专利名称：一种晶体生长方法及其设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及晶休生长技术，尤其涉及一种晶体生长方法及其设备。
技术背景晶体生长的方法很多，如丘克拉斯基法(又称提拉法，Czochralski method)、 布里奇曼法(又称下降法，Bridgman-Stockbarger method)、温梯法(temperature gradient method)、浮区法(floating zone method)、助熔齐U法(;flux method)、区熔法 (zone melting method)等等。这些传统的晶体生长方法各有其优缺点，因此不同 的晶体根据其熔点、物化性能等自身特点适合用特定的方法来进行生长。提拉 法可以生长熔点很高的晶体，而且操作简易，但维护成本相对较高、原料挥发 严重。布里奇曼法可以一炉次生长多根晶体，适合工业大生产，而且埘埚密封， 可以较好地防止原料挥发，但生长过程难以观察，坩埚加工或损耗的费用大， 难以生长熔点很高的晶体。助熔剂法可以生长非同成分熔化的晶体，而且通过 使用助熔剂，可以有效降低析晶温度，但晶体生长的周期很长，而且多核析晶 的问题较难抑制。这些不同的晶体生长方法，其晶体生长的特点以及所得晶体的质量的高低， 同时也与其晶体生长方向(这里的晶体生长方向，是指垂直方向或水平方向，由 晶体生长设备或坩埚的结构所决定，与晶体自身的结晶学取向无任何关系。)密 切相关。如布里奇曼法按照生长方向就可分为垂直布里奇曼法和水平布里奇曼 法两种，垂直布里奇曼法的坩埚是垂直放置的，与重力方向一致，因此晶体生 长方向也是垂直的，水平布里奇曼法的坩埚是水平放置的，晶体生长方向是水 平。这两种方法因为其晶体生长方向的不同，同时也造成了其它晶体生长因素 的差异，如熔体中的对流情况、晶体生长界面的形状、热传导等因素，从而导 致晶体质量有所不同。因此晶体生长方向是晶体生长的一个重要因素。提拉法虽能够实现与重力方向平行且一致的晶体生长方向，却需要完全依 赖于提拉杆的向上移动来完成晶体生长过程，机械传动装置是必需的。温梯法 和垂直布里奇曼法的晶体生长方向虽然与重力平行，但却与重力方向相反。到 目前为止，温梯法和布里奇曼法还不能实现与重力方向平行且一致的晶体生长 方向。 发明内容本发明的目的在于提供一种晶体生长方法及其设备。该晶体生长的坩埚是 连通器结构，该晶体生长方法能够实现与重力方向平行且一致的晶体生长方向。 本发明采用的技术方案是1、 一种晶体生长方法，该方法的步骤如下(1) 装料将原料装入坩埚，装料分多次完成，每装一次料以后，先熔化并 凝固，然后再次装料，直到装满所需的原料为止；(2) 熔料将坩埚放入炉腔，使得生长端坩埚的顶部刚好与冷却棒紧密接触。然后升高炉温至300 160(TC使原料充分熔化，然后调低温度至250 1550°C;(3) 晶体生长开始往炉盖上方的冷却棒中通入冷却水或冷却气，使得生长 端坩埚从顶部开始温度降低至晶体的熔点以下，完成结晶过程；然后将炉温降 低至常温，取出坩埚和晶体。2、 一种晶体生长设备在炉体内装有加热体，炉体中心装有坩埚，冷却系 统设置在坩埚晶体生长端的上方，坩埚外设置控温热电偶和测温热电偶，控温 热电偶和测温热电偶分别与控温仪连接。所述的坩埚为连通器结构的坩埚，坩埚的一端为生长端，生长端密封，坩 埚的另一端为供料端，此端在装晶体生长的原料前开口，装料后开口或密封， 生长端坩埚的内径从上到下逐渐变小，供料端坩埚的长度大于生长端坩埚的长 度。