生長晶體的方法和設備的制作方法

專利名稱：生長晶體的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及人工晶體的生長，特別涉及產生特定形狀晶體的受控水熱晶體生長的方法和設備。
水熱晶體生長就是在高溫高壓下從溶液中生長晶體。在典型的工業(yè)過程中，一個立式高壓釜裝著浸入水溶液中的培養(yǎng)物質原料。高壓釜的上部含有一些懸掛的籽晶片。高壓釜被加熱提高溫度和壓力使得培養(yǎng)物質溶于水溶液中并由此形成培養(yǎng)溶液。一般說來，高壓釜被加熱到350℃左右，壓力為10000p.s.i。高壓釜內的溫度梯度產生對流，使得培養(yǎng)溶液向上運動。然后冷卻培養(yǎng)溶液并在籽晶片上沉積，從而引起晶體生長。
水熱晶體生長法用于生長由培養(yǎng)物質在純水中溶解度非常小的物質構成的晶體。部分這樣的物質包括石英(SiO2)，氧化鋅(ZnO)，方解石(CaCO3)和氧化鋁(Al2O3)。雖然這些物質在水熱條件下更容易溶解，水溶液中一般包括礦化劑來達到合理的溶解度。在商業(yè)晶體生長中，幾乎所有的礦化劑都是堿(一般選氫氧化鈉和碳酸鈉)，但是中性或酸性物質也可以使用。礦化劑的選擇取決于要生長的物質及可接受的雜質。
水熱生長的最商業(yè)化的晶體是石英晶體。石英晶體被廣泛地用在電子工業(yè)中來生產石英振蕩器片。石英晶體也可用于光學攝譜儀和其它光學儀器中。經過人工生長，石英晶體被制材并切成晶片。當前，大多數買主要求石英晶片是圓形，部分切掉以形成基準平面。晶片從基準平面垂直延伸到晶片外沿的長度被稱為晶片的切片高度。買主一般要求圓形石英晶片的直徑或者是3英寸(3”)或者是100毫米(100mm)。
在晶體學中，晶體的軸通常被命名為x,y，和z軸。每一個軸都與其它兩個軸成一定角度。自然形成的石英晶體是伸長的并且一般具有六邊形截面，六個小平面中每一個都有棱錐端。自然形成的石英晶體的z軸沿軸向延伸，有三個x軸和三個y軸垂直于z軸。x軸與晶體的邊相交成一個角度，而y軸與這樣的邊垂直。
在商業(yè)生長工藝中，晶體在z-軸方向上的生長通常優(yōu)于在y-軸或x-軸方向上的生長。在y-軸方向上的生長實際是不存在的。在x-軸方向上，生長很快遞減到邊緣。而在z-軸方向上的生長快且不會很快遞減到邊緣。此外，在z軸方向上的生長混入的雜質遠遠小于其它方向。
在z-軸方向上的優(yōu)先生長的優(yōu)點適合采用籽晶。引入本文作為參考文獻的到期的美國專利3,291,575號(Sawyer)，描述了在y-軸方向上長度最長，在z-軸方向上長度最短的籽晶片。按此方式，晶片的長度在y-軸方向上，寬度在x-軸方向上，而厚度在z-軸方向上。這樣的籽晶片經常被稱為z-切。z-切籽晶片的主要面基本垂直于z-軸或基本平行于由x-軸和y-軸所決定的平面。這個主面及其z-切籽晶片反面的對應主面在z-切籽晶片上具有最大的面積。在這種情況下，z-切籽晶片促進了在優(yōu)先的z-軸方向上的晶體生長。
在現有的許多商業(yè)生長的工藝中，晶片自由地懸掛在高壓釜中。結果，晶體在不希望的方向上生長，例如，在x-軸方向上生長。在這些不希望的方向上的晶體生長會導致出現裂紋并且產生不利于在商業(yè)中有效應用的形狀和大小的晶體。
為了避免不希望的晶體生長，某些現有技術工藝通過使用節(jié)流板或節(jié)流屏來抑制x-軸方向上的晶體生長。這些現有技術工藝的實例見那些被引入本文作為參考文獻的美國專利中的描述，這些專利包括US5,069,744(Borodin等人)，US 3,607,108(Gehres),US 3,013,867(Sawyer),2,674,520(Sobek)和3,291,575(Sawyer)。
即使在工藝中采用節(jié)流屏來抑制晶體在不希望方向上的生長，這個工藝中生長出的晶體還會具有不利于在商業(yè)中應用的形狀。節(jié)流屏將產生具有平面邊和尖銳角度的晶體。為了生產所需的圓形晶片，必須大量切磨來去掉平面邊和尖銳角度。
綜上所述，需要一種方法和裝置來形成有效應用形狀的晶體。本發(fā)明就是有關這種方法和裝置。
