一种生长晶体材料时的温度引导装置及其方法与流程

一种生长晶体材料时的温度引导装置及其方法【技术领域】本发明涉及一种晶体材料生长设备的辅助温控装置，具体地说本发明涉及一种生长蓝宝石、多晶硅或单晶硅等晶体材料时的温度引导装置及其方法。

背景技术：
在多晶硅、单晶硅或蓝宝石等晶体材料生长过程中，其中多晶硅碎料在坩埚中生长成为多晶硅锭以及多晶硅转换为单晶硅时，通过对坩埚的加热温度控制，并利用设置在坩埚底部的籽晶，使融化并围绕籽晶新生长的晶体按照籽晶的晶粒排列方式进行排列：其中籽晶为单晶时，新生长晶体的硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，这些晶核长成与籽晶晶面取向相同的晶粒，则新生长的晶体就是单晶硅；若籽晶为多晶时，这些晶核长成与籽晶晶面取向不同的晶粒，则新生长的晶体就是多晶硅；但是这个过程必须是在一个密闭的炉体内完成的。在新晶体生长的过程中，炉室内的坩埚需要形成下低上高的温度梯度，为了形成温度梯度，传统设备通过改变坩埚的下部保温效果，增加热量的散失以便形成坩埚所需的下低上高的温度梯度。也有技术是通过在下轴内通入液氦等低温流体，由低温流体实现带走坩埚下部热量的目的，从而形成坩埚上下的温度差“温度梯度”的效果；以热交换法为例，其生长方法为：A、首先通过加热体加热熔化坩埚内的晶体材料碎料，使碎料熔体温度保持略高于熔点5～10℃；B、待坩埚底部设置的籽晶上端部分被熔化时“这时晶体材料碎料也已经融化”，开始缓慢下降炉室内的温度“同时也使坩埚的温度降低，以便融化的晶体材料碎料结晶”；C、对炉室内坩埚底部的下轴注入氦气，通过下轴的温度传递对坩埚底部进行强制冷却，这一过程中首先感知低温的是坩埚底部以及设置在坩埚内底部的籽晶，低温会随着籽晶向融化的晶体材料碎料辐射；D、融化的晶体材料就会以籽晶为核心，逐渐生长出充满整个坩埚的晶体；这便是晶体材料的结晶过程。上述方式在生长时所需要件包括：坩埚的底部必须与下轴紧密连接，形成温度导体；前期加热坩埚时耗热量极大；坩埚在加热过程中由于摆放角度的原因，使得加热体对于坩埚的加热不均匀，使得坩埚四周的外缘面容易形成部分距离较近处较热，其它相对于较热部分的温度较冷，这种环境下便会出现非均匀晶核。同理，蓝宝石的加工方法包括提拉法、坩埚下降法、导模法、热交换法、泡生法等，针对目前对蓝宝石制备的方法，以上制备方法都采用支撑体旋转带动坩埚同步旋转的方案，坩埚内的蓝宝石结晶过程受到微震使得结晶过程出现晶震现象而形成部分晶体错位，造成品质下降。即使是温度梯度法生长蓝宝石，也会出现坩埚在加热过程中摆放角度的偏差，使得加热体对于坩埚的加热不均匀，生长出的蓝宝石容易出现非均匀晶核。为了克服前述问题，本发明人在先专利申请“一种生长晶体材料时的温度梯度控制装置及其方法，申请号、201210020279.0，申请日2012年1月10日”中公开了增加套筒形成的温度梯度控制，实际使用中的温度梯度控制较好的实现了发明人的诉求，但是发明人通过实验发现单层的套筒效果略逊于多层套筒；所以申请人在后申请了另一项专利申请“晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构及方法，申请号、201210028171.6，申请日2012年2月9日”，在申请文件中公开了通过增加套筒数量，实现了较佳的温度梯度。通过上述解释不难发现，温度的梯度控制仅仅是对于坩埚下部的温控，然而坩埚上部散失的热量如能够引导，使其上部热量最大化的使坩埚上部受益，也是一种较佳的温控形式，通过检索现有文献尚未发现相关报道。

