一种适用于提拉法的线圈可移动式温场结构与单晶生长方法与流程

本发明涉及晶体生长技术的改进，具体涉及一种适用于提拉法的线圈可移动式温场结构与单晶生长方法，属于晶体生长技术领域。

背景技术：

提拉法是制备高温晶体的一种常用方法，具有生长速度快、生长过程可观察、不易寄生成核等优点，被广泛应用于科学研究和工业生产中。目前大部分工业级晶体都普遍采用提拉法技术制备，如si、ge、inp、gaas等半导体晶体，nd:yag、yb:yag、钛宝石、nd:yvo4等激光晶体，ce:lyso、ce:luag、ce:yag、ce:gagg等闪烁晶体，以及ln、lt、lgn、lgs等压电晶体。提拉法单晶制备技术已在半导体工业、激光技术、电子仪器仪表、核辐射探测等领域发挥了不可替代的作用。

提拉法生长晶体一般采用铱、铂等高温难熔金属做坩埚，在坩埚外部依次放置保温组件和感应线圈，由坩埚、保温组件和感应线圈三者构成所需的温场结构。生长晶体时，先将原料置于坩埚内部，并通入适当的保护气氛（如n2、ar等），接着启动感应线圈使坩埚壁产生涡流而发热。逐步增加感应线圈的功率，直到坩埚中的原料被熔化，再把特定方向的籽晶端头伸入液面，调节加热功率保证籽晶既不长大又不熔化，即实现引晶；随后启动提拉和旋转装置，依次完成放肩、等径、收尾、拉脱和降温等工艺流程，最后待温度降至室温后取出晶体。有时为了避免籽晶中的位错等缺陷延伸到晶体之中，还需在引晶之后加入缩径或多次缩径工艺。

如上所述的提拉法单晶生长技术，所采用的温场结构中只存在唯一的加热源（即：坩埚），且感应线圈与坩埚的相对位置在整个生长过程中始终保持不变。这样的温场结构和生长工艺存在一个普遍的问题：即当晶体脱离熔体液面后，晶体的放肩部分（头部）距离坩埚（热源）较远，在降温阶段无法获得足够的热量补偿，尤其是晶体尺寸较长时，其头部冷却速度要明显快于晶体的尾部，进而引起晶体头尾温度不均匀，而过快的冷却速度或头尾温度不均匀都会引起晶体的开裂。开裂是晶体失效的主要方式之一，是晶体生长时须极力避免的。避免晶体开裂的常见方法有缓慢降低加热功率或者增加保温层厚度，尽管缓慢降低加热功率的方法能使晶体的降温速率放缓，但却无法减少晶体头尾的温度差异，仍然存在开裂的风险；增加保温层厚度虽然可以减少晶体在降温阶段开裂的几率，但是保温层厚度增加会减少固液界面处的温度梯度，固液界面处的温度梯度决定了晶体生长的驱动力大小，温度梯度太小会引起组分过冷等问题，使晶体产生云层、气泡、溶质尾迹等缺陷。

技术实现要素：

针对现有提拉法晶体生长技术在降温阶段晶体容易开裂的问题，本发明的目的在于提供一种适用于提拉法的线圈可移动式温场结构与单晶生长方法，本发明既能保证生长出品质优异的晶体，又能有效避免晶体开裂。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种适用于提拉法的线圈可移动式温场结构，包括由保温材料构成的生长腔室，生长腔室上方设有可开合的盖板以用于原料的取放；在生长腔室内底部中心设有坩埚，在生长腔室外部环设有感应线圈以在交变电流作用下对坩埚加热；感应线圈与构成生长腔室的保温材料有一定间隔以使两者不接触，其特征在于：还包括后加热筒、支撑架和升降装置，所述后加热筒设置在生长腔室内并位于坩埚上方，后加热筒下端与坩埚之间有一定间距以使两者不接触；后加热筒可在感应线圈作用下发热，以在降温阶段为晶体头部提供热量补偿，后加热筒、生长腔室、坩埚三者的竖向中心线重合；所述支撑架和升降装置位于生长腔室外，支撑架设置在升降装置上，感应线圈放在支撑架上，升降装置通过支撑架可带动感应线圈上下升降，以通过改变感应线圈的上下位置来调节坩埚和后加热筒间的加热功率分配。