本發(fā)明所提供的能夠形成具有有效應用形狀的晶體的方法和裝置正是所希望得到的，是一個方便的方法。本發(fā)明提供了一種由籽晶定形生長晶體的裝置。該裝置包括放置籽晶用的外罩，該外罩有多個伸出的通道。該裝置還包括在外罩內固定籽晶的夾持結構。
本發(fā)明還提供了水熱法生長晶體的成套設備，該成套設備包括裝有原材料和礦化溶液吊籃的壓力容器，吊籃浸入礦化溶液中；還有帶固定框架的支架，支架放置在壓力容器中，位于礦化溶液的上方。所提供的籽晶片具有兩個相對的主面。所述裝置懸掛在固定框架上。該裝置包括外罩和夾持結構，外罩環(huán)繞著籽晶片，夾持結構將籽晶固定在外罩內，以使籽晶片完全位于外罩內。
本發(fā)明還提供了生產晶體的方法。根據該方法來選擇壓力容器，礦化溶液，原材料，加料吊籃，和具有主面的籽晶片。也可選擇具有環(huán)繞籽晶片的外罩的裝置。壓力容器中部分地裝有礦化溶液，加料吊籃內裝有原材料。將加料吊籃放入壓力容器中，使其浸入礦化溶液中。籽晶片固定在外罩內，使其完全位于外罩內。所述裝置懸掛在壓力容器中，位于礦化溶液之上。將壓力容器密封，并加熱到能夠在籽晶片上發(fā)生水熱晶體生長的溫度。
本發(fā)明也提供生產大致圓形晶片的方法。在這個方法中，壓力容器要選擇包含裝有原材料的吊籃以及礦化溶液。將吊籃浸入礦化溶液中。要選擇具有主面的籽晶片。還需要選擇帶有環(huán)繞籽晶片的外罩的裝置。該外罩的橫截面一般是具有長軸和短軸的橢圓形。籽晶片固定在外罩內，使籽晶片的主面沿橫截面的長軸放置。所述裝置懸掛在壓力容器中，位于礦化溶液之上。將壓力容器密封，并加熱到能夠在籽晶片上進行水熱晶體生長的溫度。晶體可以在籽晶片上連續(xù)生長，直到主面上的晶體長到外罩，因而會形成大致圓柱形晶體。從壓力容器中取出所述裝置，將晶體從裝置中取出。以一個銳角沿晶體的縱軸橫切制成多個平行切片。
本發(fā)明還提供了生成晶體的方法，其中可選擇容器，原材料，籽晶。所述裝置還具有環(huán)繞籽晶的外罩，該外罩有多個伸出的通道。壓力容器中部分地裝有原材料。籽晶固定在外罩內，使其完全位于外罩內。將所述裝置放入容器中，并將容器加熱到晶體能夠在籽晶上生長的溫度。
通過以下描述及附圖可以更好地理解本發(fā)明的特征，方案，和優(yōu)點。


圖1是高壓釜的示意圖；圖2是第一種固定籽晶的組件的正透視圖；圖3是第一種固定籽晶的組件的底部視圖；圖4是上突起的剖面圖；圖5是下突起的剖面圖；圖6是第二種固定籽晶的組件的背透視圖；圖7是第三種固定籽晶的組件的正透視圖；和圖8是第三種固定籽晶的組件的俯視圖。
應該注意到，在以下的詳細描述中，相同的部件以相同的標號表示，盡管它們是用在本發(fā)明不同的實施方案中。還應該了解地是，為了使本發(fā)明簡潔明了，附圖并不嚴格按比例繪制而且本發(fā)明的某些特征只用示意圖來表示。
現在來參看圖1，它表示使用本發(fā)明方法和設備的高壓釜10的示意圖。高壓釜10一般為圓柱形，其內徑大約是13英寸(33厘米)，內部容積大約為78.2加侖(296升)。高壓釜具有用頂蓋12密封的頂部開口。頂蓋12可以是Bridgman型或Grayloc型。
高壓釜10有礦物溶解區(qū)或供料室14，以及籽晶生長室16。供料室14和籽晶生長室16被一個多孔擋板18隔開。電阻加熱器20被固定在高壓釜10的外表面。控制系統(tǒng)(未示出)與加熱器20相連并且能夠獨立地控制供料室14和籽晶生長室16的溫度。數據采集系統(tǒng)(未示出)能夠監(jiān)測高壓釜10內的運行參數，諸如溫度和壓力。
很明顯本發(fā)明不限于上述高壓釜。具有相同功能的且不超出本發(fā)明的范圍及本質，正如所附權利要求中提到的那樣的其它高壓釜也可以使用。
加料吊籃22中裝有晶體原材料24。優(yōu)選地，晶體原材料24由石英組成。然而，其它類型的晶體原材料也可以使用，例如，氧化鋅(ZnO)，方解石(CaCO3)和氧化鋁(Al2O3)。裝有晶體原材料或原材料24的加料吊籃22位于供料室14中。具有多個垂直排列固定框架28的支架26位于籽晶生長室16內，限定了多個豎直的籽晶生長排30。多個固定籽晶的組件32懸掛在每個固定框架28上。每個固定籽晶的組件32保持一個籽晶或籽晶片33(如圖2所示)。
