用于布里奇曼晶體生長爐中的籽晶保護裝置的制作方法

本實用新型涉及單晶生長技術領域，特別是用于布里奇曼晶體生長爐中的籽晶保護裝置。

背景技術：

布里奇曼晶體生長法(Bridgman crystal growth method)，是一種從熔體中生長晶體的常用方法，由Bridgman于1925年提出。布里奇曼晶體生長爐，一般有高溫區、低溫區，以及高低溫區之間形成具有一定溫度梯度的梯度區。將晶體生長用的原料裝在坩堝中，置于略高于原料熔點的高溫爐區，坩堝中原料在過熱條件下成熔融狀態，形成均勻過熱熔體。然后通過爐體的運動或坩堝的移動，使坩堝由高溫區穿過梯度區向低溫區移動。坩堝底部的熔體進入梯度區后溫度先達到原料熔點以下，材料開始結晶，晶體隨著坩堝的移動而持續長大。結晶界面沿著與其運動相反的方向定向生長，實現晶體生長過程的連續進行。根據材料的性質，選擇不同的加熱器件，可以選用電阻爐或者高頻爐。根據加熱溫區的不同，又可以分為兩溫區爐，三溫區、五溫區爐等。根據需要，坩堝可以是豎直狀態，也可以是水平狀態，分別稱為垂直布里奇曼法(Vertical Bridgman)和水平布里奇曼法(Horizontal Bridgman)。

布里奇曼晶體生長一般是在密閉條件下生長的，整個晶體生長過程是無法觀察的，只有等晶體退火降溫至室溫取出后才知道晶體生長得成功還是失敗。晶體生長過程，經過前期的升溫化料(1～2天)、晶體自發成核或者籽晶引晶接種(1-3天)、放肩生長、等徑生長，以及最后的退火降溫五個步驟，一般需要一個月甚至兩三個月的時間。因此，前期的自發成核或者籽晶接種工藝，無疑是最關鍵的步驟。由于晶體生長一般需要特定方向，自發成核淘汰處特定方向的單晶方向或籽晶成功引晶形成與優選的籽晶方向一致的晶體生長方向，決定了后續晶體生長過程的成敗！傳統的布里奇曼法，主要通過調整加熱器的功率來保護籽晶和控制籽晶引晶來實現的，籽晶或者全部被熔化或者是均未被熔化，難于精確控制籽晶處于不熔不長特別是籽晶引晶需要的輕微熔化的技術要求。

技術實現要素：

本實用新型提供用于布里奇曼晶體生長爐中的籽晶保護裝置，該裝置不僅能有效地保護籽晶不被熔化，從而實現晶體生長中所需要的籽晶輕微熔化的籽晶引晶技術，還能進一步精準控制冷卻溫度，實現籽晶生長的精密控制。

本實用新型的技術方案如下：

用于布里奇曼晶體生長爐中的籽晶保護裝置，所述的布里奇曼晶體生長爐包括爐膛和置于爐膛內且底端設有籽晶槽的坩堝，其特征在于：

所述的籽晶保護裝置包括套設于籽晶槽外的保護套筒、分別連接于保護套筒兩側的進氣管和出氣管、以及與進氣管連接的冷卻風供給設備，所述的保護套筒包括保護套筒體及位于保護套筒體中部的用于放置籽晶槽的第一腔室，所述的第一腔室上方開口且它的形狀、大小與籽晶槽的形狀、大小相匹配；所述的保護套筒體還包括環繞第一腔室)外周設置的用于儲存氣體的第二腔室、及設于第二腔室兩端的進氣口和出氣口，所述的進氣管連接于進氣口，所述的出氣管連接于出氣口。

所述的布里奇曼晶體生長爐還包括能帶動坩堝上下移動的升降裝置，所述爐膛包括上爐膛和下爐膛,所述的上爐膛的溫度高于下爐膛的溫度。

使用時，將籽晶裝入籽晶槽中，將多晶原料裝入坩堝中，將坩堝的籽晶槽安放在籽晶保護器的中心后放置在布里奇曼單晶爐的高溫爐區化料的位置；由籽晶保護裝置的輸氣管通入冷卻氣體或流體保護籽晶，然后開始加熱使原料熔化，設置布里奇曼晶體生長爐的程序，使得坩堝連同籽晶保護器一起從上方的高溫爐區緩慢往下方的低溫爐區下降，坩堝內的熔體從籽晶與熔體的熔接處往熔體的方向開始生長成單晶，直至所有熔體結晶成單晶；控制加熱器的功率，晶體退火降溫直至室溫，晶體生長過程完成。

為了更好地保護籽晶，使它不僅不融化，而且不容易因為溫度差異較大，而產生內部缺陷，所述的第二腔室呈上面大、下面小設置。使接近下爐膛的部分腔室更小，從而使下部籽晶溫度變化更小，不易產生內部缺陷。

所述的籽晶槽外壁上設有熱傳感器，所述的進氣口內設有流量控制裝置，所述的籽晶保護裝置還包括分別與熱傳感器、流量控制裝置連接以根據熱傳感器檢測的溫度調節通過流量控制裝置進入第二腔室的氣體流量大小的主控制器，進而調節控制籽晶槽的溫度。

