一种可实现晶体连续生长的装置的制作方法

1.本发明涉及晶体材料，具体涉及一种可实现晶体连续生长的装置，属于晶体生长技术领域。


背景技术：

2.晶体材料的生长方法较多，直拉法是常用方法之一：坩埚中的原料在感应加热或电阻加热到一定温度后熔化，当与籽晶杆下端连接的籽晶下降至固液界面时，籽晶会因接触熔体而形成过冷梯度，固液界面附近的熔体沿籽晶结晶，并随着籽晶杆的向上提拉逐渐生长出一定尺寸的晶体。在此过程中，熔体会因结晶而逐渐减少，直至熔体不能继续结晶生长。晶体的最终尺寸取决于坩埚中的原料多少，而原料的多少最终取决于坩埚的大小。
3.另一种晶体生长方法，液相外延法：外延材料加热后溶解在溶液中，并达到饱和，籽晶杆下端连接的基片下降至浸泡在熔液中，在温场梯度作用下，溶液中会析出固相物质并沉积在基片衬底上，生长出所需厚度的单晶薄膜层。在外延过程中，外延材料会逐渐减少，成分比例会逐渐降低，直至不能结晶。因此，生长的薄膜层厚度取决于外延材料的多少，而材料的多少依然取决于坩埚的大小。
4.在晶体生长领域，坩埚通常用铱金、铂金等稀贵金属制作，大坩埚的制作和使用成本高昂；并且坩埚增大后，温场也要随之增大，这可能会造成本已稳定的温场梯度变得不稳定，甚至不适合晶体生长。因此如何提高坩埚使用效率，降低生长成本，利用小坩埚生长出大尺寸晶体成为该专业技术人员研究的重要方向。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种可实现晶体连续生长的装置，本发明可突破单一坩埚盛装原料有限的限制，实现晶体连续生长，从而得到超出坩埚盛装原料的晶体大小，同时还可减少熔体组分变化带来的影响。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种可实现晶体连续生长的装置，包括炉体和坩埚，炉体顶部通过盖板封盖，盖板上设有晶体提拉旋转机构，晶体提拉旋转机构的籽晶杆通过盖板中心的连通口进出炉体；其特征在于：所述炉体安装在支架顶部由支架支撑，在支架底部设有横梁，横梁上安装有坩埚平移机构，在坩埚平移机构上设有至少两套坩埚升降旋转机构，所述坩埚的数量与坩埚升降旋转机构一一对应并安装在每套坩埚升降旋转机构的上端，坩埚可在坩埚平移机构和对应的坩埚升降旋转机构的驱动下左右平移、上下升降和旋转；在炉体内从下到上依次放置预热区发热体、第一闸门挡板机构、生长区发热体、第二闸门挡板机构、后保温区发热体，预热区发热体、生长区发热体和后保温区发热体中心为空腔，空腔供坩埚和/或籽晶杆停留或上下通过；在炉体底板中心设有坩埚进出通道，坩埚进出通道中心、各发热体空腔中心、盖板连通口中心和籽晶杆位于同一竖直线上；第一闸门挡板机构水平设置并将预热区发热体和生长区发热体分隔，第二闸门挡板机构水平设置并将生长区发热体和后保温区发热体
分隔；第一闸门挡板机构和第二闸门挡板机构闭合时中心形成仅与坩埚和/或籽晶杆匹配的以供其上下通过的封闭孔。
7.优选地，第一闸门挡板机构和第二闸门挡板机构均包括支撑平板、闸门挡板、连接杆和驱动部件，第一闸门挡板机构的支撑平板放置在预热区发热体上表面，第二闸门挡板机构的支撑平板放置在生长区发热体上表面，支撑平板中心设有竖向的过孔，支撑平板上表面位于过孔两侧分别设有水平的滑槽，闸门挡板为两块并分别位于两侧滑槽内，在两闸门挡板相对端设有缺口，每块闸门挡板的背向端分别通过连接杆与驱动部件连接，驱动部件安装在炉体壁上；在驱动部件的驱动下，两闸门挡板可通过滑槽相向运动或者背向运动，在相向运动时两缺口可合拢形成所述与坩埚和/或籽晶杆匹配的以供其上下通过的封闭孔。