將優(yōu)選由碳酸鈉或氫氧化鈉，或二者的混合物構成的母液或礦化溶液，放入高壓釜10中，浸沒原材料24。優(yōu)選情況下，礦化溶液占高壓釜10大約78％的容積。所用的溶液優(yōu)選大約7％的碳酸鈉，或大約5％的氫氧化鈉溶液。
現在參看圖2，這是一個固定籽晶的組件32的透視圖，一部分被剖掉以便更好地表示內部情況。固定籽晶的組件32是根據本發(fā)明的第一個實施方案構成的，一般包括一個外罩或節(jié)流器34，上部支架36，下部支架38。固定籽晶的組件32用于生長單個石英晶體并由此得到多個圓形石英晶片。
節(jié)流器34內部是空心的，具有開放的頂部和底部40,42。節(jié)流器34優(yōu)選由低碳鋼板形成，具有第一和第二側部44,46(圖3更清楚)。鋼板被加工成型使節(jié)流器34具有圓柱形形狀。由圖3可以看得更清楚，節(jié)流器34的橫截面(與節(jié)流器34的縱軸垂直剖取)象被切掉一部分形成直線邊緣的橢圓。既然橫截面通常是橢圓形，節(jié)流器34其寬度沿橫截面長軸方向，其深度沿截面短軸方向。以后還將更詳細地描述，節(jié)流器34的寬度和深度取決于想要生產的石英晶片的大小。如果要求的是3”晶片，節(jié)流器34寬度的優(yōu)選范圍是大約3.0”到3.75”，進一步優(yōu)選為3.25”，深度的優(yōu)選范圍是2.3”到3.3”，進一步優(yōu)選為2.8”。如果要求的是100mm晶片，節(jié)流器34寬度的優(yōu)選范圍是大約4.0”到4.75”，進一步優(yōu)選為4.25”，深度的優(yōu)選范圍是3.3”到4.3”，進一步優(yōu)選為3.8”。節(jié)流器34長度的優(yōu)選范圍是大約12”到18”，進一步優(yōu)選為12.5”。
除了3”或100mm晶片，節(jié)流器34的大小也可以生產其它尺寸的晶片。例如，改變節(jié)流器34的大小也可以生產6”片。
現在參看圖3，節(jié)流器34有第一和第二主壁48,50以及弧形第一側壁52。第一和第二側部44,46互相重疊并被上部和下部固定器54,55可松脫地固定在一起，形成第二側壁53。上部和下部固定器54,55一般可以是具有兩個從彎曲處伸出的支柱的U-型釘。
節(jié)流器34的第一和第二側部44,46各限定一對上面的孔(未圖示)和一對下面的孔(未圖示)。第一側部44的上面和下面的孔分別與第二側部46的上面和下面的孔對齊。上部釘54的支柱從上開口伸出，同時，下部釘55的支柱從下開口伸出。對于每一個上下固定器54,55來說，支柱向里彎曲，彼此相對，以便把第一和第二側部44,46緊夾在彎曲處與支柱之間。
當上下固定器54,55的支柱松開，第一和第二側部44,46可以移開打開節(jié)流器34，從而提供進入節(jié)流器34的入口。在圖3中，上下固定器54,55表示為松開的狀態(tài)，而且第二側部46表現出向外伸展，遠離第一側部44。
多個上部突起56和下部突起58在節(jié)流器34的第一和第二主壁48,50上形成。上部突起56排列成圖案，其上邊界從節(jié)流器34的頂端40向下隔開一定間距，其下邊界大約處于沿節(jié)流器34長度方向的中部。下部突起58排列成圖案，其下邊界從節(jié)流器34的底端42向上隔開一定間距，其上邊界大約處于沿節(jié)流器34長度方向的中部，與上突起56的下邊界鄰近。
每一個上下突起56,58通常為半圓錐形。但是，上下突起56,58方向相背。每一個上突起56從閉合的底部到頂部向外向上張開，限定一個方向朝上的開口60，而每一個下突起58從閉合的頂部到底部向外向下張開，限定一個方向朝下的開口62(如圖3所示)。
現在參看圖4和圖5，分別是上突起56和下突起58的剖面圖。上突起限定了從內向外通過節(jié)流器34向上圓弧延伸的通道57。下突起限定了從內向外通過節(jié)流器34向下圓弧延伸的通道59。上下通道57,59不是沿與節(jié)流器34的橫截面平行的方向直線延伸的。相反，在籽晶片33的兩個主面94上的晶體生長沿與節(jié)流器34的橫截面平行的方向直線伸展，這將在以后更全面地討論。因此，在節(jié)流器內生長的晶體不能通過上下通道57,59生長。