技术实现要素：
为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种生长晶体材料时的温度引导装置及其方法，本发明通过在坩埚上部添加上盖，由上盖形成发热体热能向坩埚内晶体材料的上部聚拢，使上部的晶体材料获取较快的温度上升，实现了温度引导和最大化利用热能的目的。为了实现上述发明的目的，本发明采用如下技术方案：一种生长晶体材料时的温度引导装置，包括炉室、发热体、坩埚、冷却介质降温机构和导热通路，在炉室内设有坩埚，坩埚的外部设有发热体，所述发热体处于炉室内，坩埚的下部设有冷却介质降温机构，在坩埚的上端设有上盖，上盖的下部与坩埚的上端之间设有导热通路，由上盖形成发热体热能向坩埚上部的聚拢，由导热通路引导热能向坩埚内晶体材料上部的加热，获取坩埚内晶体材料上部的温度高于坩埚内下部的晶体材料。所述的生长晶体材料时的温度引导装置，在发热体外部的炉室中设有保温罩。所述的生长晶体材料时的温度引导装置，在坩埚与发热体之间设有套筒，套筒为单层或多层，所述套筒的下端处于炉室底板或底部保温层上；或所述单层或多层套筒下端处于支撑环上，所述支撑环下端处于炉室底板或底部保温层上。所述的生长晶体材料时的温度引导装置，在上盖的外缘设有向四周延伸的上盖外沿，上盖的下部放置在所述坩埚的上端；或放置在套筒的上端；或放置在坩埚与套筒之间设置的盖环上部，上盖的下部与套筒或盖环的上端之间设有导热通路。所述的生长晶体材料时的温度引导装置，所述上盖为平板结构或中部向上凸起结构，在上盖外缘设置的上盖外沿由中部连接处向外方为水平结构；或上盖外沿的外缘为上翘；或上盖外沿的外缘为向下设置。所述的生长晶体材料时的温度引导装置，所述上盖外沿的外缘设置有向上环形凸起，附加盖扣在上盖外沿环形凸起中形成多层盖。所述的生长晶体材料时的温度引导装置，所述的导热通路为上盖的下部设有复数个支腿，所述支腿下端放置在坩埚上部或盖环上部或套筒上部，由支腿与支腿之间的豁口形成导热通路。所述的生长晶体材料时的温度引导装置，所述的导热通路为套筒上端顶在上盖的下部面上，在套筒上端设有复数个上部豁口，由所述复数个上部豁口形成导热通路。所述的生长晶体材料时的温度引导装置，所述的导热通路为在上盖下部与坩埚、套筒以及盖环之间设置圆环，在圆环上分布复数个内外贯通的开孔；或在圆环上部设置复数个豁口；或在圆环下部设置复数个豁口；或圆环的上部和下部同时设置复数个豁口，由所述圆环上设置的复数个内外贯通的开孔或复数个豁口形成导热通路。所述的生长晶体材料时的温度引导装置，圆环的上下两端分别设有上台阶和下台阶，所述上台阶和下台阶分别为外台阶或内台阶，由圆环上端的所述外台阶或内台阶卡接在上盖下部设置的限位环内侧或外侧的边上；由圆环下端的所述外台阶或内台阶卡接在坩埚或套筒上端的内侧或外侧边上。所述的生长晶体材料时的温度引导装置，所述冷却介质降温机构包括下轴、套筒和坩埚，所述套筒为单层或多层，套筒的上部将坩埚包裹，套筒的下端设置在炉室底板或底部保温层上；或套筒的下部设有向中部延伸的下部环，下部环的中部口下方与炉室底板或底部保温层之间分别与支撑环的上下两端连接，在下部环中部口的上部设有支架，支架上部设有开口，坩埚底部放在支架的开口上，在支架的四周以及上部面设有多个侧散冷孔和上散冷孔，下轴的上端对应坩埚内籽晶所在位置的下部，下轴的上端与坩埚为接触或间隔设置，下轴内接通的冷却介质为循环方式降温，单层或多层套筒内所述下轴中的冷却介质形成坩埚的温度梯度控制，下轴的下部穿过炉室底板或底部保温层后连通冷却介质。