所述感应线圈横截面为中空结构并通有循环流动的冷却水。

所述保温材料为zro2陶瓷或al2o3陶瓷，或两种材料共用。

所述坩埚材料为铱或铂金属；所述后加热筒材料为铱或铂金属并与坩埚材料一致。

所述升降装置为气缸、液压或由电机驱动的丝杆。

一种提拉法单晶生长方法，设置一种可上下移动的加热装置，在将晶体向上拉离液面前的晶体生长阶段，加热装置位于晶体生长用坩埚所在位置附近，主要对坩埚加热；在将晶体向上拉离液面开始，向上缓慢移动加热装置，使加热装置减小对坩埚的加热而不断提供热量给脱离液面的晶体，使晶体的放肩部分获得热量补偿，同时晶体的尾部仍然能从坩埚获得热量补偿，并通过移动加热装置到不同位置改变两部分补偿热量之比，减少降温阶段晶体头尾温度的不均匀性，防止晶体开裂。

本生长方法采用前述的适用于提拉法的线圈可移动式温场结构，具体操作步骤如下，

1）将配置好的粉末或多晶原料置于坩埚中，打开感应线圈的电源，并调节感应线圈的位置，使后加热筒的发热量qa与坩埚的发热量qc之比小于10%；

2）增加感应线圈的输出功率，使坩埚按10~400℃/h的速率升温，直到原料熔化，并恒温0.5~4小时，完成化料；

3）化料结束，将定向的籽晶逐步向下移动，使籽晶下端与原料熔化形成的液面刚好接触，调节感应线圈的输出功率使籽晶既不被熔化也不会迅速长大，保温0.1~2小时，实现引晶；

4）引晶结束，缓慢向上提拉籽晶，同时籽晶开始旋转，使坩埚中的熔体缓慢结晶，根据结晶速率调节加热功率，使结晶出的单晶的横截面的线度尺寸逐步增加，直至达到所需尺寸，完成放肩过程；

5）放肩结束，保持籽晶按一定速率向上提拉和旋转，根据结晶速率调节感应线圈的功率，保证新结晶出的单晶的横截面的线度尺寸保持不变，进行等径生长；

6）等径生长结束，保持籽晶按一定速率向上提拉和旋转，根据结晶速率调节感应线圈的功率，使新结晶出的单晶的横截面的线度尺寸逐步缩小，进行缩径生长，直至达到所需尺寸；

7）缩径结束，将晶体向上拉离液面，同时向上缓慢移动感应线圈，使后加热筒的发热量qa逐步增加，直到后加热筒的发热qa与坩埚的发热量qc之比在50%以上，但不超过200%；

8）再按照一定速率降低感应线圈的加热功率使晶体的温度缓慢降至室温，最后取出晶体。

步骤7）中感应线圈移动到最终位置所需的时间为10小时~60小时。

步骤7）中感应线圈向上移动的过程中，感应线圈的输出功率适当增加，但必须保证晶体不被熔化。

感应线圈输出功率的增加速率为0.05%~5%每小时。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

通过在坩埚上部加入后加热筒，通过移动感应线圈的相对位置来调节坩埚与后加热筒的发热量，既可以保证在晶体生长阶段能在固液界面处构置较大的温度梯度，保证生长出品质优异的晶体，又可以在降温阶段对晶体的头部和尾部同时进行热量补偿，减弱了晶体尾部与头部的温度差异，达到抑制晶体开裂的目的。

