一种制备无色碳化硅晶体的方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种制备无色碳化硅晶体的方法及装置，属于晶体生长技术领域。
【背景技术】
[0002]宝石的美取决于宝石与光的相互作用，因此宝石的光学性质是决定宝石价值的重要因素之一。宝石的折射率决定了宝石能否在日光下能否闪光和呈现美丽的光泽。宝石的颜色也是宝石一种很重要的体现。宝石的颜色取决于很多因素如杂质离子、晶体本身的物理性质。宝石的透明度是指宝石过可见光的能力，主要与宝石对光吸收的强弱有关。宝石的热稳定性和化学稳定性非常重要。宝石的耐久性也是非常重要的因素之一。所以硬度、折射率、颜色、热/化学稳定性和韧性这些特性一起决定了材料能否制作宝石。
[0003]SiC宝石具有与钻石相同的光泽，仅次于钻石的高硬度(8.5-9.25)，比钻石略高的折射率(2.5-2.71)，透明度高，具有(0001)解理面，化学稳定性好，几乎不于其他物质反应，韧性好，热导率高，热稳定性好，在空气中加热到1400°C而不损坏，因此是目前最佳的钻石仿制品。
[0004]而SiC晶体是一种复杂的材料系统，已经发现200余种多型体。碳化硅晶体掺杂不同的元素会获得不同颜色的晶体。SiC的掺杂物有N(n型)和八1、8、86、6&、0、5(3(?型)等，因为Al具有比较浅的受主能级，成为最常用的P型掺杂物。在6H-SIC中掺氮(η型)和铝(P型)，分别得到了绿色和蓝色的6H-SIC晶体。在4H-sic中掺入低浓度的氮可得到淡棕色的晶体。未掺杂的显无色。3C-SIC显黄色，而掺氮的3C-SIC显黄绿色。因为晶体生长使用的高纯石墨及保温材料中均含有一定量的杂质离子，如N、B、Al、T1、Cr、Fe、V等。这些杂质离子会随着晶体生长进入晶体，从而导致晶体含有一定量的杂质离子，形成P型或η型两者均有或只有其中一种，从而使晶体存在一定颜色，因此无色宝石是很难获得的。
【发明内容】
[0005]本发明通过去除或减少碳化硅晶体生长过程中的Β、Ν、金属杂色离子等离子，减少或平衡SiC晶体中的P型和η型掺杂物，获得无色碳化硅晶体。
[0006]一种制备无色碳化硅晶体的方法，通过如下装置实现；
[0007]该装置包括生长室，所述生长室采用下开盖方式，生长室的外部设置可上下移动的感应加热器，所述生长室的下部连接有大气隔离室，大气隔离室上设置有操作窗口，大气隔离室的一侧连接有过渡室，所述过渡室内设有去除杂质的加热装置，所述大气隔离室、过渡室和生长室上均设有保持内部环境处于保护气体状态或真空状态的机构，大气隔离室的下部还设有吸尘器接口；
[0008]所述大气隔离室以及生长室内均充满惰性气体；
[0009]制备无色碳化硅晶体的方法，具体步骤为:
[0010](I)将生长SiC晶体用坩祸、保温材料及原料置于过渡室(15)内，对过渡室(15)同时进行抽真空和加热干燥，然后向其中充入惰性气体，最后将坩祸、保温材料及原料置入充有惰性气体的大气隔离室(I);
[0011](2)将大气隔离室(I)中的坩祸、保温材料移入生长室(9)中，抽真空并加热至1800 ?2000。。，保温 5-10h ；
[0012](3)将处理后的保温材料及坩祸返回大气隔离室内，放入原料，并且在大气隔离室内将其装配起来，重新移入生长室，进行长晶，在生长过程中通入含有氯基气体及含氢气体的、以惰性气体为载气的混合气体，在1800-2300°C下反应40-100h，即得到无色碳化硅晶体。
[0013]针对上述方法要求，本发明提出了一种制备无色碳化硅晶体的装置，包括生长室，所述生长室采用下开盖方式，生长室的外部设置感应加热器，所述生长室的下部连接有大气隔离室，大气隔离室上设置有操作窗口，大气隔离室的一侧连接有过渡室，所述过渡室内设有去除杂质的加热装置，所述大气隔离室和过渡室上均设有保持内部环境处于保护气体状态或真空状态的机构，大气隔离室的下部还设有吸尘器接口。
[0014]所述感应加热器为感应线圈；所述感应线圈通过滑块设置在生长室两侧的支架上。
[0015]所述机构除包括设置在生长室和过渡室的两端进出物料处的密封法兰，还包括抽真空装置，所述抽真空装置包括设置在各自空间壁上的进气口接口、出气口接口和压力控制器。
[0016]所述生长室由上端的密封法兰、石英管、下端的密封法兰构成，所述石英管为中间存在一个空腔的双层结构，并在石英管的外壁上设有通向空腔的进出冷却水的水接口。
[0017]所述生长室下端的密封法兰为可拆卸式的，该密封法兰和上部连接部分之间设有密封垫。