所述的生长晶体材料时的温度引导装置，所述下轴由上部至下端为空心结构，在下轴的空心中设有管路，所述管路的内部为冷却介质通路，冷却介质顺着管路内上流后沿着管路与下轴的空心结构之间回流，形成坩埚的底部降温结构；或所述管路与下轴的空心结构之间的外部为冷却介质通路，冷却介质顺着管路外与下轴内的空心结构之间间隙上流后沿着管路内回流，形成坩埚的底部降温另一替换结构。所述的生长晶体材料时的温度引导装置，所述冷却介质降温机构，在单层或多层套筒下部的炉室底板或底部保温层上设有至少一个惰性气体注入孔，套筒的上部将坩埚包裹，套筒的下端设置在炉室底板或底部保温层上；或套筒的下部设有向中部延伸的下部环，下部环的中部口下方与炉室底板或底部保温层之间分别与支撑环的上下两端连接，在下部环中部口的上部设有支架，支架上部设有开口，坩埚底部放在支架的开口上，在支架的四周以及上部面设有多个侧散冷孔和上散冷孔，由惰性气体注入孔的惰性气体使坩埚底部和套筒的空间形成低温区为冷却介质降温机构。一种生长晶体材料时的温度引导方法，在炉室内的坩埚设置在发热体的中部，发热体上端略高于坩埚的上端，所述坩埚内的底部设置有籽晶，在籽晶上放置晶体材料，坩埚的下部设有冷却介质降温机构，在坩埚的上端设有上盖，上盖的下部与坩埚的上端之间设有导热通路，所述发热体分别连接电源的正负极，发热体对坩埚辐射加热，同步也对坩埚上部的晶体材料加热，同时由上盖的上盖外沿形成发热体上端热能向坩埚的上部聚拢，由坩埚与上盖之间的导热通路引导热能向坩埚内晶体材料上部的加热，受到坩埚的隔热作用，坩埚内晶体材料上部的温度获取高于坩埚内下部的晶体材料温度，实现发热体上部的温度引导，坩埚内融化的晶体材料由底部籽晶处开始生长结晶，获取晶体材料块。所述的生长晶体材料时的温度引导方法，在坩埚的下部设置设置有冷却介质降温机构，在坩埚与发热体之间设有套筒，套筒为单层或多层，所述套筒的下端处于炉室底板或底部保温层上；或所述单层或多层套筒下端处于支撑环上，所述支撑环下端处于炉室底板或底部保温层上；冷却介质降温机构的下轴上端对应坩埚内籽晶所在位置的下部，下轴的上端与坩埚为接触或间隔设置，在发热体对坩埚辐射加热时，下轴内同步接通的冷却介质，所述下轴中的冷却介质使坩埚下部的所述单层或多层套筒内形成低温区，由低温区使坩埚的底部温度低于上部，获取坩埚的梯度温度；所述梯度温度结合坩埚与上盖导热通路获取更为合适的温度梯度。所述的生长晶体材料时的温度引导方法，在坩埚的下部设置设置有冷却介质降温机构，在坩埚与发热体之间设有套筒，套筒为单层或多层，所述套筒的下端处于炉室底板或底部保温层上，坩埚下部处于支架上部设有开口上，支架下部处于炉室底板或底部保温层上，在支架的四周以及上部面设有多个侧散冷孔和上散冷孔；或所述单层或多层套筒下端处于支撑环上，所述支撑环下端处于炉室底板或底部保温层上；在单层或多层套筒下部的炉室底板或底部保温层上设置有惰性气体注入孔，在发热体对坩埚辐射加热时，惰性气体注入孔也同步将惰性气体注入，坩埚下部的所述单层或多层套筒内，使坩埚下部形成低温区，由低温区使坩埚的底部温度低于上部，获取坩埚的梯度温度；所述梯度温度结合坩埚与上盖导热通路获取更为合适的温度梯度。所述的生长晶体材料时的温度引导方法，所述惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氮气、氟利昂或氡气中的任意一种。