雖然晶體不能通過上下通道57,59生長，但是生長溶液可以通過上下通道57,59流動。以這種方式，上下通道57,59允許生長溶液通過第一和第二主壁48,50輸送和轉移，使其接觸籽晶片33的兩個主面94。當節(jié)流器34內的晶體接近第一和第二主壁48,50時，這種生長溶液通過第一和第二主壁48,50轉移非常關鍵。如果此時生長溶液不能通過第一和第二主壁48,50轉移，兩個主面94缺乏生長溶液，并且晶體生長未達到第一和第二主壁48,50就會停止。因此，上下通道57,59允許晶體長大，但不能通過第一和第二主壁48,50。
回來再參看圖2，上支架36包括一個長長的頂棒64固定在節(jié)流器34上，伸向頂端40。頂棒64的一端穿過在節(jié)流器34第一側壁52上形成的開口，而頂棒另一端(未表示)則穿過在節(jié)流器34第一和第二側部44,46上形成的對齊的開口。頂棒64沿節(jié)流器34的橫截面的主軸放置，它可以在節(jié)流器34的開口上滑行。
上支架36還包括一個固定片66和一個頂夾68。固定片66與頂棒64固定在一起并且與彈簧70的頂端相連。頂夾68是一個具有相對端部的長形本體。一對分隔開的臂72從每一個端部向下延伸。頂夾68本體與彈簧70的底端固定在一起，以保證其與固定片66彈性連接。臂72將籽晶片33的頂部夾緊。
下支架38包括一個長形的底棒80，固定在節(jié)流器34上，伸向底端42。底棒80的一端穿過在節(jié)流器34第一側壁52上形成的開口，而底棒80另一端(未表示)則穿過在節(jié)流器34第一和第二側部44,46上形成的對齊的開口。底棒80與上支架36的頂棒64對齊，而沿節(jié)流器34截面的主軸放置，它可以在節(jié)流器34的開口上滑行。
下支架38包括一個底夾82。底夾82是一個具有相對端部的長形本體。一對分隔開的下臂84從每一個相對端部向下延伸。兩對分隔開的上臂86在下臂84之間，從夾子本體向上延伸。下臂84與底棒80扣緊，而上臂86將籽晶片33的下部夾緊。
籽晶片33一般為長方形并且有z-切。因為如此，籽晶片33的長度在晶體的y-軸方向上，寬度在晶體的x-軸方向上，厚度在晶體的z-軸方向上。在這種情況下，籽晶片33的頂邊和底邊88,90垂直于y-軸，側邊92垂直于x-軸，兩個相背的主面94垂直于z-軸。
借助于緊夾在頂夾68的臂72之間籽晶片33的頂部與緊夾在底夾82的上臂86之間的籽晶片33底部，籽晶片33就被固定地放置在節(jié)流器34內。籽晶片33的頂邊88緊接著頂夾68本體，而籽晶片33的底邊90緊接著底夾82本體。籽晶片33的寬度沿節(jié)流器橫截面的主軸延伸，而籽晶片33的側邊92則分別靠近節(jié)流器34的第一側壁52和節(jié)流器34的第一側部44。籽晶片33的主面94垂直于節(jié)流器34的橫截面放置并且自節(jié)流器34的第一和第二主壁48,50向內隔開一段距離。因此，籽晶片33的主面94朝向節(jié)流器34內的上下通道57,59，而晶片33的z-軸沿平行于節(jié)流器34橫截面的方向延伸。因此，上下通道57,59在籽晶片33的z-軸方向上是非線性的。
將所有的籽晶片33按前面所述方式被固定于固定籽晶的組件32內后，固定籽晶的組件32懸掛于支架26的固定框架28之上。在每一排30內及30之間固定籽晶的組件32被隔離開一定距離，以便允許液體在每個固定籽晶的組件32之間流動。如果設定節(jié)流器34的尺寸生產3”的晶片，優(yōu)選采用五個(5)籽晶生長排30，當優(yōu)選每排30中放置八個(8)晶體生長組件(也稱固定籽晶的組件)32時，總共可放置四十個(40)固定籽晶的組件32。如果設定節(jié)流器34尺寸為生產100mm晶片，優(yōu)選使用五個(5)籽晶生長排30，優(yōu)選每排30中放置六個(6)固定籽晶的組件32，總共可放置三十個(30)固定籽晶的組件32。當所有的固定籽晶的組件32被懸掛在固定框架28上后，把支架26從底部開口處插入高壓釜10中。在高壓釜內節(jié)流器34沿著其長度延伸方向豎直放置。
