与套筒的内径相等。
[0019]所述套筒、卡筒和盖套均是采用异型保温材料制备而成。
[0020]下面将详细地说明本发明。
[0021]本发明所述的异型保温材料是指通过注浆成型或其他方式制成的形状与炉体结构相符的保温材料。
[0022]本发明观察窗的安装方法如下:将所述透明石英片放于套筒内使其置于套筒底部并卡在套筒的内卡环上;然后，将一个卡筒装进套筒内，卡筒下表面压在透明石英片上将石英片固定;再取一个石英片装进套筒内，透明石英片卡在卡筒的上表面;然后依次装入卡筒、透明石英片、卡筒数个直至套筒内装满合适数量的透明石英片和卡筒;装完后最后一个卡筒上表面距离套筒表面的距离刚好够一个石英放大镜的厚度;取石英放大镜放置于套筒内顶部，将盖套盖在套筒顶部，以使石英放大镜固定在套筒内部。
[0023]本发明中所述的套筒主体外径要与炉体壁面观察窗的内径一致，套筒插入到炉体中后能与周边保温材料贴合;所述的套筒主体长度要与炉体保温材料的厚度一致，致使套筒插入炉体后表面外卡环部分能留在炉体外表面，方便观察;所述套筒的内卡环用于稳定透明石英片，所述套筒的外卡环的厚度以方便套筒安装和拆卸为准。本发明所述的在透明石英片表面进行镀金处理，该处理用以增大反射效果，所述镀金处理可以选择在最底层的透明石英片上镀，也可以在套筒中任意透明石英片上进行镀金，具体需要根据实际使用效果来进行选择。石英放大镜的放大倍数也需要根据实际使用需求进行选择。
[0024][有益效果]
[0025]本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果:
[0026]本发明的观察窗结构具有安装方便，拆卸容易的特点。使用过程中如果有石英片透明度降低，可以有针对性地对其进行更换，大幅度降低使用成本；
[0027]本发明的观察窗结构采用石英片和空气层交叉叠合的方式来进行隔热。由于空气的导热性很差，因此该观察窗的结构具有更好的保温效果，对炉内径向温场的影响也更小；
[0028]本发明可以任意选取不同位置的石英片来镀金膜，在一定程度上可以起到对径向温场的调节作用，具有更大的操作空间。
【附图说明】
[0029]图1为本发明用于管式单晶生长炉的观察窗的结构示意图；
[0030]图2为本发明用于管式单晶生长炉的观察窗上套筒的结构示意图；
[0031]图3为本发明用于管式单晶生长炉的观察窗上透明石英片的结构示意图；
[0032]图4为本发明用于管式单晶生长炉的观察窗上石英放大镜的结构示意图；
[0033]图5为本发明用于管式单晶生长炉的观察窗上卡筒的结构示意图；
[0034]图6为本发明用于管式单晶生长炉的观察窗上盖套的结构示意图；
[0035]图7为本发明实施例2中利用本发明观察窗得到的径向温场分布；
[0036]图8为本发明实施例2中利用传统的石英柱作为观察窗得到的径向温场分布；
[0037]附图标记如下所示:
[0038]I为套筒;2为透明石英片;3为石英放大镜;4为卡筒;5为盖套;6为内卡环;7为外卡环；
【具体实施方式】
[0039]下面结合本发明的实施例对本发明作进一步的阐述和说明。
[0040]实施例1:
[0041]—种用于管式单晶生长炉的观察窗，它包括套筒I，透明石英片2，石英放大镜3，卡筒4和盖套5;所述套筒I内间隔设置多个透明石英片2，所述套筒内最下面的透明石英片2设置在套筒内的底部，所述相邻透明石英片2之间设置有卡筒4;所述套筒内的顶部设置有石英放大镜3，所述套筒内最上面的透明石英片2与石英放大镜3之间设置有卡筒4;所述盖套5设置在套筒I的上方用以将石英放大镜3和套筒I内的内部元件封闭以防滑落。
[0042]所述套筒I为底部带有内卡环6，顶部带有外卡环7的圆柱形筒;所述套筒I的外径与管式单晶生长炉炉体壁面观察窗的内径一致;所述套筒I的长度与管式单晶生长炉炉体保温材料的厚度相同。