所述的坩埚为连通器结构的坩埚，坩埚的一端为生长端，生长端密封，坩 埚的另一端为供料端，此端在装晶体生长的原料前开口，装料后开口或密封， 生长端坩埚的内径先从小变大再变小，供料端坩埚的长度大于生长端柑埚的长度。所述的坩埚的材料为石英、铂金、石墨或铱金玻璃材料，或者为金属材料。 本发明具有的有益效果是本发明的晶体生长方法能够实现与重力方向平行且一致的晶体生长方向， 相对于其它方法而言对晶体生长固液界面的控制手段发生了明显的改变，有利 于加强晶体生长界面对气泡的排除能力，对于某些晶体更加容易得到对晶体生 长有利的固液界面，从而生长出高质量的晶体。本发明的晶体生长设备简单、 不需要机械传动装置、造价低廉，大大降低了晶体生长设备的成本。
图1是本发明所使用的一种坩埚的示意图。 图2是本发明所使用坩埚的一部分的示意图。图3是本发明所使用坩埚的另一部分的示意图。图4是本发明所使用的由图2和图3合并而成另一种坩埚的示意图。 图5是本发明的晶体生长设备的示意图。图中1、控温仪，2，控温热电偶，3、冷却棒，4、测温热电偶，5、加热 体，6、坩埚。
具体实施方式
如图5所示，本发明在炉体内装有加热体5(硅钼棒)，炉体内的中心处装有 坩埚，冷却系统设置在坩埚晶体生长端的上方，坩埚外设置控温热电偶2(R型 铂铑13-钼热电偶)和测温热电偶4(R型铂铑13-铂热电偶)，控温热电偶2和测温 热电偶4分别与控温仪1(AI-508T)连接。如图l所示.所述的坩埚为连通器结构的坩埚6，坩埚的一端为生长端，生 长端密封，坩埚的另一端为供料端，此端在装晶体生长的原料前开口，装料后 开口或密封，生长端坩埚的内径从上到下逐渐变小，供料端坩埚的长度大于生 长端坩埚的长度。如图2、图3、图4所示，所述的柑埚为连通器结构的坩埚7，坩埚的一端 为生长端，生长端密封，坩埚的另一端为供料端，此端在装晶体生长的原料前 开口，装料后开口或密封，生长端坩埚的内径先从小变大再变小，供料端坩埚 的长度大于生长端坩埚的长度。一、晶体生长坩埚为一连通器，坩埚用石英、铂金、石墨、铱金等玻璃材 料或金属材料制成，坩埚的一端为生长端，生长端密封，坩埚的另一端为供料 端，此端在装料(晶体生长的原料)前开口，装料后可根据情况开口或密封。生长 端坩埚的主体部分其内径从上到下逐渐变小，具体大小可根据对晶体以及坩埚 加工能力的情况进行调整。在能够保证顺利并充分装料的情况下，供料端的坩 埚内径越小越好，供料端坩埚的长度大于生长端柑埚长度。坩埚的制作可在装料前一次完成。也可以和装料工作合并在一起分三步完 成。第一步，分别制作生长端坩埚和供料端坩埚；第二步，将原料装入生长端 坩埚；第三步，将生长端坩埚和端的供料端坩埚焊接在一块，焊接时注意保持 两坩埚相通，坩埚整体仍然是一个连通器。因此整个坩埚可以看做是底部连通的双坩埚。在晶体生长过程中，生长端 坩埚用于晶体生长，其内径从上到下逐渐变小，因此随着结晶过程的进行，坩 埚上部固化的部分不会掉入下部熔体中，而另一端的坩埚主要是在原料熔化的 情况下，能够提供一个高出生长端的液面，因此生长端的固液相既不会分离又不会混合，生长端能够持续地得到熔体并结晶，从而完成生长过程。二、 晶体生长设备又称为晶体生长炉，分为炉体、控温系统和冷却系统三 部分。晶体生长炉的炉体为圆形或长方形。晶体生长炉的控温系统由控温仪、 加热体和热电偶连接组成。加热体可以是硅碳棒、硅钼棒或者是电阻丝。控温 系统能够对晶体生长坩埚实现快速加热和准确的温度控制。晶体生长炉的冷却 系统主要由冷却棒构成。冷却棒是一金属条，金属条是石墨、刚或铁等耐高温 的热的良导体。金属条的一部分在炉腔内， 一部分在炉腔外，在炉腔内部的金 属条可以是空心也可以是实心，金属条的粗细可根据坩埚形状调整。