一旦固定籽晶的組件32被放入高壓釜10中，密封頂蓋12，加熱器20通過控制系統(tǒng)加熱。加熱器升高籽晶生長室16和供料室14的溫度，直至達到所設定的溫度。然后控制系統(tǒng)調節(jié)加熱器20以使籽晶生長室16和供料室14的溫度維持在設定值。最好將供料室14的設定溫度編程，以使溫度范圍在345℃到360℃。最好將籽晶生長室16的設定溫度編程為比供料室的設定溫度低5℃到10℃，以保證在擋板18兩邊產生溫度梯度。高壓釜10內的壓力保持在大約11000psi到13000psi的范圍內，優(yōu)選為大約12000psi。
高釜的壓力和溫度的升高使得加料吊籃22中的原材料24溶解在礦化溶液中從而形成生長溶液。由于供料室14與籽晶生長室16之間的溫差，生長液的熱流從供料室14向上流動進入籽晶生長室16。該熱流沿籽晶生長室16的上流部分向上流動，然后流向頂部開口處，改變方向和順籽晶生長室16下流部分向下流動。以這種方式，生長液的環(huán)流連續(xù)在供料室14與籽晶生長室16之間運動。
對于每個固定籽晶的組件32，生長液環(huán)流進入節(jié)流器34，與晶片33接觸，然后離開節(jié)流器34。如果固定籽晶的組件32位于籽晶生長室16的上流部分，生長液通過底端42和節(jié)流器的下通道59進入節(jié)流器34，并且通過頂端40和節(jié)流器的上通道57離開節(jié)流器34。反之，如果固定籽晶的組件32位于籽晶生長室16的下流部分，生長液通過頂端40和節(jié)流器的上通道57進入節(jié)流器34，并且通過底端42和節(jié)流器的下通道59離開節(jié)流器34。以這種方式，不管節(jié)流器34位于籽晶生長室16的什么部分，節(jié)流器34都適合生長液的環(huán)流。
在籽晶生長室16內，生長液冷卻使得溶解石英的溶液變成過飽和，結果隨著生長液流過籽晶片33，生長液在晶片33上沉積石英，而導致晶體生長。
對于每一個籽晶片33，晶體在x-軸方向側邊92上的生長完全被節(jié)流器34的第一側壁52和節(jié)流器34的第一側部44抑制。在y-軸方向頂邊和底邊88,90上的生長可以忽略。在z-軸方向上的生長很快。因此，晶體生長幾乎全部發(fā)生在z-軸方向的兩個主面94上，垂直于籽晶片33的主面94，平行于節(jié)流器34的橫截面。
隨著晶體的生長，菱形表面在不希望的方向，即z-軸以外的方向上形成。但是，晶體在這些不希望的菱形表面方向上的生長比晶體在z-軸方向的主面94上的生長要慢。
晶體在z-軸方向上的連續(xù)生長，直到它達到節(jié)流器34才停止，此時它受到第一和第二主壁48,50有形地抑制。既然晶體生長在z-軸方向上是線性的，而在z-軸方向的上下通道57,59是非線性的，那么晶體生長不能通過上下通道57,59延伸。因此，晶體生長在z-軸方向上停止。
從以前的描述中可以了解，上下通道57,59不能通過節(jié)流器34在籽晶片33的z-軸方向上線性延伸。上下通道57,59可以具有與本文所描述的不同的形狀。例如，上下通道57,59可以是螺旋形的。
既然在z-軸方向上的晶體生長受到抑制，事實上，晶體在不希望的菱形表面方向上的生長繼續(xù)進行并且加快。這種在不希望的方向上的晶體生長持續(xù)到它達到節(jié)流器34才停止，此時它也受到有形地抑制。這樣，晶體填滿了節(jié)流器34的內部容積。因而呈現圓柱體形狀，一部分被切掉形成基準平面，其橫截面類似橢圓。
從大量的晶體生長數據來看，在高壓釜10中對于給定的操作參數的晶體生長能夠以很高的精確度跟蹤。因此晶體充滿節(jié)流器34所用的時間不必使用晶體稱重就能夠以很高的精確度確定。既然在晶體充滿節(jié)流器34后，節(jié)流器34徹底抑制晶體生長，那么晶體的過度生長是不用考慮的。因此，在計算生長時間時需要加入額外時間以保證完成晶體生長。生產3”片的晶體的生長時間大約為四個月，而生產100mm片晶體的生長時間大約為六個月。
