专利名称：多元化合物红外晶体生长装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多元化合物红外晶体的生长装置，属于无机晶体生长技术领域。
技术背景中远红外相干光源在激光领域具有非常重要的应用，在军事领域，如激光制导、激光 定向红外干扰、激光通讯、红外遥感、红外热像仪、红外测距、激光瞄准等；在民用领域， 如环境中痕量气体探测、生物、医药等方面都有着相当广泛的应用。目前的激光基质材料 已经能够产生在一定范围内可调谐的相干光源输出，但由于其可调谐的波长范围决定于激活 离子在激光介质中的增益带宽，因此它们的可调谐范围及效率受到相当大的限制。多元化合 物红外晶体如AgGaS2、 AgGaSe2、 ZnGeP2、 CdGeAs2、 LiInS2 、 LilnSe2等具有优异的非线性光 学性能，可以通过光参量放大(0PA)、光参量振荡(0P0)等非线性频率变换技术实现可调谐 的中远红外激光输出。上述化合物红外晶体是公认的生长较为困难的晶体， 一般可用布里奇 曼法(Bridgman法)进行单晶生长，传统的Bridgman法温场的梯度区即固-液界面处的温度 梯度较小，且无法根据不同的晶体生长习性进行调节。这些化合物组分多，熔点差别大，饱 和蒸汽压差别大，高温下易分解尤其是结晶过程中，由于组成化合物各组元物质的分凝系 数不同，加之固体与熔体的导热性能差别大，随着晶体生长过程的变化，会使结晶区的温场 发生变化，导致固一液界面发生漂移，很难维持晶体生长所需的平(或微凸)界面生长，所 以，通常的Bridgman方法和现有生长设备很难获得完整性好的化合物半导体单晶体，制约红 外晶体的应用。 发明内容本发明针对现有多元化合物红外晶体生长技术存在的不足，提供一种能够制备出外观完 整、结晶性能良好的多元化合物红外晶体的多元化合物红外晶体生长装置。 本发明的多元化合物红外晶体生长装置采用以下技术解决方案该多元化合物红外晶体生长装置包括炉体，炉体内的炉膛由上至下包括上部高温区、中 部梯度区和下部低温区三种温区，上部高温区和下部低温区设置有独立控温的加热器，上部 高温区和下部低温区均安放有控温热电偶，中部梯度区为带通气孔的隔热耐火层，炉膛内设 有支撑晶体生长坩埚的支撑杆，支撑杆的下端与旋转卡头连接，旋转卡头与一电机连接，电 机安装在一个螺旋移动机构上。上部高温区的控温热电偶安放在上部高温区高度的l/2 2/3位置处，下部低温区的控温 热电偶安放在下部低温区高度的1/3 1/2位置处。隔热耐火层的上、下端设有挡板，调节上、下挡板的位置可以改变隔热耐火板的厚度。隔热耐火层的上面加设一层氧化锆纤维毯，以进一歩阻挡高温区热量传递到低温区。炉膛的顶部设有用于封闭炉膛的绝热帽。炉膛的底部设有防止热量向大气传递的隔热环。支撑杆内部放置有用于实时测量坩埚尖部温度的测温热电偶。这种炉膛设计可通过改变高温区、低温区的控温温度以及调整中间梯度区隔热材料和距 离，方便的实现炉膛内温场曲线的调节，满足不同化合物红外晶体生长对温场的要求。炉膛顶部用绝热帽封闭炉膛，能够有效的防止"烟囱效应"，确保高温区较大的范围内保持恒温, 有利于多元化合物晶体原料的熔化和均匀性，底部设置的防止热量向大气传递的隔热环能够 确保低温区较大范围内保持恒温。中间梯度区带通气孔的隔热耐火板能够有效的阻挡高温区 热量向低温区向梯度区的辐射、对流和传导，以减小高温区的温差，维持温场的稳定，能够 在梯度区有效地产生较大的温度梯度，通过调节隔热耐火层的厚度可以方便的调节高温区和 低温区的间距，从而改变温度梯度的大小。另外采用不同隔热效果的隔热层，或者改变隔热 层中间通气孔的大小同样可以改变温度梯度的大小，满足不同红外晶体生长的需要。