附图说明

图1-本发明线圈可移动式温场结构示意图。

图2-本发明生长阶段感应线圈与坩埚的相对位置示意图。

图3-本发明降温阶段感应线圈与坩埚的相对位置示意图。

其中，①坩埚；②保温材料；③感应线圈；④后加热筒；⑤支撑架；⑥升降装置；⑦籽晶杆；⑧晶体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。

参见图1，从图上可以看出，本发明一种适用于提拉法的线圈可移动式温场结构，包括由保温材料②构成的生长腔室，生长腔室上方设有可开合的盖板以用于原料的取放；在生长腔室内底部中心设有坩埚①，在生长腔室外部环设有感应线圈③以在交变电流作用下对坩埚加热；感应线圈③与构成生长腔室的保温材料②有一定间隔以使两者不接触。其改进在于：还包括两端敞口的后加热筒④、对感应线圈③进行支撑的支撑架⑤和提供升降动力的升降装置⑥，所述后加热筒④竖向设置在生长腔室内并位于坩埚①上方，后加热筒④下端与坩埚①之间有一定间距以使两者不接触；后加热筒④可在感应线圈③作用下发热，以在降温阶段为晶体头部提供热量补偿，后加热筒④、生长腔室、坩埚①三者的竖向中心线重合。所述支撑架⑤和升降装置位于生长腔室外，支撑架⑤和升降装置⑥围绕保温材料②设置，支撑架⑤设置在升降装置⑥上，感应线圈③放在支撑架⑤上，升降装置⑥通过支撑架⑤可带动感应线圈③上下升降，以通过改变感应线圈③的上下位置来调节坩埚和后加热筒④间的加热功率分配。

所述感应线圈③横截面为中空结构并通有循环流动的冷却水。本发明感应线圈为具有中心孔的管材结构，在中心孔内通有循环流动的冷却水，所述冷却水为去离子水。去离子水电阻很大，故可以认为是绝缘材料。本发明感应线圈通冷却水，目的是防止感应线圈熔化。

所述保温材料②为zro2陶瓷或al2o3陶瓷，或两种材料共用。

所述坩埚①的材料为铱或铂金属；所述后加热筒④材料为铱或铂金属，并最好与坩埚材料一致。

所述升降装置⑥为气缸、液压或由电机驱动的丝杆。

本发明温场结构的主要特点在于感应线圈可以上下移动，在坩埚正上方设有后加热筒，后加热筒可以在感应线圈作用下发热，在降温阶段能为晶体头部提供热量补偿。通过改变感应线圈的位置可以调节坩埚和后加热筒间的功率分配。

本发明同时提供了一种提拉法单晶生长方法，首先设置一种可上下移动的加热装置，在将晶体向上拉离液面前的晶体生长阶段，加热装置位于晶体生长用坩埚所在位置附近，主要对坩埚加热；在将晶体向上拉离液面开始，向上缓慢移动加热装置，使加热装置减小对坩埚的加热而不断提供热量给脱离液面的晶体，使晶体的放肩部分获得热量补偿，同时晶体的尾部仍然能从坩埚获得热量补偿，并通过移动加热装置到不同位置改变两部分补偿热量之比，减少降温阶段晶体头尾温度的不均匀性，防止晶体开裂。

本生长方法采用前述适用于提拉法的线圈可移动式温场结构，具体操作步骤如下，

1）将配置好的粉末或多晶原料置于坩埚中，打开感应线圈的电源，并调节感应线圈的位置，使后加热筒的发热量qa与坩埚的发热量qc之比小于10%，最好小于2%；

2）增加感应线圈的输出功率，使坩埚按10~400℃/h的速率升温，直到原料熔化，并恒温0.5~4小时，完成化料；

3）化料结束，将定向的籽晶逐步向下移动，使籽晶下端与原料熔化形成的液面刚好接触，调节感应线圈的输出功率使籽晶既不被熔化也不会迅速长大，保温0.1~2小时，实现引晶；

