[发明专利]一种生长晶体材料时的温度梯度控制装置及其方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种晶体材料的生长设备，具体地说本发明涉及一种生长蓝宝石、多晶硅或单晶硅等晶体材料时的加热温度梯度控制装置及其方法。 

【背景技术】

在多晶硅、单晶硅或蓝宝石等晶体材料生长过程中，其中多晶硅碎料在坩埚中生长成为多晶硅锭以及多晶硅转换为单晶硅时，通过对坩埚的加热温度控制，并利用设置在坩埚底部的籽晶，使融化并围绕籽晶新生长的晶体按照籽晶的晶粒排列方式进行排列：其中籽晶为单晶时，新生长晶体的硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，这些晶核长成与籽晶晶面取向相同的晶粒，则新生长的晶体就是单晶硅；若籽晶为多晶时，这些晶核长成与籽晶晶面取向不同的晶粒，则新生长的晶体就是多晶硅；但是这个过程必须是在一个密闭的炉体内完成的。 

在新晶体生长的过程中，炉室内的坩埚需要形成下低上高的温度梯度，为了形成温度梯度，传统设备通过改变坩埚的下部保温效果，增加热量的散失以便形成坩埚所需的下低上高的温度梯度。 

也有技术是通过在下轴内通入液氦等低温流体，由低温流体实现带走坩埚下部热量的目的，从而形成坩埚上下的温度差“温度梯度”的效果；以热交换法为例，其生长方法为： 

A、首先通过加热体加热熔化坩埚内的晶体材料碎料，使碎料熔体温度保持略高于熔点5～10℃； 

B、待坩埚底部设置的籽晶上端部分被熔化时“这时晶体材料碎料也已 经融化”，开始缓慢下降炉室内的温度“同时也使坩埚的温度降低，以便融化的晶体材料碎料结晶”； 

C、对炉室内坩埚底部的下轴注入氦气，通过下轴的温度传递对坩埚底部进行强制冷却，这一过程中首先感知低温的是坩埚底部以及设置在坩埚内底部的籽晶，低温会随着籽晶向融化的晶体材料碎料辐射； 

D、融化的晶体材料就会以籽晶为核心，逐渐生长出充满整个坩埚的晶体；这便是晶体材料的结晶过程。 

上述方式在生长时所需要件包括：坩埚的底部必须与下轴紧密连接，形成温度导体；前期加热坩埚时耗热量极大；坩埚在加热过程中由于摆放角度的原因，使得加热体对于坩埚的加热不均匀，使得坩埚四周的外缘面容易形成部分距离较近处较热，其它相对于较热部分的温度较冷，这种环境下便会出现非均匀晶核。 

同理，蓝宝石的加工方法包括提拉法、坩埚下降法、导模法、热交换法、泡生法等，针对目前对蓝宝石制备的方法，以上制备方法都采用支撑体旋转带动坩埚同步旋转的方案，坩埚内的蓝宝石结晶过程受到微震使得结晶过程出现晶震现象而形成部分晶体错位，造成品质下降。即使是温度梯度法生长蓝宝石，也会出现坩埚在加热过程中摆放角度的偏差，使得加热体对于坩埚的加热不均匀，生长出的蓝宝石容易出现非均匀晶核。 

【发明内容】

为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种生长晶体材料时的温度梯度控制装置及其方法，本发明通过将套筒套在坩埚的外部，在坩埚底部与套筒底部的立轴高度较高，并且立轴在套筒的底部高度也较高，在通入惰性气体后，所述立轴的散热面积也明显加大，使得坩埚底部与套筒内的底部之 间形成低温区，所述套筒的底部下面也形成低温区；进一步支持了本发明获取了加热温度梯度的诉求。 

为了实现上述发明的目的，本发明采用如下技术方案： 

一种生长晶体材料时的温度梯度控制装置，包括炉室、发热体、套筒、坩埚和冷却介质降温机构，在炉室内设有坩埚，坩埚的下部处于套筒内，在套筒外部设有发热体；冷却介质降温机构设置在套筒内的下部；由冷却介质降温机构形成坩埚上部温度高下部温度底的温度梯度控制。 

所述的生长晶体材料时的温度梯度控制装置，所述冷却介质降温机构包括下轴、套筒，所述下轴内设有可循环的冷却介质，套筒内所述下轴中的冷却介质形成坩埚的温度梯度控制，所述坩埚的下部与下轴的上端连接。 

所述的生长晶体材料时的温度梯度控制装置，在发热体的外部炉室内设有保温罩。 

所述的生长晶体材料时的温度梯度控制装置，套筒上部设有向上延伸部分，套筒的向上延伸部分内侧包裹所述坩埚的外部上面。 

所述的生长晶体材料时的温度梯度控制装置，所述下轴上部至下端为空心结构，在空心结构的下轴内设有管路，所述管路的内部为冷却介质通路，冷却介质顺着管路内上流后沿着管路与下轴的空心结构之间回流，形成坩埚的底部降温结构；或所述管路与下轴的空心结构之间的外部为冷却介质通路，冷却介质顺着管路外与下轴的空心结构之间上流后沿着管路内回流，形成坩埚的底部降温另一替换结构。