8.所述缺口为半圆形缺口，两缺口合拢形成圆孔。
9.所述炉体为内外壁形成的夹层结构，在夹层结构中设有循环冷却水，在外壁上设有冷却水进口和出口。
10.所述坩埚平移机构包括水平的安装基板、平移滑块、移动连接板、平移丝杠和平移丝杠驱动电机，安装基板固定在支架底部横梁上，平移滑块通过滑轨安装在安装基板上表面，移动连接板固定在平移滑块上；在平移滑块上设有水平的螺纹孔，平移丝杆通过螺纹孔与平移滑块螺纹连接，平移丝杆两端通过轴承和轴承座安装在安装基板上；平移丝杆一端穿出轴承座与平移丝杠驱动电机连接，所述坩埚升降旋转机构安装在移动连接板；在平移丝杠驱动电机驱动下，平移滑块可沿安装基板上的滑轨往复移动，进而带动移动连接板及其上的坩埚升降旋转机构在水平方向往复移动。
11.所述坩埚升降旋转机构包括竖直的支撑立板、升降滑块、升降丝杠、升降丝杠驱动电机、坩埚旋转电机支撑板、坩埚旋转电机、坩埚支撑杆和坩埚托，升降滑块通过滑轨安装在支撑立板竖直面上；在升降滑块上设有竖直的螺纹孔，升降丝杆通过螺纹孔与升降滑块螺纹连接，升降丝杆两端通过轴承和轴承座安装在支撑立板上下两端；支撑立板下端与坩埚平移机构的移动连接板固定连接；升降丝杆上端穿出轴承座与升降丝杠驱动电机连接；坩埚旋转电机支撑板固定在升降滑块上，坩埚旋转电机安装在坩埚旋转电机支撑板上，坩埚支撑杆下端与坩埚旋转电机输出轴连接，坩埚托安装于坩埚支撑杆上端，坩埚位于坩埚托上表面；在升降丝杠驱动电机驱动下，升降滑块可沿支撑立板上的滑轨往复移动，进而带动坩埚旋转电机支撑板及其上的坩埚旋转电机、坩埚支撑杆、坩埚托和坩埚上下移动；坩埚旋转电机可通过坩埚支撑杆和坩埚托带动坩埚水平旋转。
12.所述坩埚托上表面具有与坩埚底部形状契合的凹坑，坩埚放置于凹坑中并通过凹坑限位。
13.所述支架为方钢焊接或铝型材拼接的矩形框架结构，底部四角分别设置有高度可调的地脚，顶部设置有安装炉体的螺纹接口。
14.所述预热区发热体、生长区发热体和后保温区发热体由中空柱状的基体和安装在基体中空内表面的发热元件构成；基体的中空区域构成所述空腔。
15.所述基体材质为低导热材料；发热元件为电阻丝。
16.相比现有技术，本发明具有如下有益效果：1、本发明采用至少两套坩埚及坩埚升降旋转机构交替提供晶体生长所需的熔体
原料，实现了晶体的连续生长，用小坩埚和小温场生长出现有技术需大坩埚和大温场才能实现的大尺寸（长度更长或厚度更厚）晶体，提高了坩埚和温场的利用率，降低了晶体的生长成本。
17.2、本发明通过设置上下两层闸门挡板机构，各发热区相互隔离，不改变温场结构和坩埚尺寸，维持了温场梯度稳定不变。
18.3、本发明通过交替熔料生长，可确保熔体组分变化较小，减小了原料比例变化对晶体质量造成的影响。
附图说明
19.图1为本发明可实现晶体连续生长的装置结构示意图；图2为本发明中晶体提拉旋转机构结构示意图；图3为本发明中坩埚平移机构结构示意图；图4为本发明中坩埚升降旋转机构结构示意图；图5为本发明中闸门挡板机构结构示意图；图6为本发明晶体连续生长装置使用时交替加料示意图。
