专利名称：用于生长晶体的装置及用该装置生长晶体的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于生长晶体的装置以及利用该装置生长晶体的方法。
背景技术：
蓝宝石晶体生长主要有热交换法、泡生法和提拉法等。热交换法，简称HEM，其原理是利用热交换器冷却带走热量，使晶体生长区域内形成一个下冷上热的纵向温度梯度，同时再通过控制热交换器内气体流量和加热功率来控制此温度梯度，从而形成坩埚内熔体自下向上凝固，完成晶体生长的过程。现有的热交换法生长蓝宝石晶体过程为将放有籽晶和原料的坩埚放置在热场中，然后加热将原料熔化，籽晶通过坩埚底部的热交换器内的气体进行冷却从而保证不被熔化，同时进行晶体的生长。晶体生长时，由加热器控制熔体的温度梯度，通过热交换器内冷却气体的流量来控制晶体的温度梯度，从而控制晶体生长速率。但这种方法产生温度梯度的效果不好。同时由于晶体生长是一个较复杂的过程，要想得到较理想的晶体质量，需从多方面进行调节和优化。
发明内容
针对相关技术中存在的一个或多个问题，本发明的目的在于提供一种用于生长晶体的装置以及利用该装置生长晶体的方法，工艺简单，可方便有效地调节热场内的温度梯度分布，控制晶体生长过程，从而提高晶体质量。为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种用于晶体生长的装置，该装置包括保温层、设置在保温层中的加热器、设置在加热器中的坩埚、以及支撑坩埚的支撑杆，该装置还包括温度梯度控制装置，其中温度梯度控制装置包括隔热层、以及支撑隔热层的支柱；隔热层设置在加热器的下端部和保温层底部之间；并且支柱设置在隔热层下方支撑隔热层，并且可以带动隔热层上下移动。优选地，隔热层包括多层隔热板，多层隔热板叠放在一起并且设置有贯通多层隔热板的孔，并且多层隔热板通过孔套设在支撑杆上；间隔件，间隔件设置在多层隔热板的相邻两层之间，并且该相邻的两层隔热板之间形成2-10mm的间隙；保持件，保持件沿纵向贯穿并固定多层隔热板。优选地，隔热层的最下层隔热板上设置有连接支柱的槽，支柱的顶端容纳在槽中。优选地，多层隔热板上还设置有多个小孔，保持件通过多个小孔贯穿多层隔热板， 并且保持件与间隔件连接以固定间隔件。优选地，多层隔热板包括圆环状的多层钨板，间隔件包括与多层钨板同轴设置且围成环形的钨丝环，并且多层钨板的相邻两层之间设置有至少一个钨丝环。根据本发明，还提供了一种根据上述用于晶体生长的装置生长晶体的方法，包括以下步骤将籽晶和原料放置在坩埚中，同时设置温度梯度控制装置的初始位置在靠近加热器底端处，使加热器开始升温，熔化原料，并且向坩埚中吹送冷却气体使得籽晶不被熔化；升温一段时间后，使温度梯度控制装置朝向远离加热器的下端部的方向移动；原料熔化完成后，增加冷却气体流量，使晶体从籽晶处开始向上生长。优选地，该方法还包括以下步骤在晶体生长完成后，使温度梯度控制装置朝向靠近加热器的下端部的方向移动。优选地，升温过程中，使温度梯度控制装置朝向远离加热器的下端部的方向移动的步骤还包括在加热器升温至1500°C -2000°C时，使温度梯度控制装置从初始位置移动至与加热器的下端部相距30-60mm的第一位置。优选地，当晶体生长完成时，使温度梯度控制装置朝向靠近加热器的下端部的方向移动的步骤包括使温度梯度控制装置从与加热器的下端部相距30-60mm的第一位置移动至初始位置。优选地，籽晶包括蓝宝石籽晶，原料包括A1203。相比于现有技术，本发明通过在加热器和保温层之间设置温度梯度控制装置，在加热器中形成了适宜晶体生长的温度梯度。当加热器刚开始升温时，使温度梯度装置较为靠近加热器，减少加热器中热量的流失，增强了保温效果。当加热器升至一定温度之后，使温度梯度装置远离加热器，增加了纵向温度梯度，从而有效地控制晶体生长过程，提高晶体的质量。当晶体生长完成时，再使温度梯度装置靠近加热器，减小纵向温度梯度，保证晶体不会在降温阶段由于过大的温度梯度而开裂，进一步提高晶体的质量。另外，由于整个装置使用的都是基本的连杆结构，使得工艺简单。
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中图1是现有技术的装置结构示意图；图2是本发明的装置结构示意图；图3是隔热层的局部剖面示意图；图4是隔热层的俯视透视图；图5是本发明的系统流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