[0018]所述大气隔离室的内部设置有滚珠丝杠，滚珠丝杠与生长室下部的下密封法兰连接。
[0019]所述过渡室的加热装置为红外加热器或电阻加热器。
[0020]所述大气隔离室的外部操作窗口处安装至少两副操作手套。
[0021]当进行无色碳化硅晶体生长时，首先，打开过渡室进料处的密封法兰，将生长SiC晶体用坩祸、保温材料及原料放入过渡室内，关闭进料处的密封法兰，此时，过渡室内的加热装置对其进行加热，在进行加热的同时，通过抽真空装置对其抽真空，一是去除坩祸、保温材料及原料中的水分，因为水蒸气的存在可以影响真空度；二是将附着在坩祸、保温材料、原料表面的N元素解吸附，使其进入到空气中，从而，该过程中产生的水蒸气、氮气以及过渡室内的空气通过过渡室空间壁上的出气口接口被抽到外界。抽真空和加热干燥后，通过过渡室进气接口向过渡室内充入惰性气体，并通过压力控制器控制其与外界大气压平衡。由于大气隔离室以及生长室内均充满惰性气体，因此，待过渡室内充满气体后，整个装置中均充满惰性气体。此时，打开过渡室与大气隔离室之间的密封法兰，将坩祸、保温材料及原料置入充有惰性气体的大气隔离室中待用，同时关闭过渡室与大气隔离室之间的密封法兰。本发明中，大气隔离室的一个作用是放置原料、坩祸及保温材料，它们一经放入大气隔离室后就不再取出，完全与外界隔离，通过减少与外界的接触次数来控制杂质元素的含量。
[0022]一种制备无色碳化硅晶体的方法，惰性气体选自氩气或氦气等。
[0023]一种制备无色碳化硅晶体的方法，步骤(I)中所述的惰性气体流速为50cc/min-500cc/mino
[0024]一种制备无色碳化硅晶体的方法，步骤(3)所述的氯基气体的流速为2-20cc/min，含氢气体的流速为2_20cc/min，惰性气体的流速为50cc/min-500cc/min。
[0025]一种制备无色碳化硅晶体的方法，步骤(3)所述的氯基气体为氯气，所述的含氢气体为氯化氢或氢气或甲烷中的一种或几种。
[0026]步骤⑴中，往过渡室内通入惰性气体，惰性气体可以隔绝空气，防止空气中的水分、氮气、二氧化碳等再次吸附于保温材料及坩祸等。
[0027]步骤(2)中温度1800°C?2000°C的条件下进行处理，在这个温度下金属离子能够挥发，此过程可以有效去除材料中的部分Fe、Al等金属杂质离子，高于这个温度，一般不好控制达到，低于这个温度离子可能就不会挥发出去，此过程利用了部分金属杂质离子在高温下变为气态，通过气体将其带出生长炉膛的原理；
[0028]步骤(3)中以惰性气体为主导气体，同时通入氯基气体和含氢气体，其中氯基气体的流量控制在2-20cc/min，含氢气体的流量控制在2-20cc/min，惰性气体的流速为50cc/min-500cc/min,且三者的流速比为1: 1:60-100。氯基气体在高温下与碳和B反应，生成气体物质(三氯化硼)，从而去除生长过程中的硼。同时氯基气体能将T1、Cr等离子从低价态氧化成高价态，减少T1、Cr等离子形成的P型掺杂物。通入一定量的含氢气体，控制生长温度，可以钝化生长界面，抑止氮元素参与生长，N在前期就去除了吸附引入，而通入含氢气体可以防止保温材料中少量N参入生长，从而得到无色碳化硅宝石。系统保持温度在1800?2300°C，这个温度能够生长出4H晶体碳化硅，而高于低于这个温度可能会出多型，导致不是晶体，而有颜色。另外保持反应时间为40?100h，在这个时间范围内能够长出我们需要的晶体厚度。氯基气体，含氢气体，惰性气体三者的流速比为1:1:60-100，低了可能部分气体不能完全起到反应的作用，高了的话可能有点浪费。
[0029]本发明具有以下优点:
[0030]I,这种方法可以有效的减少致色离子，从而获得无色碳化硅宝石。
[0031]2，这种方法有减轻碳化硅晶体中的碳包裹体作用。在去除B元素过程中，硼与碳与氯气反应，这样就减少部分C，从而在后期减少了碳包裹体的形成。
[0032]3，可以减轻晶体中的氮含量，提高晶体质量。
【附图说明】
:
[0033]图1是本发明装置的主视图；
[0034]图2为图1的俯视图；
[0035]图中，1、大气隔离室，2、出气口接口 1，3、支架，4、滑块，5、感应线圈，6、双层石英管，7、上密封法兰，8、出气口接口 11，9、生长室，10、密封垫，11、进气口接口 III，12、下密封法兰，13、出气口接口 IV，14、加热装置，15、过渡室，16、右密封法兰，17、托盘，18、进气口接口 V，19、左密封法兰，20、进气口接口 VI，21、滚珠丝杆，