20.图中：1、炉体；2、支架；3、晶体提拉旋转机构；4、坩埚平移机构；5、第一坩埚升降旋转机构；6、第二坩埚升降旋转机构；7、第一坩埚；8、第二坩埚；9、第一闸门挡板机构；10、第二闸门挡板机构；11、预热区发热体；12、生长区发热体；13、后保温区发热体；31、晶体提拉机构本体；32、晶体旋转电机支撑板；33、晶体旋转电机；34、籽晶杆；41、安装基板；42、移动连接板；43、平移滑块；44、平移丝杠；51、支撑立板；52、坩埚旋转电机支撑板；53、坩埚旋转电机；54、坩埚支撑杆；55、坩埚托；56、升降滑块；57、升降丝杠；58、升降丝杠驱动电机；91、支撑平板；92、闸门挡板；93、连接杆；94、驱动部件；95、过孔；96、缺口。
具体实施方式
21.如图1所示，本发明可实现晶体连续生长的装置，包括炉体1和坩埚7（8），炉体1顶部通过盖板封盖，盖板上设有晶体提拉旋转机构3，晶体提拉旋转机构3的籽晶杆34通过盖板中心的连通口进出炉体1。所述炉体1安装在支架2顶部由支架2支撑，在支架2底部设有横梁，横梁上安装有坩埚平移机构4，在坩埚平移机构4上设有至少两套坩埚升降旋转机构5（6），所述坩埚的数量与坩埚升降旋转机构一一对应并安装在每套坩埚升降旋转机构的上端，坩埚可在坩埚平移机构4和对应的坩埚升降旋转机构5（6）的驱动下左右平移、上下升降和旋转。在炉体1内从下到上依次放置预热区发热体11、第一闸门挡板机构9、生长区发热体12、第二闸门挡板机构10、后保温区发热体13，预热区发热体11、生长区发热体12和后保温区发热体13中心为空腔，空腔供坩埚和/或籽晶杆停留或上下通过；在炉体1底板中心设有坩埚进出通道，坩埚进出通道中心、各发热体空腔中心、盖板连通口中心和籽晶杆位于同一竖直线上；第一闸门挡板机构9水平设置并将预热区发热体11和生长区发热体12分隔，第二闸门挡板机构10水平设置并将生长区发热体12和后保温区发热体13分隔；第一闸门挡板机构9和第二闸门挡板机构10闭合时中心形成仅与坩埚和/或籽晶杆匹配的以供其上下通过的封闭孔。
22.本发明采用至少两套坩埚及坩埚升降旋转机构交替提供晶体生长所需的熔体原料，当一套坩埚原料在生长过程中消耗得差不多的时候即让其退下，另一套坩埚中的原料（预先已熔好）可马上递补上来接着生长，之前退下的坩埚原料补充后，即进入预热区预热熔料，做好递补准备，通过反复的交替加料交替生长，实现了晶体的连续生长，用小坩埚和小温场即可生长出现有技术需大坩埚和大温场才能实现的大尺寸（长度更长或厚度更厚）晶体，提高了坩埚和温场的利用率，降低了晶体的生长成本。
23.本发明通过交替熔料生长，可确保熔体组分变化较小，减小了原料比例变化对晶体质量造成的影响。
24.本发明通过设置上下两层闸门挡板机构，各发热区相互隔离，不改变温场结构和坩埚尺寸，维持了温场梯度稳定不变。
25.图中示出两套坩埚升降旋转机构，即第一坩埚升降旋转机构5和第二坩埚升降旋转机构6，对应的坩埚为第一坩埚7和第二坩埚8。三套或者更多坩埚升降旋转机构的工作原理类似，都是交替补料、熔料、生长，以保证籽晶杆生长尽量连续。