在炉腔外 部的金属条是空心的，可以通冷却水或冷却气。冷却系统能够对晶体生长坩埚 进行有效冷却。三、 晶体生长方法晶体生长方法的具体工艺过程可分为以下几个歩骤(1) 装料将原料装入晶体生长坩埚。由于最初的多晶粉料不够致密，因此 装料可以分多次完成，即每装一次料以后，可以先熔化并凝固，然后再次装料， 直到装满所需的原料为止。(2) 熔料将晶体生长坩埚放入晶体生长炉的炉腔中，使得生长端坩埚的顶部刚好与冷却棒紧密接触。然后升高炉温至300 160(TC使原料充分熔化，然后 调低温度至250 1550。C。(3) 晶体生长开始往炉盖上方的冷却棒中通入冷却水或冷却气，使得生长端坩埚从顶部开始温度降低至晶体的熔点以下，完成结晶过程。然后将炉温降 低至常温，取出坩埚和晶体。通过以上工艺，能够实现与重力方向平行且一致的晶体生长方向。实施例1——NaN03(硝酸钠)晶体生长1. 制成如图1所示的石英坩埚，该坩埚的特征在于其坩埚左侧部分(生长端) 的内径从上到下逐渐变小，坩埚右侧部分(供料端)的高度远大于坩埚左侧部分的高度。2. 将纯度为99.9。/。的干燥的NaN03原料装入上述的石英埘埚中，从坩埚右 侧部分的开口处分数次装入，直到将坩埚装满，并抽真空封装。3. 将装满原料的坩埚放入图5所示的晶体炉中，然后以每小时5(TC的升温 速度将生长炉升到37(TC，保温2小时。然后再将炉温降至33(TC，保温2小时。4. 如图5所示的晶体炉的上方冷却棒中持续通入压力恒定的水流，2小时 后开始降炉温，以1(TC/小时的速度开始将炉温降至30(TC，然后将炉温恒定在30CTC， 24小时后停止通水，然后以1(TC/小时的速度将炉温降至200°C，然后 关闭加热装置和控温仪，等晶体炉自然冷却至常温后，取出坩埚，敲碎后取出曰/女 曰曰H5.本实施例生长得到最大尺寸为08xl5mm的硝酸钠透明晶体。 实施例2——NaN03(硝酸钠)晶体生长1. 分别制成如图2和图3所示的石英坩埚。2. 将烧结后相对致密的NaN03多晶块料装入图2所示的石英坩埚中，然后 把图2所示的石英坩埚和图3所示的石英坩埚焊接在一起，焊接部位分别是图2 所示的石英坩埚的上端开口处和图3所示的石英坩埚左侧部分的开口处，焊接 是把坩埚的外壁焊接在一起，焊接后原来的两个坩埚合并为一个坩埚，合并后 的坩埚如图4所示，坩埚内部保持畅通。焊接完成后，再从原图3所示的石英 坩埚的右侧开口处装入NaN03多晶粉料，直到将坩埚装满，然后抽真空封装。3. 如实施例1中的操作步骤3进行操作。4. 如实施例1中的操作歩骤4进行操作。5. 本实施例生长得到最大尺寸为012x2Omm的硝酸钠透明晶体。 实施例3——Csl(碘化铯)晶体生长1. 分别制成如图2和图3所示的石英坩埚。2. 将纯度为99.9%的干燥的Csl原料装入图2所示的石英坩埚中，然后把 图2所示的石英坩埚和图3所示的石英坩埚焊接在一起，焊接部位分别是图2 所示的石英坩埚的上端开口处和图3所示的石英坩埚左侧部分的开口处，焊接 是把坩埚的外壁焊接在一起，焊接后原来的两个坩埚合并为一个坩埚，合并后 的柑埚如图4所示，坩埚内部保持畅通。焊接完成后，再从原图3所示的石英 坩埚的右侧开口处装入干燥的CsI原料，直到将坩埚装满，然后抽真空封装。3. 将装满原料的坩埚放入图5所示的晶体炉中，然后以每小时5(TC的升温 速度将晶体炉升到750°C ，保温3小时。然后再将炉温降至700°C ，保温2小时。4. 如图5所示的晶体炉的上方冷却棒中持续通入压力恒定的水流，5小时 后开始降炉温，以10'C/小时的速度开始将炉温降至66(TC，然后将炉温恒定在 660°C， 30小时后停止通水，然后以10。