4）引晶结束，缓慢向上提拉籽晶，同时籽晶开始旋转，使坩埚中的熔体缓慢结晶，根据结晶速率调节加热功率，使结晶出的单晶的横截面的线度尺寸逐步增加，直至达到所需尺寸，完成放肩过程；

5）放肩结束，保持籽晶按一定速率向上提拉和旋转，根据结晶速率调节感应线圈的功率，保证新结晶出的单晶的横截面的线度尺寸保持不变，进行等径生长；

6）等径生长结束，保持籽晶按一定速率向上提拉和旋转，根据结晶速率调节感应线圈的功率，使新结晶出的单晶的横截面的线度尺寸逐步缩小，进行缩径生长，直至达到所需尺寸；在步骤6）及之前的生长阶段，感应线圈与坩埚的相对位置如图2所示。其中标号⑦为籽晶杆；⑧为晶体。

7）收尾结束，将晶体向上拉离液面，同时向上缓慢移动感应线圈，使后加热筒的发热量qa逐步增加，直到后加热筒的发热qa与坩埚的发热量qc之比在50%以上，但不超过200%；在该位置下感应线圈停止不动，根据需要可以保温一定时间，也可以直接进入第8）步降温。

8）第7）步结束后再按照一定速率降低感应线圈的加热功率使晶体的温度缓慢降至室温，最后取出晶体，此过程感应线圈位置不变。

上述工艺可用来生长所有可用提法生长的晶体，如yag、luag、lyso、gagg、ln、lt、lyso等。

上述步骤1）中感应线圈的位置由后加热筒的发热量qa与坩埚的发热量qc之比决定，即要求0≤qa/qc≤10%，最好为0≤qa/qc≤2%。此时，qa/qc不能大于10%的目的是为了保证结晶潜热能更好的向热场上方输运，使晶体生长顺利进行，并获得良好的晶体品质。

上述步骤4）中所生长出的单晶横截面的线度尺寸应逐步增加，其增加速率控制在0.25≤dr/dl≤5，r为单晶横截面的线度尺寸，l为晶体纵向的高度或称为晶体的长度。

步骤7）中感应线圈移动到最终位置所需的时间为10小时~60小时，最好为20小时~30小时。

步骤7）中感应线圈向上移动的过程中，感应线圈的输出功率可以适当增加，但必须保证晶体不被熔化。感应线圈输出功率如果增加，增加速率为0.05%~5%每小时，最好为0.1%~1%每小时。步骤7）中感应线圈的输出功率增加相比维持不变好处在于能使晶体进一步退火，消除应力。

上述步骤（4）~（6）中的提拉速度为0.1mm/h~5.0mm/h，籽晶旋转速率为0~100rpm。

上述步骤7）中感应线圈向上移动的位置由后加热筒的发热量qa与坩埚的发热量qc之比决定，即要求50%≤qa/qc≤200%，最好为90%≤qa/qc≤110%。图3为本发明降温阶段感应线圈与坩埚的相对位置示意图。

上述步骤7）中随着感应线圈向上移动，后加热筒的发热量qa逐步增加，使晶体的放肩部分能从后加热筒获得热量补偿，同时晶体的尾部仍然能从坩埚获得热量补偿，从而减少降温阶段晶体头尾温度的不均匀性，防止晶体开裂。

上述步骤8）中感应线圈的功率降低速率为1%~10%每小时，最好为2%~5%每小时。

上述步骤1）-8）的气氛为真空或n2、ar、co2中的任一种、两种、三种的混合气体，或者o2与n2、ar、co2中的任一种、两种、三种的混合气体，如果氧气与这些气体混合，那么o2气的含量应低于2.0vol.%。