使用時，熱傳感器將溫度傳送到主控制器，然后主控制器根據熱傳感器傳送的溫度控制流量控制裝置的冷卻風的流量。通過流量計控制冷卻氣體或者流體的流量，控制單晶爐加熱功率使得籽晶在與多晶料熔體的熔接處處于不熔不長或者輕微熔化狀態，通過籽晶保護器上方與籽晶槽接觸的熱偶監控籽晶槽的溫度，該溫度稱為接種溫度。

較之現有技術，本實用新型的有益效果：

本實用新型引入通有冷卻氣體的籽晶保護裝置，由于籽晶大部分在冷卻保護氛圍下，能保持上端輕微熔化而下端溫度低不被熔化，精確地控制籽晶的引晶過程，提高了晶體生長過程中籽晶熔接的質量和成功率，保證了后續晶體生長過程的擇優取向生長及晶體生長質量。

還能精準控制的冷卻溫度，實現精密控制。

該方法簡單可靠，重復性好，自動化程度高，有利于晶體生長的規模化和產業化。

附圖說明

圖1是本實用新型實施例1的結構示意圖。

圖2是本實用新型實施例1的剖視示意圖。

圖3是本實用新型實施例2的結構示意圖。

圖4是本實用新型實施例2的剖視示意圖。

圖5本實用新型的使用狀態參考圖。

圖6是熱傳感器、流量控制裝置和主控制器的工作框圖。

其中，附圖標記說明如下：

1-保護套筒，1-1-第一腔室，1-2-保護套筒體，1-21-第二腔室，1-22-進氣口，1-23-出氣口，2-進氣管，3-出氣管，4-上爐膛，5-下爐膛，6-坩堝，61-籽晶槽，7-升降裝置，8-熱傳感器，9-流量控制裝置，10-主控制器，11-冷卻風設備。

具體實施方式

實施例1

如圖1、2、5所示，用于布里奇曼晶體生長爐中的籽晶保護裝置，所述的布里奇曼晶體生長爐包括爐膛和置于爐膛內且底端設有籽晶槽61的坩堝6，其特征在于：

所述的籽晶保護裝置包括套設于籽晶槽61外的保護套筒1、分別連接于保護套筒1兩側的進氣管2和出氣管3、以及與進氣管2連接的冷卻風供給設備11，所述的保護套筒1包括保護套筒體1-2及位于保護套筒體1-2中部的用于放置籽晶槽的第一腔室1-1，所述的第一腔室1-1上方開口且它的形狀、大小與籽晶槽61的形狀、大小相匹配；所述的保護套筒體1-2還包括環繞第一腔室1-1外周設置的用于儲存氣體的第二腔室1-21、及設于第二腔室1-21兩端的進氣口1-22和出氣口1-23，所述的進氣管2連接于進氣口1-22，所述的出氣管3連接于出氣口1-23。

所述的布里奇曼晶體生長爐還包括能帶動坩堝6上下移動的升降裝置7，所述爐膛包括上爐膛4和下爐膛5,所述的上爐膛4的溫度高于下爐膛5的溫度。

使用時，將籽晶裝入籽晶槽中，將多晶原料裝入坩堝中，將坩堝的籽晶槽安放在籽晶保護器的中心后放置在布里奇曼單晶爐的高溫爐區化料的位置；由籽晶保護裝置的輸氣管通入冷卻氣體或流體保護籽晶，然后開始加熱使原料熔化，設置布里奇曼晶體生長爐的程序，使得坩堝連同籽晶保護器一起從上方的高溫爐區緩慢往下方的低溫爐區下降，坩堝內的熔體2從籽晶與熔體的熔接處往熔體的方向開始生長成單晶，直至所有熔體結晶成單晶；控制加熱器的功率，晶體退火降溫直至室溫，晶體生長過程完成。

所述的籽晶槽61外壁上設有熱傳感器8，所述的進氣口1-22內設有流量控制裝置9，所述的籽晶保護裝置還包括分別與熱傳感器8、流量控制裝置9連接以根據熱傳感器8檢測的溫度調節通過流量控制裝置9進入第二腔室1-21的氣體流量大小的主控制器10，進而調節控制籽晶槽61的溫度。

使用時，熱傳感器8將溫度傳送到主控制器10，然后主控制器10根據熱傳感器8傳送的溫度控制流量控制裝置9的冷卻風的流量。通過流量計控制冷卻氣體或者流體的流量，控制單晶爐加熱功率使得籽晶在與多晶料熔體的熔接處處于不熔不長或者輕微熔化狀態，通過籽晶保護器上方與籽晶槽接觸的熱偶4監控籽晶槽的溫度，該溫度稱為接種溫度。

實施例2

如圖3、4所示，與上述實施例不同的是，為了更好地保護籽晶，使它不僅不融化，而且不容易因為溫度差異較大，而產生內部缺陷，所述的第二腔室1-21呈上面大、下面小設置。使接近下爐膛5的部分腔室更小，從而使下部籽晶溫度變化更小，不易產生內部缺陷。