多元化合物紅外晶體生長裝置的製作方法

2023-05-10 05:19:11 1

專利名稱：多元化合物紅外晶體生長裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種多元化合物紅外晶體的生長裝置，屬於無機晶體生長技術領域。
技術背景中遠紅外相干光源在雷射領域具有非常重要的應用，在軍事領域，如雷射制導、雷射 定向紅外幹擾、雷射通訊、紅外遙感、紅外熱像儀、紅外測距、雷射瞄準等；在民用領域， 如環境中痕量氣體探測、生物、醫藥等方面都有著相當廣泛的應用。目前的雷射基質材料 已經能夠產生在一定範圍內可調諧的相干光源輸出，但由於其可調諧的波長範圍決定於激活 離子在雷射介質中的增益帶寬，因此它們的可調諧範圍及效率受到相當大的限制。多元化合 物紅外晶體如AgGaS2、 AgGaSe2、 ZnGeP2、 CdGeAs2、 LiInS2 、 LilnSe2等具有優異的非線性光 學性能，可以通過光參量放大(0PA)、光參量振蕩(0P0)等非線性頻率變換技術實現可調諧 的中遠紅外雷射輸出。上述化合物紅外晶體是公認的生長較為困難的晶體， 一般可用布裡奇 曼法(Bridgman法)進行單晶生長，傳統的Bridgman法溫場的梯度區即固-液界面處的溫度 梯度較小，且無法根據不同的晶體生長習性進行調節。這些化合物組分多，熔點差別大，飽 和蒸汽壓差別大，高溫下易分解尤其是結晶過程中，由於組成化合物各組元物質的分凝系 數不同，加之固體與熔體的導熱性能差別大，隨著晶體生長過程的變化，會使結晶區的溫場 發生變化，導致固一液界面發生漂移，很難維持晶體生長所需的平(或微凸)界面生長，所 以，通常的Bridgman方法和現有生長設備很難獲得完整性好的化合物半導體單晶體，制約紅 外晶體的應用。 發明內容本發明針對現有多元化合物紅外晶體生長技術存在的不足，提供一種能夠製備出外觀完 整、結晶性能良好的多元化合物紅外晶體的多元化合物紅外晶體生長裝置。 本發明的多元化合物紅外晶體生長裝置採用以下技術解決方案該多元化合物紅外晶體生長裝置包括爐體，爐體內的爐膛由上至下包括上部高溫區、中 部梯度區和下部低溫區三種溫區，上部高溫區和下部低溫區設置有獨立控溫的加熱器，上部 高溫區和下部低溫區均安放有控溫熱電偶，中部梯度區為帶通氣孔的隔熱耐火層，爐膛內設 有支撐晶體生長坩堝的支撐杆，支撐杆的下端與旋轉卡頭連接，旋轉卡頭與一電機連接，電 機安裝在一個螺旋移動機構上。上部高溫區的控溫熱電偶安放在上部高溫區高度的l/2 2/3位置處，下部低溫區的控溫 熱電偶安放在下部低溫區高度的1/3 1/2位置處。隔熱耐火層的上、下端設有擋板，調節上、下擋板的位置可以改變隔熱耐火板的厚度。隔熱耐火層的上面加設一層氧化鋯纖維毯，以進一歩阻擋高溫區熱量傳遞到低溫區。爐膛的頂部設有用於封閉爐膛的絕熱帽。爐膛的底部設有防止熱量向大氣傳遞的隔熱環。支撐杆內部放置有用於實時測量坩堝尖部溫度的測溫熱電偶。這種爐膛設計可通過改變高溫區、低溫區的控溫溫度以及調整中間梯度區隔熱材料和距 離，方便的實現爐膛內溫場曲線的調節，滿足不同化合物紅外晶體生長對溫場的要求。爐膛頂部用絕熱帽封閉爐膛，能夠有效的防止"煙囪效應"，確保高溫區較大的範圍內保持恆溫, 有利於多元化合物晶體原料的熔化和均勻性，底部設置的防止熱量向大氣傳遞的隔熱環能夠 確保低溫區較大範圍內保持恆溫。中間梯度區帶通氣孔的隔熱耐火板能夠有效的阻擋高溫區 熱量向低溫區向梯度區的輻射、對流和傳導，以減小高溫區的溫差，維持溫場的穩定，能夠 在梯度區有效地產生較大的溫度梯度，通過調節隔熱耐火層的厚度可以方便的調節高溫區和 低溫區的間距，從而改變溫度梯度的大小。另外採用不同隔熱效果的隔熱層，或者改變隔熱 層中間通氣孔的大小同樣可以改變溫度梯度的大小，滿足不同紅外晶體生長的需要。