[0043]所述透明石英片2是厚度为I?2mm的圆形薄片，所述透明石英片2的直径与套筒I的内径相等。
[0044]所述卡筒4的外径与套筒I的内径相等，所述卡筒4的内径与套筒底部内卡环6的内径相同。
[0045]所述石英放大镜3为用石英玻璃制备的凸透镜;所述石英放大镜3的直径与套筒I的内径相等。
[0046]所述套筒1、卡筒4和盖套均5是采用异型保温材料制备而成。
[0047]组装后将套筒I插入到炉体侧面已开的观察口中，在炉内加热到高温时，便可通过显露于炉壳外表的套筒I顶部的石英放大镜3观察炉内的安瓿情况。实施例2
[0048]为了更好的起到保温作用，本实施例将实施例1观察窗中的透明石英片进行加镀黄金膜处理，利用金膜对辐射的反射作用，进一步减少观察窗对炉内径向温场的影响。所选用镀金膜的透明石英片根据炉内径向温场的影响程度进行具体选择。
[0049]分别采用传统的石英柱和本发明的观察窗在同一炉体内进行实验，测试径向温场分布，温场测试方向为从观察窗对面炉膛管壁方向往观察窗方向，测试结果如图7和图8所示，从图中可以看出，采用本发明方案的观察窗所形成的径向温度分布相对于传统石英柱观察窗更为平坦，说明本发明方案的观察窗因为热量散失对炉内径向温场的影响更小。
[0050]综上所述，本发明所述观察窗因为采用了多重结构设计，大幅度减少了因热传递对炉内径向温场的影响，得到的径向温度分布更有利于晶体生长。同时本发明采用放大镜观察炉内情况，有利于得到更加清晰的结果。采用更为廉价的石英片和保温材料作为窗口材料，在大幅度降低使用成本的同时，也方便了平时的维护和更换。
[0051]尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。
【主权项】
1.一种用于管式单晶生长炉的观察窗，其特征在于它包括套筒(I)，透明石英片(2)，石英放大镜(3)，卡筒(4)和盖套(5);所述套筒(I)内间隔设置多个透明石英片(2)，所述套筒(1)内最下面的透明石英片设置在套筒内的底部，所述相邻透明石英片(2)之间设置有卡筒(4);所述套筒内的顶部设置有石英放大镜(3)，所述套筒(I)内最上面的透明石英片(2)与石英放大镜(3)之间设置有卡筒(4);所述盖套(5)设置在套筒(I)的上方用以将石英放大镜和套筒内的内部元件封闭以防滑落。2.根据权利要求1所述的用于管式单晶生长炉的观察窗，其特征在于所述套筒(I)为底部带有内卡环(6)，顶部带有外卡环(7)的圆柱形筒;所述套筒的外径与管式单晶生长炉炉体壁面观察窗的内径一致;所述套筒的长度与管式单晶生长炉炉体保温材料的厚度相同。3.根据权利要求1所述的用于管式单晶生长炉的观察窗，其特征在于所述透明石英片(2)是厚度为I?2_的圆形薄片，所述透明石英片(2)的直径与套筒(I)的内径相等。4.根据权利要求3所述的用于管式单晶生长炉的观察窗，其特征在于所述透明石英片(2)中的一个或多个表面进行镀金处理。5.根据权利要求2所述的用于管式单晶生长炉的观察窗，其特征在于所述卡筒(4)的外径与套筒(I)的内径相等，所述卡筒(4)的内径与套筒底部内卡环(6)的内径相同。6.根据权利要求1所述的用于管式单晶生长炉的观察窗，其特征在于所述石英放大镜(3)为用石英玻璃制备的凸透镜;所述石英放大镜(3)的直径与套筒(I)的内径相等。7.根据权利要求1所述的用于管式单晶生长炉的观察窗，其特征在于所述套筒(I)、卡筒(4)和盖套(5)均是采用异型保温材料制备而成。
【文档编号】C30B11/00GK105926031SQ201610405379
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】康彬, 袁泽锐, 唐明静, 张羽, 窦云巍, 陈莹, 方攀
【申请人】中国工程物理研究院化工材料研究所, 四川省新材料研究中心