一旦高壓釜10的運行完成，控制系統(tǒng)關閉加熱器20，讓高壓釜10冷卻。隨后打開頂蓋12從高壓釜10中取出支架26。然后從支架26上取下固定籽晶的組件32并且從中取出晶體。對于每一個固定籽晶的組件32，松開上下固定器54,55，分開第一和第二側部44,46以便打開節(jié)流器34，從固定籽晶的組件32中取出晶體。然后通過節(jié)流器34，從固定籽晶的組件32中取出帶有或不帶有上下支架36,38的晶體。
當晶體從固定籽晶的組件32中取出后，將晶體切成多個晶片。準確地說，通過晶體縱軸(晶體的y-軸)的橫截面，與z-軸成一個銳角進行平行切割。這個角度由顧客要求決定。通常范圍是31°到43°。當然，切片角度也可以超出此范圍。以一個銳角切割晶體會形成圓形晶片。更準確的說，是一部分被切掉形成基準平面的圓形。
如前所述，節(jié)流器34的深度由晶體切割的角度以及所需晶片的直徑來決定。準確地說，深度等于所需直徑(加上機械損耗)乘以晶體切割角度的余弦。為了避免多個不同大小的節(jié)流器34，節(jié)流器34的深度按31°計算，因為大多數晶體的切割至少按31°進行。如果特殊晶體的角度大于31°，晶體可被切磨以減小寬度。正如前面提到的，如果節(jié)流器34定為生產3”晶片，深度優(yōu)選大約為2.8”，如果節(jié)流器34定為生產100mm晶片，深度優(yōu)選大約3.8”。
節(jié)流器的寬度由薄片的扇形高度決定。準確地說，寬度等于扇形高度加上機械損耗。如前所述，如果設定節(jié)流器34生產3”晶片，寬度優(yōu)選為3.25”，如果設定節(jié)流器34生產100mm晶片，寬度優(yōu)選大約4.25”。
晶體被切割后，晶片暫時粘在一起重新形成晶體。然后晶體在車床上切磨除去可能存在的不規(guī)則表面。切磨完成后，溶解掉膠水重新得到晶片。
應該了解的是，本發(fā)明中的節(jié)流器不僅限于通常具有橢圓橫截面的圓柱形。節(jié)流器可以是其它形狀。生產要求的晶體形狀決定所用節(jié)流器34的形狀。
現在參看圖6，它表示的是本發(fā)明的第二個實施方案。確切地說，圖6表示的是具有與第一個實施方案中固定籽晶的組件32基本結構相同的第二種固定籽晶的組件100的背視圖，區(qū)別在后面敘述。節(jié)流器34被第二種節(jié)流器102所取代。第二種節(jié)流器102優(yōu)選由長方形的低碳鋼板組成。第二種節(jié)流器102包括第一和第二側部44,46，以及兩個平面主壁104,106，和第一和第二側壁108,109。上下突起56,58以和節(jié)流器34同樣的圖案在主壁104,106上形成。第一和第二側部44,46以和節(jié)流器34同樣的方式可松脫地固定在一起以形成第二側壁109。
籽晶片33被固定放置在第二種節(jié)流器102之內。籽晶片33的側邊92分別與第二種節(jié)流器102的第一側壁108和第一側部44靠近，以及籽晶片33的兩個主面94朝向第二種節(jié)流器102的上下通道57,59。第二種節(jié)流器102沿其長度延伸方向豎直放置在高壓釜10中。
在與第一個實施方案中所描述的相同條件下，在第二種節(jié)流器102中生長第二種晶體。但是第二種晶體大體上是長方形而不是通常的圓柱形。第二種晶體可以被切割，形成多個長方形y-切晶片，或多個長方形籽晶片。為了生成長方形y-切晶片，需要進行多次通過基本垂直于晶體縱軸(結晶體y-軸)的平行切割。為了生產長方形的籽晶片，要進行多次通過平行于結晶體y-軸的平行切割。
應該了解地是，本發(fā)明不限于使用z-切籽晶片。也可以使用不同切法的籽晶片。
現在參看圖7和圖8，它表示的是本發(fā)明的第三個實施方案。確切地說，圖7和圖8分別表示具有與第一個實施方案中固定籽晶的組件32基本結構相同的第三種固定籽晶的組件110的正視圖和俯視剖面圖，區(qū)別在后面敘述。節(jié)流器34被第三種節(jié)流器112所取代，上下支架36,38被多個側面夾114取代。第三種節(jié)流器112與節(jié)流器34結構基本相同，只是節(jié)流器34的頂端和底端按一個角度被切掉，提供了互相平行的有傾斜端的第三種節(jié)流器112。在這種情況下，第三種節(jié)流器112具有類似平行四邊形的形狀。