以下再给出几个制备实施例以进一步帮助理解本发明。

实施例1

实施例1所采用的温场结构为：坩埚尺寸φ150mm×150mm，后加热筒尺寸φ170mm×40mm，感应线圈的整体尺寸φ300mm×350mm，保温材料的厚度40mm、内径170mm，后加热筒位于坩埚正上方200mm处。其中坩埚和后加热筒的材料均为铱金，感应线圈为紫铜，保温材料为zro2陶瓷。把按化学计量比配制的ce（1.0at.%）:luag晶体原料14kg置于坩埚中，调节感应线圈与坩埚的相对位置，使坩埚上沿与感应线圈上沿平齐，并通入n2作为保护气氛，压力为1.0bar。启动感应线圈，按2.0kw/小时的速率升温至原料全部熔化，恒温1小时后，把[111]方向的luag籽晶与液面接触，调节感应线圈的加热功率使籽晶既不长大又不熔化，并恒温0.5小时。启动旋转电机和提拉电机，使旋转速度为6rpm，提拉速度为1.0mm/小时。调节感应线圈的功率，使晶体的直径按1.2mm/小时的速率增加，直到晶体直径达到80mm；调节感应线圈的功率，保持晶体直径不变，直到晶体等径长度达150mm；调节感应线圈的功率，使晶体的直径按3mm/小时的速率减小，直到晶体直径为10mm时把晶体拉离液面。保持感应线圈的功率不变，把感应线圈以10mm/小时的速度向上移动，直到感应线圈的上沿与后加热筒的下沿平齐。最后用36小时把感应线圈的功率匀速下降到零，让晶体自然冷却到室温后取出晶体。获得了尺寸φ80mm×150mm的ce:luag晶体，晶体通透无开裂。

实施例2

实施例2所采用的温场结构为：坩埚尺寸φ150mm×150mm，后加热筒尺寸φ170mm×40mm，感应线圈的尺寸φ300mm×350mm，保温组件的厚度40mm、内径170mm，后加热筒位于坩埚正上方200mm处。其中坩埚和后加热筒的材料均为铱金，感应线圈为紫铜，保温组件为zro2陶瓷。把按化学计量比配制的nd（5.0at.%）:yag晶体原料9.5kg置于坩埚中，调节感应线圈与坩埚的相对位置，使坩埚上沿与感应线圈上沿平齐，并通入n2作为保护气氛，压力为1.0bar。启动感应线圈，按2.0kw/小时的速率升温至原料全部熔化，恒温1小时后，把[111]方向的yag籽晶与液面接触，调节感应线圈的加热功率使籽晶既不长大又不熔化，并恒温0.5小时。启动旋转电机和提拉电机，使旋转速度为6rpm，提拉速度为0.5mm/小时。调节感应线圈的功率，使晶体的直径按1.0mm/小时的速率增加，直到晶体直径达到60mm；调节感应线圈的功率，保持晶体直径不变，直到晶体等径长度达220mm；调节感应线圈的功率，使晶体的直径按2mm/小时的速率减小，直到晶体直径为10mm时把晶体拉离液面。保持感应线圈的功率不变，把感应线圈以10mm/小时的速度向上移动，直到感应线圈的上沿与后加热筒的下沿平齐。最后用36小时把感应线圈的功率匀速下降到零，让晶体自然冷却到室温后取出晶体。获得了尺寸φ60mm×220mm的nd:yag晶体，晶体通透无开裂。