26.参见图3，所述坩埚平移机构包括水平的安装基板41、平移滑块43、移动连接板42、平移丝杠44和平移丝杠驱动电机（图上未示出平移丝杠驱动电机），安装基板41固定在支架底部横梁上，平移滑块43通过滑轨安装在安装基板41上表面，移动连接板42固定在平移滑块43上。在平移滑块43上设有水平的螺纹孔，平移丝杆44通过螺纹孔与平移滑块43螺纹连接，平移丝杆44两端通过轴承和轴承座安装在安装基板41上。平移丝杆一端穿出轴承座与平移丝杠驱动电机连接，所述坩埚升降旋转机构5（6）安装在移动连接板42；在平移丝杠驱动电机驱动下，平移滑块43（相当于丝杆螺母）可沿安装基板41上的滑轨往复移动，进而带动移动连接板42及其上的坩埚升降旋转机构5（6）在水平方向往复移动。
27.优选的，炉体1采用不锈钢材质制作，可设计为内外壁形成的夹层结构，在夹层结构中设有循环冷却水，在外壁上设有冷却水进口和出口，通过压力泵使冷却水在夹层中往复流动。也可以不采用夹层结构，直接在炉体外周设置盘管水冷结构。水冷结构目的是使炉体温度维持在合适范围，有利于炉体内部形成晶体生长所需的温场结构。
28.优选的，所述支架2为方钢焊接或铝型材拼接的矩形框架结构，底部四角分别设置有高度可调的地脚，顶部设置有安装炉体的螺纹接口。
29.同时结合图4，所述坩埚升降旋转机构包括竖直的支撑立板51、升降滑块56、升降丝杠57、升降丝杠驱动电机58、坩埚旋转电机支撑板52、坩埚旋转电机53、坩埚支撑杆54和坩埚托55，升降滑块56通过滑轨安装在支撑立板51竖直面上；在升降滑块上设有竖直的螺纹孔，升降丝杆57通过螺纹孔与升降滑块56螺纹连接，升降丝杆57两端通过轴承和轴承座安装在支撑立板51上下两端；支撑立板下端与坩埚平移机构的移动连接板固定连接；升降丝杆57上端穿出轴承座与升降丝杠驱动电机58连接；坩埚旋转电机支撑板52固定在升降滑块56上，坩埚旋转电机53安装在坩埚旋转电机支撑板52上，坩埚支撑杆54下端与坩埚旋转电机53输出轴连接，坩埚托55安装于坩埚支撑杆54上端，坩埚位于坩埚托上表面；在升降丝杠驱动电机58驱动下，升降滑块56可沿支撑立板51上的滑轨往复移动，进而带动坩埚旋转电机支撑板52及其上的坩埚旋转电机53、坩埚支撑杆55、坩埚托55和坩埚上下移动；坩埚旋转电机53可通过坩埚支撑杆55和坩埚托55带动坩埚水平旋转。第一坩埚升降旋转机构5和第二坩埚升降旋转机构6安装在坩埚平移机构4的移动连接板42上，第一坩埚7放置第一坩
埚升降旋转机构5的坩埚托55上，第二坩埚8放置第二坩埚升降旋转机构6的坩埚托上。通过坩埚升降机构，可实现坩埚在垂直方向的往复运动，同时通过坩埚旋转电机可实现锅内熔体的均匀搅拌。
30.进一步的，坩埚支撑杆54采用氧化铝陶瓷或其它可耐高温材料制作，实心或空心结构，具有一定强度，可高速旋转。
31.进一步的，坩埚托55上表面具有与坩埚底部形状契合的凹坑，坩埚放置于凹坑中并通过凹坑限位。坩埚托55下端与支撑杆54上端契合，坩埚托55采用氧化铝陶瓷或其它可耐高温材料制作，实心或空心结构，具有一定强度，可高速旋转。
32.优选的，第一坩埚7和第二坩埚8为中空薄壁u型结构，采用铱金或铂金等其它耐高温稀贵金属材料制作，用于熔体容器。