支撐坩 堝的支撐杆能夠實現晶體生長過程中坩堝的旋轉，支撐杆內部放置的測溫熱電偶能夠實時測 量坩堝尖部的溫度，可以實時監測到坩堝在溫場中所處的位置，對於籽晶生長工藝也有助於 實現籽晶的成功熔接。本發明的多元化合物紅外晶體生長裝置，使晶體在高溫區、低溫區和梯度區三種溫區的 不同溫度場中生長，在梯度區能夠獲得較大溫度梯度且溫度梯度可調節，從而可以根據不同 多元化合物紅外晶體的生長習性，方便的調節高溫區、低溫區的控溫溫度，獲得適合晶體生 長的溫場，維持固-液界面的穩定性，實現晶體的平界面生長。使用該生長裝置，採用布裡奇 曼法(Bridgman法)能夠製備出外觀完整、結晶性能良好的多元化合物紅外晶體。


圖1是本發明的多元化合物紅外晶體生長裝置的結構示意圖。 圖2是本發明的多元化合物紅外晶體生長裝置的溫場曲線。圖中1、爐體，2、石英管，3、石墨坩堝，4、上加熱器，5、高溫區控溫熱電偶，6、 氧化鋯隔熱毯，7、上擋板，8、隔熱耐火層，9、下擋板，10、低溫區控溫熱電偶，11、下加 熱器，12、支撐杆，13、隔熱環，14、測溫熱電偶，15、卡頭，16、絕熱帽，17、固液界面， 18、高溫區，19、梯度區，20、低溫區，21、通氣孔。
具體實施方式
本發明的多元化合物紅外晶體生長裝置如圖1所示，包括爐體l，爐體l的外殼與爐膛 之間填滿保溫材料。爐體內的爐膛由上至下包括上部高溫區18、中部梯度區19和下部低溫 區20三部分。爐膛的頂部設有由高鋁耐火磚製成的用於封閉爐膛的絕熱帽16，能夠有效的 防止"煙囪效應"，確保高溫區較大的範圍內保持恆溫，有利於多晶原料的熔化和均勻性。爐 膛底部加設一個隔熱環13，防止熱量向大氣傳遞造成熱量損失，維持低溫區的溫場穩定性， 確保低溫區較大範圍內保持恆溫。上部高溫區18內設置有由獨立的FP23精密控溫儀控制控 溫的上加熱器4，高溫區控溫熱電偶5安放在上部高溫區高度的1/2 2/3位置處。下部低溫 區20內設置有由獨立的FP23精密控溫儀控制控溫的加熱器11，低溫區控溫熱電偶10安放 在下部低溫區高度的1/3 1/2位置處。下加熱器11的中心對準爐膛中心軸線放置於爐膛， 確保恆溫區內徑向溫場的均勻。中部梯度區19為一層帶通氣孔21的由輕質莫來石隔熱材料 製成的隔熱耐火層8，隔熱耐火層8的上下端設有不鏽鋼材料的上擋板7和下擋板9，隔熱耐 火層8的厚度通過調節上擋板7和下擋板9之間的距離來調整。在隔熱耐火層8的上面放一 層氧化鋯隔熱毯6，以增加隔熱效果，隔熱耐火層8和氧化鋯隔熱毯6的內徑要與坩堝的外 徑尺寸相匹配，保證坩堝向下移動時能通過。隔熱耐火層8和氧化鋯纖維毯6是用於阻擋高 溫區的熱量向梯度區的輻射、對流和傳導，以減小高溫區的溫差，維持溫場的穩定；由於空耐火層8的中間通氣孔能有效的阻止高溫區的熱量向梯度區傳遞， 增大梯度區的溫度梯度。通過調節上擋板7和下擋板9之間的距離，改變隔熱耐火層8中間 通氣孔的大小能夠在較窄的梯度區實現較大的溫度梯度，滿足不同多元化合物紅外晶體的生 長需求。爐膛內還設有支撐坩堝3的支撐杆12，支撐杆12通過旋轉卡頭15與電機連接。晶 體生長過程中為了保持坩堝內的徑向溫度分布均勻，通過旋轉卡頭15使支撐杆12與電機連 接，實現坩堝的旋轉，電機安裝在一個螺旋移動機構上(圖中未畫出)，能夠實現坩堝的下降。 裝有石墨坩堝3的石英管2放置在支撐杆12上端的喇叭口內，在緊靠坩堝3的尖部放置有測 溫熱電偶14，用於實時監測坩堝尖部的溫度，了解晶體生長過程，在籽晶生長工藝中，也有 助於實現籽晶的成功熔接。這種爐膛設計可通過改變高溫區、低溫區的控溫溫度以及調整中間梯度區隔熱材料和距 離，方便的實現爐膛內溫場曲線的調節，滿足不同化合物紅外晶體生長對溫場的要求，維持 石墨坩堝3內固液界面17的穩定性，實現晶體的平界面生長。本發明的多元化合物紅外晶體 生長裝置的溫場曲線如圖2所示。