C/小时的速度将炉温降至200°C，然后关闭加热装置和控温仪，等晶体炉自然冷却至常温后，取出坩埚，敲碎后取出曰/女5. 本实施例生长得到最大尺寸为01Ox25mm的Csl透明晶体。 实施例4——PbW04(钨酸铅)晶体生长1. 制成如图l所示的铂金坩埚。2. 将纯度为99.9。/。的PbW04原料装入坩埚，然后将坩埚紧密密封。3. 将装满原料的坩埚放入图5所示的晶体炉中，然后以每小时5(TC的升温 速度将生长炉升到158(TC，保温10小时。然后再将炉温降至152(TC，保温10小时。4. 如图5所示的晶体炉的上方冷却棒中持续通入压力恒定的水流，2小时 后开始降炉温，以1(TC/小时的速度开始将炉温降至1470°C，然后将炉温恒定在 1470°C， 36小时后停止通水，然后以10'C/小时的速度将炉温降至20(TC，然后 关闭加热装置和控温仪，等晶体炉自然冷却至常温后，取出柑埚，敲碎后取出晶体。5. 本实施例生长得到最大尺寸为01Oxl2mm的PbW04透明晶体。
权利要求
1、一种晶体生长方法，其特征在于该方法的步骤如下(1)装料将原料装入坩埚，装料分多次完成，每装一次料以后，先熔化并凝固，然后再次装料，直到装满所需的原料为止；(2)熔料将坩埚放入炉腔，使得生长端坩埚的顶部刚好与冷却棒紧密接触。然后升高炉温至300～1600℃使原料充分熔化，然后调低温度至250～1550℃；(3)晶体生长开始往炉盖上方的冷却棒中通入冷却水或冷却气，使得生长端坩埚从顶部开始温度降低至晶体的熔点以下，完成结晶过程。然后将炉温降低至常温，取出坩埚和晶体。
2、 一种晶体生长设备，其特征在于在炉体内装有加热体(5)，炉体中心装 有坩埚，冷却系统设置在坩埚晶体生长端的上方，坩埚外设置控温热电偶(2)和 测温热电偶(4)，控温热电偶(2)和测温热电偶(4)分别与控温仪(1)连接。
3、 根据权利要求l所述的一种晶体生长设备，其特征在于所述的坩埚为 连通器结构的坩埚(6)，坩埚的一端为生长端，生长端密封，坩埚的另一端为供 料端，此端在装晶体生长的原料前开口，装料后开口或密封，生长端坩埚的内 径从上到下逐渐变小，供料端坩埚的长度大于生长端坩埚的长度。
4、 根据权利要求l所述的一种晶体生长设备，其特征在于所述的坩埚为连通器结构的坩埚(7)，坩埚的一端为生长端，生长端密封，坩埚的另一端为供 料端，此端在装晶体生长的原料前开口，装料后开口或密封，生长端坩埚的内 径先从小变大再变小，供料端坩埚的长度大于生长端坩埚的长度。
5、 根据权利要求2所述的一种晶体生长设备，其特征在于所述的坩埚的材料为石英、铂金、石墨或铱金玻璃材料，或者为金属材料。
全文摘要
本发明公开了一种晶体生长方法及其设备。将装好原料的坩埚放入炉腔，使生长端坩埚的顶部与冷却棒紧密接触，升高炉温使原料充分熔化，然后开始往炉盖上方的冷却棒中通入冷却水或冷却气，使得生长端坩埚从顶部开始温度逐渐降低，完成结晶过程。该设备晶体生长的坩埚是连通器结构，该晶体生长设备简单、不需要机械传动装置、造价低廉，该晶体生长方法能够实现与重力方向平行且一致的晶体生长方向。本发明相对于其它方法而言对晶体生长界面的控制手段发生了改变，更加有利于晶体对气泡的排除，对于某些晶体更加容易得到对晶体生长有利的固液界面，从而生长出高质量的晶体。同时由于不需要机械系统，大大降低了晶体生长设备的成本。
文档编号C30B28/06GK101235535SQ20071015655
公开日2008年8月6日 申请日期2007年11月8日 优先权日2007年11月8日
发明者史宏声 申请人:中国计量学院