通过上述公开内容，本发明的有益效果是：本发明所述生长晶体材料时的温度引导装置及其方法，本发明通过在坩埚上部添加上盖，由上盖形成发热体热能向坩埚内晶体材料的上部聚拢，使上部的晶体材料获取较快的温度上升；使用时可以配合现有技术的热交换方法或背景技术中本发明的在先申请“一种生长晶体材料时的温度梯度控制装置及其方法，申请号、201210020279.0，申请日2012年1月10日”和“晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构及方法，申请号、201210028171.6，申请日2012年2月9日”使用，均可获得较好的温度引导效果；本发明结构简单，有效地使发热体上部散失的热能得到利用，使坩埚内上部的晶体材料获取了高于坩埚下部晶体材料的温度，实现了温度引导和最大化利用热能的目的。【附图说明】图1是本发明的应用结构示意图；图2是本发明的温度引导装置另一实施例结构示意图；图3是本发明的温度引导装置第三施例结构示意图；图4是图1的温度引导装置结构示意图；图5是本发明的温度引导装置第四实施例结构示意图；图6是本发明的温度引导装置第五实施例结构示意图；图7是本发明的温度引导装置第六施例结构示意图；图8是本发明的温度引导装置第一替换结构示意图；图9是图7的温度引导装置上盖第二结构示意图；图10是图7的温度引导装置上盖第三结构示意图；图11是图7的温度引导装置上盖第四结构示意图；图12是是图7的温度引导装置上盖第五结构示意图；图13是本发明的温度引导装置第二替换结构示意图；在图中：1、附加盖；2、上盖外沿；3、支腿；4、豁口；5、盖环；6、坩埚；7、晶体材料；8、套筒；9、保温罩；10、籽晶；11、侧散冷孔；12、支架；13、下轴；14、冷却介质通路；15、管路；16、炉室底板或底部保温层；17、支撑环；18、下部环；19、开口；20、上散冷孔；21、炉室；22、发热体；23、上盖；24、限位环；25、上部豁口；26、上台阶；27、圆环；28、开孔；29、下台阶。【具体实施方式】下面结合实施例对本发明进行进一步的说明；下面的实施例并不是对于本发明的限定，仅作为支持实现本发明的方式，在本发明所公开的技术框架内的任意等同结构替换，均为本发明的保护范围；结合附图1中给出的生长晶体材料时的温度引导装置，包括炉室21、发热体22、坩埚6、冷却介质降温机构和导热通路，坩埚6设置在炉室21内，坩埚6的外部设有发热体22，为了实现一炉生产单个坩埚6或多个坩埚6的晶体生长，炉室21内设置的坩埚6数量为可选方式，当小型炉室21内利用生产单个坩埚6晶体生长时，所述炉室21可替代保温罩9，若为多个坩埚6晶体生长时，在每一坩埚6和外部设置的发热体22需要使用保温罩9将其罩住，形成独立的生长空间；结合本发明在线申请的具有套筒8的专利申请，在坩埚6与发热体22之间设有套筒8，套筒8为单层或多层，所述套筒8的下端处于炉室底板或底部保温层16上；或所述单层或多层套筒8下端处于支撑环17上，所述支撑环17下端处于炉室底板或底部保温层16上，坩埚6的下部设有冷却介质降温机构，在坩埚6的上端设有上盖23，上盖23的下部与坩埚6的上端之间设有导热通路，由上盖23形成发热体22热能向坩埚6上部的聚拢，由导热通路引导热能向坩埚6内晶体材料7上部的加热，获取坩埚6内晶体材料7上部的温度高于坩埚6内下部的晶体材料7。