33.优选的，晶体提拉旋转机构3安装在炉体1上表面，籽晶杆34与炉体1上盖板中心连通口同心，籽晶杆34通过晶体提拉机构31可实现在垂直方向的往复运动，通过晶体旋转电机33实现旋转运动。晶体旋转电机33朝下安装在晶体旋转电机支撑板32上，晶体旋转电机支撑板32固定在可通过丝杆升降的升降块上。图2为晶体提拉旋转机构示意图。晶体提拉旋转机构与坩埚升降旋转机构部件组成和工作原理类似，都是通过丝杆实现升降，通过旋转电机实现旋转功能。
34.进一步的，籽晶杆34采用氧化铝陶瓷或其它可耐高温材料制作，实心或空心结构，具有一定强度，可高速旋转，用以吊住籽晶或生长出来的晶体。
35.同时结合图5，第一闸门挡板机构9包括支撑平板91、闸门挡板92、连接杆93和驱动部件94，第一闸门挡板机构9的支撑平板91放置在预热区发热体11上表面，支撑平板91中心设有竖向的过孔95，支撑平板91上表面位于过孔两侧分别设有水平的滑槽，闸门挡板92为左右两块并分别位于两侧滑槽内，在两闸门挡板92相对端设有缺口96，每块闸门挡板92的背向端分别通过连接杆93与驱动部件94连接，驱动部件安装在炉体壁上；在驱动部件94的驱动下，两闸门挡板92可通过滑槽相向运动或者背向运动，在相向运动时两缺口可合拢形成所述与坩埚和/或籽晶杆匹配的以供其上下通过的封闭孔。
36.第二闸门挡板机构10和第一闸门挡板机构9结构完全相同，在此不赘述。第二闸门挡板机构的支撑平板放置在生长区发热体上表面。
37.优选的，第一闸门挡板机构9置于预热区发热体11和生长区发热体12之间，在坩埚进出生长区发热体12过程中，闸门挡板92打开，在晶体生长过程中，闸门挡板92关闭，以保证温场梯度的稳定。
38.优选的，第二闸门挡板机构10置于生长区发热体12和后保温区发热体13之间，在籽晶进入或晶体拉出生长区发热体12过程中，闸门挡板打开，在晶体生长过程中，闸门挡板关闭，以保证温场梯度的稳定。
39.进一步的，支撑平板91采用由滑槽构成的凹型设计，材质采用氧化铝陶瓷或其它耐高温材料，滑槽尺寸与闸门挡板契合，确保闸门挡板在滑槽内滑动顺畅。
40.进一步的，闸门挡板92尺寸与支撑平板滑槽尺寸一致，一边与连接杆93连接，另一边中心位置开有半圆形缺口96，两缺口合拢形成圆孔，圆孔的半径尺寸略大于籽晶杆或坩埚支撑杆的半径。
41.进一步的，驱动部件94可以是气缸，或者电动推杆，也可以是其它可实现闸门挡板
左右滑动的部件。
42.具体地，预热区发热体11、生长区发热体12和后保温区发热体13均由中空柱状的基体和安装在基体中空内表面的发热元件构成；基体的中空区域构成所述空腔。所述基体材质为低导热材料；发热元件为电阻丝。
43.预热区发热体11置于炉体1底板上表面，基体材料为氧化锆、玻璃纤维等导热性能低的材料，形状通常为中空柱状型，也可为其它定制形状；基体内壁嵌有发热元件，如电阻丝等；发热体升温至略高于锅内原料的熔点温度，可实现原料的熔融，为晶体的连续生长做准备。
44.生长区发热体12置于第一闸门挡板机构9上表面，基体材料为氧化锆、玻璃纤维等导热性能低的材料，形状通常为中空柱状型，也可为其它定制形状，尺寸根据温场梯度需要设计；基体内壁嵌有发热元件，如电阻丝等；发热体升至设定温度，与后保温区发热体13共同形成稳定的、适合晶体生长需要的温度梯度。