进行描述。如图1所示，是现有技术中用于晶体生长的装置。本发明提供一种用于生长晶体的装置，如图2所示，包括保温层2、设置在保温层2 中的加热器1、设置在加热器1之间的坩埚7、以及支撑坩埚7的支撑杆6，该装置还包括温度梯度控制装置，其中温度梯度控制装置包括隔热层3、以及支撑隔热层3的支柱4 ；隔热层3设置在加热器1的下端部和保温层2底部之间；支柱4设置在隔热层3下方支撑隔热层3，并且可以带动隔热层3上下移动。根据本发明的一实施例，支柱4的上下移动是通过支柱4的一端与凸轮、电机连接形成凸轮连杆机构来实现的。如图3-4所示，根据本发明的实施例，隔热层3包括多层隔热板31、间隔件32以及保持件33。其中，多层隔热板31包括圆环状的多层钨板，多层隔热板31叠放在一起，其上设置有贯通多层隔热板31的孔34，并且多层隔热板31通过孔34套设在支撑杆6上，此外，多层隔热板31上还设置有多个小孔35，保持件33通过多个小孔贯穿多层隔热板31，并且保持件33与间隔件32连接以固定间隔件32 ；间隔件32，包括与多层钨板同轴设置且围成环形的波纹状钨丝环，间隔件32设置在多层隔热板31的相邻两层之间，并且多层钨板的相邻两层之间设置有至少一个钨丝环，使得相邻的两层隔热板31之间形成2-10mm的间隙； 保持件33，可以设置为钨丝，纵向穿过多层隔热板31和间隔件32并固定多层隔热板31和间隔件32。另外，隔热层3的最下层的隔热板31上设置有连接支柱4的槽36，支柱4的顶端容纳在槽36中。根据本发明的实施例，该支柱4可以可拆卸地连接在该槽36中，例如，通过螺纹连接，或者通过卡合结构连接在该槽36中。另一方面，本发明还提供一种利用上述生长晶体的装置生长晶体的方法，如图5 所示，包括以下具体步骤将籽晶5和原料71放置在坩埚7中，同时设置温度梯度控制装置的初始位置在靠近加热器底端处，其中，为了防止温度梯度控制装置与加热器靠得太近而产生相互间反应， 温度梯度控制装置的初始位置与加热器7底端的距离范围为l-3cm，其中优选值为2cm ；然后，使加热器1开始工作，熔化原料71，并且通过支撑杆6中的孔向坩埚7中吹送冷却气体使得籽晶5不被熔化；升温过程中，使温度梯度控制装置朝向远离所述加热器1的下端部的方向移动。 在加热器1升温至1500°c -2000°C时，使温度梯度控制装置从初始位置移动至与加热器1 的下端部相距30-60mm的第一位置，并将温度梯度控制装置固定在此位置；随着温度的升高，原料71继续熔化，在该原料71熔化完成后，增加冷却气体，晶体开始从籽晶5处开始生长；在晶体生长完成后，使温度梯度控制装置朝向靠近加热器1的下端部的方向移动，具体地说，使其从与加热器1的下端部相距30-60mm的第一位置移动至初始位置。根据本发明的一实施例，籽晶5包括蓝宝石籽晶，原料71包括Al2O315本发明通过在加热器和保温层之间设置温度梯度控制装置，在加热器中形成了适宜晶体生长的温度梯度。当加热器刚开始升温时，使温度梯度装置较为靠近加热器，减少加热器中热量的流失，增强了保温效果，缩短原料熔化的时间，当加热器升至一定温度之后， 使温度梯度装置远离加热器，增加了纵向温度梯度，从而有效地控制晶体生长过程，提高晶体的质量。当晶体生长完成时，再使温度梯度装置靠近加热器，减小纵向温度梯度，保证晶体不会在降温阶段由于过大的温度梯度而开裂，进一步提高晶体的质量。另外，由于整个装置使用的都是基本的连杆结构，使得工艺简单。以上所述仅为发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种用于晶体生长的装置，所述装置包括保温层O)、设置在所述保温层( 中的加热器(1)、设置在所述加热器⑴中的坩埚(7)、以及支撑所述坩埚(7)的支撑杆(6)，其特征在于，所述装置还包括温度梯度控制装置，其中所述温度梯度控制装置包括隔热层(3)、以及支撑所述隔热层(3)的支柱(4)；所述隔热层( 设置在所述加热器(1)的下端部和所述保温层( 底部之间；并且所述支柱(4)设置在所述隔热层C3)下方支撑所述隔热层(3)，并且可以带动所述隔热层⑶上下移动。