支撑坩 埚的支撑杆能够实现晶体生长过程中坩埚的旋转，支撑杆内部放置的测温热电偶能够实时测 量坩埚尖部的温度，可以实时监测到坩埚在温场中所处的位置，对于籽晶生长工艺也有助于 实现籽晶的成功熔接。本发明的多元化合物红外晶体生长装置，使晶体在高温区、低温区和梯度区三种温区的 不同温度场中生长，在梯度区能够获得较大温度梯度且温度梯度可调节，从而可以根据不同 多元化合物红外晶体的生长习性，方便的调节高温区、低温区的控温温度，获得适合晶体生 长的温场，维持固-液界面的稳定性，实现晶体的平界面生长。使用该生长装置，采用布里奇 曼法(Bridgman法)能够制备出外观完整、结晶性能良好的多元化合物红外晶体。
图1是本发明的多元化合物红外晶体生长装置的结构示意图。 图2是本发明的多元化合物红外晶体生长装置的温场曲线。图中1、炉体，2、石英管，3、石墨坩埚，4、上加热器，5、高温区控温热电偶，6、 氧化锆隔热毯，7、上挡板，8、隔热耐火层，9、下挡板，10、低温区控温热电偶，11、下加 热器，12、支撑杆，13、隔热环，14、测温热电偶，15、卡头，16、绝热帽，17、固液界面， 18、高温区，19、梯度区，20、低温区，21、通气孔。
具体实施方式
本发明的多元化合物红外晶体生长装置如图1所示，包括炉体l，炉体l的外壳与炉膛 之间填满保温材料。炉体内的炉膛由上至下包括上部高温区18、中部梯度区19和下部低温 区20三部分。炉膛的顶部设有由高铝耐火砖制成的用于封闭炉膛的绝热帽16，能够有效的 防止"烟囱效应"，确保高温区较大的范围内保持恒温，有利于多晶原料的熔化和均匀性。炉 膛底部加设一个隔热环13，防止热量向大气传递造成热量损失，维持低温区的温场稳定性， 确保低温区较大范围内保持恒温。上部高温区18内设置有由独立的FP23精密控温仪控制控 温的上加热器4，高温区控温热电偶5安放在上部高温区高度的1/2 2/3位置处。下部低温 区20内设置有由独立的FP23精密控温仪控制控温的加热器11，低温区控温热电偶10安放 在下部低温区高度的1/3 1/2位置处。下加热器11的中心对准炉膛中心轴线放置于炉膛， 确保恒温区内径向温场的均匀。中部梯度区19为一层带通气孔21的由轻质莫来石隔热材料 制成的隔热耐火层8，隔热耐火层8的上下端设有不锈钢材料的上挡板7和下挡板9，隔热耐 火层8的厚度通过调节上挡板7和下挡板9之间的距离来调整。在隔热耐火层8的上面放一 层氧化锆隔热毯6，以增加隔热效果，隔热耐火层8和氧化锆隔热毯6的内径要与坩埚的外 径尺寸相匹配，保证坩埚向下移动时能通过。隔热耐火层8和氧化锆纤维毯6是用于阻挡高 温区的热量向梯度区的辐射、对流和传导，以减小高温区的温差，维持温场的稳定；由于空耐火层8的中间通气孔能有效的阻止高温区的热量向梯度区传递， 增大梯度区的温度梯度。通过调节上挡板7和下挡板9之间的距离，改变隔热耐火层8中间 通气孔的大小能够在较窄的梯度区实现较大的温度梯度，满足不同多元化合物红外晶体的生 长需求。炉膛内还设有支撑坩埚3的支撑杆12，支撑杆12通过旋转卡头15与电机连接。晶 体生长过程中为了保持坩埚内的径向温度分布均匀，通过旋转卡头15使支撑杆12与电机连 接，实现坩埚的旋转，电机安装在一个螺旋移动机构上(图中未画出)，能够实现坩埚的下降。 装有石墨坩埚3的石英管2放置在支撑杆12上端的喇叭口内，在紧靠坩埚3的尖部放置有测 温热电偶14，用于实时监测坩埚尖部的温度，了解晶体生长过程，在籽晶生长工艺中，也有 助于实现籽晶的成功熔接。这种炉膛设计可通过改变高温区、低温区的控温温度以及调整中间梯度区隔热材料和距 离，方便的实现炉膛内温场曲线的调节，满足不同化合物红外晶体生长对温场的要求，维持 石墨坩埚3内固液界面17的稳定性，实现晶体的平界面生长。本发明的多元化合物红外晶体 生长装置的温场曲线如图2所示。