第二籽晶片118被側夾114固定在第三節(jié)流器112內。第二籽晶片118基本上是圓形，且被按照平行于晶體母體的菱形面切割。因此，籽晶片，例如第二晶片118被認為具有菱形或偏菱形切面。第二籽晶片118具有兩個相背的主面120和一個環(huán)形邊122。主面120與第二籽晶片118的結晶z-軸以約38.25°相交。
第二籽晶片118放置在節(jié)流器112內，使得主面120與傾斜端平行放置。環(huán)形邊122靠近第三種節(jié)流器112的第一和第二主壁48,50以及第一側壁52和第一側部44。
第三種固定籽晶的組件110通過與第三種節(jié)流器112相連的導線(未示出)懸掛在支架26的固定框架28上，第三種節(jié)流器112的寬度豎直伸展。在這種情況下，第二籽晶片118被放置在高壓釜10中，主面120如圖7所示豎直伸展。
在與第一個實施方案中所描述的相同條件下，第三種晶體在第三種節(jié)流器112中生長。第三種晶體通常是具有基準平面的圓柱形，并具有兩個相背的互相平行的傾斜端。第三種晶體適合生長無籽晶的晶片。為了生產無籽晶圓形晶片，需要進行多次通過第三種晶體平行于第二籽晶片118的平行切割。
雖然本發(fā)明的優(yōu)選的實施方案已經被表示和描述，應該了解，可以進行各種修改和各部分之間的重新排列而不超出本發(fā)明公開的和請求保護的范圍。例如，節(jié)流器34，第二種節(jié)流器102，和第三種節(jié)流器112可以不用低碳鋼制成。此外，具有與上下通道57,59不同形狀的通道可以通過節(jié)流器34，第二種節(jié)流器102，和第三種節(jié)流器112形成。上下通道57,59也可以全部位于節(jié)流器34，第二種節(jié)流器102，和第三種節(jié)流器112之上，而不是僅僅位于前壁48,104和后壁50,106上。
還應該了解的是本發(fā)明可以用于生長石英晶體以外的其它晶體，諸如，氧化鋅(ZnO)，方解石(CaCO3)和氧化鋁(Al2O3)。
權利要求
1．一種由籽晶定形生長晶體的裝置，所說裝置包括放置籽晶用的外罩，所說外罩有多個伸出的通道；和外罩內的固定籽晶的夾持結構。
2．權利要求1的裝置，其中所述通道在平行于外罩的橫截面的方向上是非線性的。
3．權利要求1的裝置，其中所述外罩具有相對開放的端部。
4．權利要求3的裝置，其中所述外罩包括兩個相對的主壁和相對的第一和第二側壁，所說的主壁具有在其上形成的通道。
5．權利要求4的裝置，其中所述的兩個主壁和第一側壁是弧形的，第二側壁是平面的。
6．權利要求4的裝置，其中所述的兩個主壁及第一和第二側壁由具有相對的側部的金屬板一體形成。
7．權利要求6的裝置，其中所述金屬板的側部被固定器固定在一起，以便形成第二側壁；并且固定器可以被松開，以使所述金屬板的側部可被移開，由此獲得進入外罩內部的入口。
8．權利要求4的裝置，其中所述每一個主壁上的通道是由多個方向朝上的通道和多個方向朝下的通道組成。
9．權利要求8的裝置，其中在所述每一個主壁上形成多個上突起和多個下突起；并且其中上突起限定了方向朝上的通道，而下突起限定了方向朝下的通道。
10．權利要求9的裝置，其中所述上下突起的形狀通常是半圓錐形。
11．權利要求1的裝置，其中所述外罩通常具有橢圓形橫截面。
12．權利要求1的裝置，其中所述外罩為長方形。
13．用于晶體水熱生長的成套設備，所說設備包括容納裝有原材料和礦化溶液吊籃的壓力容器，所說吊籃被浸入礦化溶液中；具有固定框架的支架，所說支架被放置在壓力容器中，位于礦化溶液之上；具有兩個相背的主面的籽晶片；和自固定框架懸掛下來的裝置，所說裝置包括環(huán)繞著籽晶片的外罩；以及將籽晶片固定在外罩內使得籽晶片完全位于外罩內的夾持結構。
14．權利要求13的成套設備，其中所述原材料和籽晶片包括石英。
15．權利要求13的成套設備，其中所述外罩包括兩個相對的主壁和相對的第一和第二側壁，所說的主壁各自具有在其上形成的多個通道。
16．權利要求15的成套設備，其中所述外罩還具有兩個相對開放的端部。
17．權利要求16的成套設備，其中所述夾持結構將籽晶片固定在所述外罩內，使得其主面朝向所述主壁，并且自主壁向內隔開一定距離。