实施例3

实施例3所采用的温场结构为：坩埚尺寸φ150mm×150mm，后加热筒尺寸φ170mm×40mm，感应线圈的尺寸φ300mm×350mm，保温组件的厚度40mm、内径170mm，后加热筒位于坩埚正上方200mm处。其中坩埚和后加热筒的材料均为铱金，感应线圈为紫铜，保温组件为zro2陶瓷。把按化学计量比配制的ce（0.1at.%）:lyso晶体原料15kg置于坩埚中，调节感应线圈与坩埚的相对位置，使坩埚上沿与感应线圈上沿平齐，并通入n2作为保护气氛，压力为1.0bar。启动感应线圈，按2.0kw/小时的速率升温至原料全部熔化，恒温1小时后，把[010]方向的lyso籽晶与液面接触，调节感应线圈的加热功率使籽晶既不长大又不熔化，并恒温0.5小时。启动旋转电机和提拉电机，使旋转速度为6rpm，提拉速度为2.0mm/小时。调节感应线圈的功率，使晶体的直径按2.0mm/小时的速率增加，直到晶体直径达到80mm；调节感应线圈的功率，保持晶体直径不变，直到晶体等径长度达200mm；调节感应线圈的功率，使晶体的直径按3mm/小时的速率减小，直到晶体直径为10mm时把晶体拉离液面。保持感应线圈的功率不变，把感应线圈以10mm/小时的速度向上移动，直到感应线圈的上沿与后加热筒的下沿平齐。最后用36小时把感应线圈的功率匀速下降到零，让晶体自然冷却到室温后取出晶体。获得了尺寸φ80mm×200mm的ce:lyso晶体，晶体通透无开裂。

实施例4

实施例4所采用的温场结构为：坩埚尺寸φ150mm×100mm，后加热筒尺寸φ170mm×30mm，感应线圈的尺寸φ300mm×350mm，保温组件的厚度50mm、内径170mm，后加热筒位于坩埚正上方150mm处。其中坩埚和后加热筒的材料均为铱金，感应线圈为紫铜，保温组件为zro2陶瓷。把按同成分比例配制的lt晶体原料10.0kg置于坩埚中，调节感应线圈与坩埚的相对位置，使坩埚上沿与感应线圈上沿平齐，并通入n2作为保护气氛，压力为1.0bar。启动感应线圈，按2.0kw/小时的速率升温至原料全部熔化，恒温1小时后，把c向的lt籽晶与液面接触，调节感应线圈的加热功率使籽晶既不长大又不熔化，并恒温0.5小时。启动旋转电机和提拉电机，使旋转速度为4rpm，提拉速度为2.5mm/小时。调节感应线圈的功率，使晶体的直径按5.0mm/小时的速率增加，直到晶体直径达到100mm；调节感应线圈的功率，保持晶体直径不变，直到晶体等径长度达80mm时，把晶体拉离液面。保持感应线圈的功率不变，把感应线圈以15mm/小时的速度向上移动，直到感应线圈的上沿与后加热筒的下沿平齐。最后用20小时把感应线圈的功率匀速下降到零，让晶体自然冷却到室温后取出晶体。获得了尺寸φ100mm×80mm的lt晶体，晶体通透无开裂。

实施例5

实施例5所采用的温场结构为：坩埚尺寸φ150mm×100mm，后加热筒尺寸φ170mm×30mm，感应线圈的尺寸φ300mm×350mm，保温组件的厚度50mm、内径170mm，后加热筒位于坩埚正上方150mm处。其中坩埚和后加热筒的材料均为铂金，感应线圈为紫铜，保温组件为al2o3陶瓷。把按同成分配比的ln晶体原料6.0kg置于坩埚中，调节感应线圈与坩埚的相对位置，使坩埚上沿与感应线圈上沿平齐，所使用的气氛为空气。启动感应线圈，按2.0kw/小时的速率升温至原料全部熔化，恒温1小时后，把c向的ln籽晶与液面接触，调节感应线圈的加热功率使籽晶既不长大又不熔化，并恒温0.5小时。启动旋转电机和提拉电机，使旋转速度为4rpm，提拉速度为2.5mm/小时。调节感应线圈的功率，使晶体的直径按5.0mm/小时的速率增加，直到晶体直径达到100mm；调节感应线圈的功率，保持晶体直径不变，直到晶体等径长度达80mm时，把晶体拉离液面。保持感应线圈的功率不变，把感应线圈以15mm/小时的速度向上移动，直到感应线圈的上沿与后加热筒的下沿平齐。最后用20小时把感应线圈的功率匀速下降到零，让晶体自然冷却到室温后取出晶体。获得了尺寸φ100mm×80mm的ln晶体，晶体通透无开裂。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。