结合附图1～12中，在上盖23的外缘设有向四周延伸的上盖外沿2，上盖23的下部放置在所述坩埚6的上端；或放置在套筒8的上端；或放置在坩埚6与套筒8之间设置的盖环5上部，上盖23的下部与套筒8或盖环5的上端之间设有导热通路；结合附图2、3、5、6中，所述上盖23为平板结构或中部向上凸起结构，在上盖23外缘设置的上盖外沿2由中部连接处向外方为水平结构；或上盖外沿2的外缘为上翘；或上盖外沿2的外缘为向下设置；本发明考虑到上盖23为单层可以满足发明目的的实现，但是本发明并不排除多层上盖23，在附图1和4给出了两层上盖23和连接方式，即所述上盖外沿2的外缘设置有向上环形凸起，附加盖1扣在上盖外沿2环形凸起中形成多层盖“需要说明的是附图1和4并不是对于本发明上盖23层数限制，采用类似方式增加上盖23层数同样是本发明的保护范围”。下面给出导热通路的多种方式：1)、所述的导热通路为上盖23的下部设有复数个支腿3，所述支腿3下端放置在坩埚6上部或盖环5上部或套筒8上部，由支腿3与支腿3之间的豁口4形成导热通路。2)、另一替换方式为所述的导热通路为套筒8上端顶在上盖23的下部面上，在套筒8上端设有复数个上部豁口25，由所述复数个上部豁口25形成导热通路。3)、附图13中第三替换方式为所述的导热通路为在上盖23下部与坩埚6、套筒8以及盖环5之间设置圆环27，在圆环27上分布复数个内外贯通的开孔28；或在圆环27上部设置复数个豁口4；或在圆环27下部设置复数个豁口4；或圆环27的上部和下部同时设置复数个豁口4，由所述圆环27上设置的复数个内外贯通的开孔28或复数个豁口4形成导热通路；为了使圆环27较好的固定在上盖23与坩埚6或上盖23套筒8之间，圆环27的上下两端分别设有上台阶26和下台阶29，所述上台阶26和下台阶29分别为外台阶或内台阶，由圆环27上端的所述外台阶或内台阶卡接在上盖23下部设置的限位环24内侧或外侧的边上；由圆环27下端的所述外台阶或内台阶卡接在坩埚6或套筒8上端的内侧或外侧边上。结合本发明在先申请给出的所述冷却介质降温机构给予阐述，所述冷却介质降温机构包括下轴13、套筒8和坩埚6，所述套筒8为单层或多层，套筒8的上部将坩埚6包裹，套筒8的下端设置在炉室底板或底部保温层16上；或套筒8的下部设有向中部延伸的下部环18，下部环18的中部口下方与炉室底板或底部保温层16之间分别与支撑环17的上下两端连接，在下部环18中部口的上部设有支架12，支架12上部设有开口19，坩埚6底部放在支架12的开口19上，在支架12的四周以及上部面设有多个侧散冷孔11和上散冷孔20，下轴13的上端对应坩埚6内籽晶10所在位置的下部，下轴13的上端与坩埚6为接触或间隔设置，下轴13内接通的冷却介质为循环方式降温，单层或多层套筒17内所述下轴13中的冷却介质形成坩埚6的温度梯度控制，下轴13的下部穿过炉室底板或底部保温层16后连通冷却介质；所述下轴13由上部至下端为空心结构，在下轴13的空心中设有管路15，所述管路15的内部为冷却介质通路14，冷却介质顺着管路15内上流后沿着管路15与下轴13的空心结构之间回流，形成坩埚6的底部降温结构；或所述管路15与下轴13的空心结构之间的外部为冷却介质通路14，冷却介质顺着管路15外与下轴13内的空心结构之间间隙上流后沿着管路内回流，形成坩埚6的底部降温另一替换结构。