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述隔热层C3)包括多层隔热板(31)，所述多层隔热板(31)叠放在一起并且设置有贯通所述多层隔热板 (31)的孔(34)，并且所述多层隔热板(31)通过所述孔(34)套设在所述支撑杆(6)上；间隔件(32)，所述间隔件(3 设置在所述多层隔热板(31)的相邻两层之间，并且该相邻的两层隔热板之间形成2-10mm的间隙；保持件(33)，所述保持件(3 沿纵向贯穿并固定所述多层隔热板(31)。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述隔热层(3)的最下层隔热板上设置有连接所述支柱的槽，所述支柱的顶端容纳在所述槽中。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述多层隔热板(31)上还设置有多个小孔(35)，所述保持件(3 通过所述多个小孔贯穿所述多层隔热板(31)，并且所述保持件 (33)与所述间隔件(32)连接以固定所述间隔件(32)。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述多层隔热板(31)包括圆环状的多层钨板，所述间隔件(3 包括与所述多层钨板同轴设置且围成环形的钨丝环，并且所述多层钨板的相邻两层之间设置有至少一个所述钨丝环。
6.一种根据权利要求1-5之一所述用于晶体生长的装置生长晶体的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤将籽晶( 和原料(71)放置在坩埚(7)中，同时设置温度梯度控制装置的初始位置在靠近加热器(1)底端处，使加热器(1)开始升温，熔化所述原料(71)，并且向所述坩埚(7) 中吹送冷却气体使得所述籽晶( 不被熔化；升温过程中，使温度梯度控制装置朝向远离所述加热器(1)的下端部的方向移动；所述原料(71)熔化完成后，增加所述冷却气体流量，籽晶( 开始生长。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤在所述籽晶 (5)生长完成后，使温度梯度控制装置朝向靠近所述加热器(1)的下端部的方向移动。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，升温过程中，使温度梯度控制装置朝向远离所述加热器(1)的下端部的方向移动的步骤还包括在加热器(1)升温至1500°C -2000°C时，使所述温度梯度控制装置从初始位置移动至与所述加热器(1)的下端部相距30-60mm的第一位置。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当所述籽晶( 生长完成时，使温度梯度控制装置朝向靠近所述加热器(1)的下端部的方向移动的步骤包括使所述温度梯度控制装置从与所述加热器(1)的下端部相距30-60mm的第一位置移动至初始位置。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述籽晶(5)包括蓝宝石籽晶，所述原料 (71)包括 A1203。
全文摘要
本发明涉及一种用于晶体生长的装置，其包括保温层、加热器、坩埚、支撑杆，以及温度梯度控制装置，其中温度梯度控制装置包括隔热层、以及支撑隔热层的支柱；隔热层设置在加热器的下端部和保温层底部之间；支柱设置在隔热层下方，并且可以带动隔热层上下移动。本发明另一方面还提供一种用于晶体生长的方法，包括以下步骤将籽晶和原料放在坩埚中，加热器升温，向所述坩埚底部吹送冷却气体使籽晶不被熔化，升温过程中，使温度梯度控制装置朝向远离所述加热器的下端部的方向移动，在原料熔化后，增加所述冷却气体，使晶体从籽晶处开始生长，在晶体生长完成后，使温度梯度控制装置反向移动。根据本发明可有效地控制晶体生长过程，提高晶体的质量。
文档编号C30B11/00GK102296353SQ20111026581
公开日2011年12月28日 申请日期2011年8月29日 优先权日2011年8月29日
发明者张雪平, 王平, 盛建明, 胡董成 申请人:江苏同人电子有限公司