45.后保温区发热体13置于第二闸门挡板机构10上表面，基体材料为氧化锆、玻璃纤维等导热性能低的材料，形状通常为中空柱状型，也可为其它定制形状，尺寸根据温场梯度需要设计；基体内壁嵌有发热元件，如电阻丝等；发热体升至设定温度，与生长区发热体12共同形成稳定的、适合晶体生长需要的温度梯度。
46.在一种具体实施方式中，以提拉法生长为例，实施步骤如下，同时参见图6：1、将第一坩埚7和第二坩埚8下降至最低位置，并装满原料（如图6上左），再将两个坩埚上升至预热区发热体11内部中间位置（如图6上右）；2、将籽晶杆34上升至最高位置，安装好籽晶，然后下降至后保温区加热体内13部中间位置；3、关闭第一闸门挡板机构9和第二闸门挡板机构10；4、加热升温，预热区发热体11、生长区发热体12、后保温区发热体13分别升温至预设温度值，确保坩埚内原料在预热区内全部熔化，生长区和后保温区形成稳定的、适合晶体生长的温度梯度；在升温过程中，坩埚处于旋转状态，籽晶杆处于旋转状态；5、通过坩埚平移机构4将第一坩埚7移动至中心位置，然后打开第一闸门挡板机构9，并通过第一坩埚升降旋转机构5将第一坩埚7上升至生长区设定位置，关闭第一闸门挡板机构9（如图6中左）；6、打开第二闸门挡板机构10，将籽晶下降至熔体固液界面处，关闭第二闸门挡板机构10，引晶并开始生长（如图6中左）；7、在第一坩埚7内的熔体不足以继续维持晶体生长，或熔体内组分出现较大变化时，暂停晶体生长，打开第一闸门挡板机构9，将第一坩埚7下降至最低位置（如图6中右），关闭第一闸门挡板机构9；8、通过坩埚平移机构4将第二坩埚8移动至中心位置（如图6下左），然后打开第一闸门挡板机构9，并通过第二坩埚升降旋转机构6将第二坩埚8上升至生长区设定位置，关闭第一闸门挡板机构9（如图6下右），继续生长晶体；9、向第一坩埚7内补充原料，然后通过第一坩埚升降旋转机构5将第一坩埚7上升至预热区发热体11内部中间位置（如图6下右），熔化锅内原料，并通过坩埚旋转电机带动坩埚旋转，使锅内熔体搅拌均匀；
10、在第二坩埚8内的熔体不足以继续维持晶体生长，或熔体内组分出现较大变化时，暂停晶体生长，打开第一闸门挡板机构9，将第二坩埚8下降至最低位置，关闭第一闸门挡板机构9；11、通过坩埚平移机构4将第一坩埚7移动至中心位置，然后打开第一闸门挡板机构9，并通过第一坩埚升降旋转机构5将第一坩埚7上升至生长区设定位置，关闭第一闸门挡板机构9，继续生长晶体；12、向第二坩埚8内补充原料，然后通过第二坩埚升降旋转机构6将第二坩埚8上升至预热区发热体11内部中间位置（如图6中），熔化锅内原料，并通过坩埚旋转电机带动坩埚旋转，使锅内熔体搅拌均匀；13、根据需要重复步骤7-12，直至生长出目标晶体；生长结束；14、将晶体拉出坩埚，按工艺需要设定降温程序；15、打开第一闸门挡板机构9，将第一坩埚7和第二坩埚8下降至最低处；打开第二闸门挡板机构10，将籽晶杆34上升至最高处，取下晶体。
47.本发明采用至少两套坩埚及坩埚升降旋转机构交替提供晶体生长所需的熔体原料，实现了晶体的连续生长，增加了晶体尺寸，同时减少了熔体组分比例变化给晶体生长和质量带来的影响。本发明通过小坩埚实现了晶体的连续生长，降低了坩埚的使用成本，增大了晶体尺寸，提高了晶体生长效率，具有良好的经济效益。
48.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。