利用上述多元化合物紅外晶體生長裝置生長紅外晶體，包括以下工藝過程(1) 清洗石英管按常規方法清洗石英管2和坩堝3，去除石英管2壁面上附著的金屬離子及有機雜質， 烘乾備用，去除坩堝內壁的雜質。(2) 裝料並抽真空、封結石英管將多元化合物晶體粉末裝入坩堝3內，再將裝料的坩堝裝入清潔後的石英管2內，然後 加熱至20(TC 30(TC下抽真空，當坩堝內的真空度達到1(T 10—4Pa時，用氫氧焰封結石英 管。(3) 晶體生長a.將封結後的石英管2放入圖1所示生長裝置的爐膛內，使裝料的坩堝3全部位於上 部高溫區18內，使上部高溫區18以rc /分種 3 'C /分種的速率升溫至多元化合物晶體 熔點以上50 'C 100 。C ，使得多元化合物晶體粉末充分熔化並過熱；下部低溫區20以同 樣速率升溫至多元化合物晶體熔點以下，當上部高溫區18和下部低溫區20的溫度升至目標 溫度後，即獲得晶體生長所需要的溫場，保溫24小時 48小時。b.保溫階段結束後，使坩堝以10mm/小時 20 mm/小時的速率下降，當坩堝尖部降至中 部梯度區的固-液界面處，即多元化合物晶體熔點對應的位置，停止下降，保溫4小時 6小 時後，坩堝以0.2 mm/小時 1 mm/小時的速率下降，開始晶體生長，經過2周 3周時間， 讓柑堝內的熔體全部通過中部梯度區的固-液界面，晶體生長結束。(4) 晶體後處理晶體生長結束後，將坩堝下降至下部低溫區進行退火2天 4天，然後以1(TC/小時 50 'C/小時的速率降至室溫後取出晶體。
權利要求
1.一種多元化合物紅外晶體生長裝置，包括爐體，其特徵在於爐體內的爐膛由上至下包括上部高溫區、中部梯度區和下部低溫區三種溫區，上部高溫區和下部低溫區設置有獨立控溫的加熱器，上部高溫區和下部低溫區均安放有控溫熱電偶，中部梯度區為帶通氣孔的隔熱耐火層，爐膛內設有支撐晶體生長坩堝的支撐杆，支撐杆的下端與旋轉卡頭連接，旋轉卡頭與一電機連接，電機安裝在一個螺旋移動機構上。
2. 根據權利要求1所述的多元化合物紅外晶體生長裝置，其特徵在於所述上部高溫區的控 溫熱電偶安放在上部高溫區高度的1/2 2/3位置處，下部低溫區的控溫熱電偶安放在下部低溫區高度的l/3 l/2位置處。
3. 根據權利要求1所述的多元化合物紅外晶體生長裝置，其特徵在於所述隔熱耐火層的上、下端設有擋板。
4. 根據權利要求l所述的多元化合物紅外晶體生長裝置，其特徵在於所述隔熱耐火層的上 面加設一層氧化鋯纖維毯。
5. 根據權利要求l所述的多元化合物紅外晶體生長裝置，其特徵在於所述爐膛的頂部設有 用於封閉爐膛的絕熱帽。
6. 根據權利要求l所述的多元化合物紅外晶體生長裝置，其特徵在於所述爐膛的底部設有 防止熱量向大氣傳遞的隔熱環。
7. 根據權利要求1所述的多元化合物紅外晶體生長裝置，其特徵在於所述支撐杆內部放置 有用於實時測量坩堝尖部溫度的測溫熱電偶。
全文摘要
本發明提供了一種多元化合物紅外晶體生長裝置，包括爐體，爐體內的爐膛由上至下包括上部高溫區、中部梯度區和下部低溫區三種溫區，上部高溫區和下部低溫區設置有獨立控溫的加熱器，上部高溫區和下部低溫區均安放有控溫熱電偶，中部梯度區為帶通氣孔的隔熱耐火層，爐膛內設有支撐晶體生長坩堝的支撐杆，支撐杆的下端與旋轉卡頭連接，旋轉卡頭與一電機連接，電機安裝在一個螺旋移動機構上。本發明可以根據不同多元化合物紅外晶體的生長習性，獲得適合晶體生長的溫場，維持固-液界面的穩定性，實現晶體的平界面生長。使用該生長裝置，採用布裡奇曼法能夠製備出外觀完整、結晶性能良好的多元化合物紅外晶體。
文檔編號C30B35/00GK101323968SQ200810138560
公開日2008年12月17日 申請日期2008年7月24日 優先權日2008年7月24日
發明者王善朋, 蔣民華, 陶緒堂 申請人:山東大學