下面的实施例图中未显示，但将附图1中的下轴13去除，由下轴13在炉室底板或底部保温层16的穿过孔替换为惰性气体注入孔便可实现，所述冷却介质降温机构的替换结构为，在单层或多层套筒17下部的炉室底板或底部保温层16上设有至少一个惰性气体注入孔，套筒8的上部将坩埚6包裹，套筒8的下端设置在炉室底板或底部保温层16上；或套筒8的下部设有向中部延伸的下部环18，下部环18的中部口下方与炉室底板或底部保温层16之间分别与支撑环17的上下两端连接，在下部环18中部口的上部设有支架12，支架12上部设有开口19，坩埚6底部放在支架12的开口19上，在支架12的四周以及上部面设有多个侧散冷孔11和上散冷孔20，由惰性气体注入孔的惰性气体使坩埚6底部和套筒8的空间形成低温区为冷却介质降温机构。一种生长晶体材料时的温度引导方法，在炉室21内的坩埚6设置在发热体22的中部，发热体22上端略高于坩埚6的上端，所述坩埚6内的底部设置有籽晶10，在籽晶10上放置晶体材料7，坩埚6的下部设有冷却介质降温机构，在坩埚6的上端设有上盖23，上盖23的下部与坩埚6的上端之间设有导热通路，所述发热体22分别连接电源的正负极，发热体22对坩埚6辐射加热，同步也对坩埚6上部的晶体材料7加热，同时由上盖23的上盖外沿2形成发热体22上端热能向坩埚6的上部聚拢，由坩埚6与上盖23之间的导热通路引导热能向坩埚6内晶体材料7上部的加热，受到坩埚6的隔热作用，坩埚6内晶体材料7上部的温度获取高于坩埚6内下部的晶体材料7温度，实现发热体22上部的温度引导，坩埚6内融化的晶体材料7由底部籽晶10处开始生长结晶，获取晶体材料块。进一步，在坩埚6的下部设置设置有冷却介质降温机构，在坩埚6与发热体22之间设有套筒8，套筒8为单层或多层，所述套筒8的下端处于炉室底板或底部保温层16上；或所述单层或多层套筒8下端处于支撑环17上，所述支撑环17下端处于炉室底板或底部保温层16上；冷却介质降温机构的下轴13上端对应坩埚6内籽晶10所在位置的下部，下轴13的上端与坩埚6为接触或间隔设置，在发热体22对坩埚6辐射加热时，下轴13内同步接通的冷却介质，所述下轴13中的冷却介质使坩埚6下部的所述单层或多层套筒8内形成低温区，由低温区使坩埚6的底部温度低于上部，获取坩埚6的梯度温度；所述梯度温度结合坩埚6与上盖23导热通路获取更为合适的温度梯度。进一步，在坩埚6的下部设置设置有冷却介质降温机构，在坩埚6与发热体22之间设有套筒8，套筒8为单层或多层，所述套筒8的下端处于炉室底板或底部保温层16上，坩埚6下部处于支架12上部设有开口19上，支架12下部处于炉室底板或底部保温层16上，在支架12的四周以及上部面设有多个侧散冷孔11和上散冷孔20；或所述单层或多层套筒8下端处于支撑环17上，所述支撑环17下端处于炉室底板或底部保温层16上；在单层或多层套筒17下部的炉室底板或底部保温层16上设置有惰性气体注入孔，在发热体22对坩埚6辐射加热时，惰性气体注入孔也同步将惰性气体注入，坩埚6下部的所述单层或多层套筒8内，使坩埚6下部形成低温区，由低温区使坩埚6的底部温度低于上部，获取坩埚6的梯度温度；所述梯度温度结合坩埚6与上盖23导热通路获取更为合适的温度梯度。所述的生长晶体材料时的温度引导方法，所述惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氮气、氟利昂或氡气中的任意一种。其中所述晶体材料为晶体粉末、晶体碎块或晶体颗粒的任意一种或晶体粉末、晶体碎块或晶体颗粒的混合物。本发明未详述部分为现有技术。为了公开本发明的目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是，应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围内的实施例的所有变化和改进。