利用上述多元化合物红外晶体生长装置生长红外晶体，包括以下工艺过程(1) 清洗石英管按常规方法清洗石英管2和坩埚3，去除石英管2壁面上附着的金属离子及有机杂质， 烘干备用，去除坩埚内壁的杂质。(2) 装料并抽真空、封结石英管将多元化合物晶体粉末装入坩埚3内，再将装料的坩埚装入清洁后的石英管2内，然后 加热至20(TC 30(TC下抽真空，当坩埚内的真空度达到1(T 10—4Pa时，用氢氧焰封结石英 管。(3) 晶体生长a.将封结后的石英管2放入图1所示生长装置的炉膛内，使装料的坩埚3全部位于上 部高温区18内，使上部高温区18以rc /分种 3 'C /分种的速率升温至多元化合物晶体 熔点以上50 'C 100 。C ，使得多元化合物晶体粉末充分熔化并过热；下部低温区20以同 样速率升温至多元化合物晶体熔点以下，当上部高温区18和下部低温区20的温度升至目标 温度后，即获得晶体生长所需要的温场，保温24小时 48小时。b.保温阶段结束后，使坩埚以10mm/小时 20 mm/小时的速率下降，当坩埚尖部降至中 部梯度区的固-液界面处，即多元化合物晶体熔点对应的位置，停止下降，保温4小时 6小 时后，坩埚以0.2 mm/小时 1 mm/小时的速率下降，开始晶体生长，经过2周 3周时间， 让柑埚内的熔体全部通过中部梯度区的固-液界面，晶体生长结束。(4) 晶体后处理晶体生长结束后，将坩埚下降至下部低温区进行退火2天 4天，然后以1(TC/小时 50 'C/小时的速率降至室温后取出晶体。
权利要求
1.一种多元化合物红外晶体生长装置，包括炉体，其特征在于炉体内的炉膛由上至下包括上部高温区、中部梯度区和下部低温区三种温区，上部高温区和下部低温区设置有独立控温的加热器，上部高温区和下部低温区均安放有控温热电偶，中部梯度区为带通气孔的隔热耐火层，炉膛内设有支撑晶体生长坩埚的支撑杆，支撑杆的下端与旋转卡头连接，旋转卡头与一电机连接，电机安装在一个螺旋移动机构上。
2. 根据权利要求1所述的多元化合物红外晶体生长装置，其特征在于所述上部高温区的控 温热电偶安放在上部高温区高度的1/2 2/3位置处，下部低温区的控温热电偶安放在下部低温区高度的l/3 l/2位置处。
3. 根据权利要求1所述的多元化合物红外晶体生长装置，其特征在于所述隔热耐火层的上、下端设有挡板。
4. 根据权利要求l所述的多元化合物红外晶体生长装置，其特征在于所述隔热耐火层的上 面加设一层氧化锆纤维毯。
5. 根据权利要求l所述的多元化合物红外晶体生长装置，其特征在于所述炉膛的顶部设有 用于封闭炉膛的绝热帽。
6. 根据权利要求l所述的多元化合物红外晶体生长装置，其特征在于所述炉膛的底部设有 防止热量向大气传递的隔热环。
7. 根据权利要求1所述的多元化合物红外晶体生长装置，其特征在于所述支撑杆内部放置 有用于实时测量坩埚尖部温度的测温热电偶。
全文摘要
本发明提供了一种多元化合物红外晶体生长装置，包括炉体，炉体内的炉膛由上至下包括上部高温区、中部梯度区和下部低温区三种温区，上部高温区和下部低温区设置有独立控温的加热器，上部高温区和下部低温区均安放有控温热电偶，中部梯度区为带通气孔的隔热耐火层，炉膛内设有支撑晶体生长坩埚的支撑杆，支撑杆的下端与旋转卡头连接，旋转卡头与一电机连接，电机安装在一个螺旋移动机构上。本发明可以根据不同多元化合物红外晶体的生长习性，获得适合晶体生长的温场，维持固-液界面的稳定性，实现晶体的平界面生长。使用该生长装置，采用布里奇曼法能够制备出外观完整、结晶性能良好的多元化合物红外晶体。
文档编号C30B35/00GK101323968SQ200810138560
公开日2008年12月17日 申请日期2008年7月24日 优先权日2008年7月24日
发明者王善朋, 蒋民华, 陶绪堂 申请人:山东大学