18．權利要求17的成套設備，其中籽晶片基本上為長方形并且具有z-切；并且所述夾持結構固定籽晶片使得籽晶片的z-軸平行于所述外罩的橫截面。
19．權利要求18的成套設備，其中所述通道在籽晶片的z-軸方向上是非線性的。
20．權利要求16的成套設備，其中所述夾持結構將籽晶片固定在所述外罩內，使得籽晶片的主面朝向開放的端部，并且自開放的端部向內隔開一定距離。
21．權利要求20的成套設備，其中所述籽晶片基本上為圓形并具有菱形切面。
22．一種生產晶體的方法，所說方法包括以下步驟選擇壓力容器；選擇礦化溶液；選擇原材料；選擇加料吊籃；選擇具有主面的籽晶片；選擇具有環(huán)繞籽晶片的外罩的裝置；壓力容器中部分地裝入礦化溶液；加料吊籃內裝有原材料；將加料吊籃放入壓力容器中，使其浸入礦化溶液中；將籽晶片固定在所述外罩內，使其完全位于外罩內；將所述裝置懸掛在壓力容器中，位于礦化溶液之上；密封壓力容器；將壓力容器加熱到能夠在籽晶片上進行水熱晶體生長的溫度。
23．權利要求22的方法，其中所述原材料和籽晶片包括石英。
24．權利要求23的方法，其中所述外罩有多個伸出的通道。
25．權利要求24的方法，其中所述通道在籽晶片的z-軸方向上是非線性的。
26．權利要求24的方法，其中所述外罩由具有相對的側部的金屬板形成，所說金屬板的兩個側部互相重疊。
27．權利要求26的方法，其中所述外罩的橫截面通常是橢圓形。
28．權利要求26的方法，其中所述金屬板的側部被固定器固定在一起；以及固定器可以被松開，使得金屬板的側部可被移開，由此獲得進入外罩內部的入口。
29．權利要求26的方法，該方法還包括以下步驟讓晶體生長在籽晶片上連續(xù)進行，直到主面上的晶體生長到達所述外罩；冷卻壓力容器；打開壓力容器；從壓力容器中取出所述裝置；松開外罩的固定器；移開金屬板側部；以及從外罩中取出晶體。
30．一種生產通常為圓形晶片的方法，所說方法包括以下步驟選擇容納裝有原材料和礦化溶液吊籃的壓力容器，將所說的吊籃浸入礦化溶液中；選擇具有主面的籽晶片；選擇具有環(huán)繞著籽晶片的外罩的裝置，所說外罩一般具有長軸和短軸的橢圓形橫截面；將籽晶片固定在外罩內，使其主面沿橫截面的長軸放置；將所述裝置懸掛在壓力容器中，處于礦化溶液之上；密封壓力容器；將壓力容器加熱到能夠在籽晶片上進行水熱晶體生長的溫度；讓晶體生長在籽晶片上連續(xù)進行，直到主面上的晶體生長達到外罩而形成通常的圓柱形晶體；從壓力容器中取出所述裝置；從所述裝置中取出晶體；以一個銳角沿晶體的縱軸橫切割成多個平行切片。
31．權利要求30的方法，其中所述原材料和籽晶片包括石英。
32．權利要求31的方法，其中所述外罩具有多個伸出的通道。
33．權利要求32的方法，其中所述通道在籽晶片的z-軸方向上是非線性的。
34．一種生產晶體的方法，所說方法包括以下步驟選擇一個容器；選擇原材料；選擇籽晶；選擇具有環(huán)繞著籽晶的外罩的裝置，所說外罩具有多個伸出的通道；壓力容器中部分地裝有礦化溶液；將籽晶固定在外罩內，使其完全位于外罩內；將所述裝置放入容器中；以及將容器加熱到能夠在籽晶上進行晶體生長的溫度。
35．權利要求34的方法，其中所述原材料和籽晶包括石英。
36．權利要求34的方法，其中所述通道在籽晶的z-軸方向上是非線性的。
37．權利要求36的方法，其中所述外罩包括兩個相對開放的端部，兩個相對的主壁和相對的第一和第二側壁，所說的主壁是弧形的并且具有在其上形成的通道。
38．權利要求37的方法，其中所述籽晶是一個具有兩個相背的主面的片；以及所述籽晶被固定在外罩內，使得籽晶片的主面朝向外罩的主壁，并且自主壁向內隔開一定距離。
全文摘要
在含有浸入礦化溶液的原晶的壓力容器中,進行水熱生長晶體的方法和裝置。將所述裝置放入壓力容器中,懸于礦化溶液的上方。所述裝置包括具有伸出通道的兩個相對的主壁的外罩。外罩完全環(huán)繞具有兩個相背的主面的籽晶片。一個夾持結構將籽晶片固定在外罩內,使得籽晶片的主面自主壁向內隔開一定距離。
文檔編號C30B7/10GK1323922SQ00108600
公開日2001年11月28日 申請日期2000年5月12日 優(yōu)先權日2000年5月12日
發(fā)明者弗拉基米爾·A·克利波夫 申請人:索耶研究產品公司