综合熔体法生长晶体制造技术

一种生长晶体的综合熔体法，其特征在于使用提拉法下种、收颈、放肩，在等径生长时采用泡生法和／或温梯法。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及晶体生长，具体涉及熔体生长，特别是结合提拉、泡生和温梯等多种生长方式的一种综合的熔体生长方法。
技术介绍
目前，从熔体中生长晶体是制备晶体最常用的和最重要的一种方法。电子学、光学等现代技术应用中所需要的单晶材料，大部分是用熔体生长法制备的。例如Si，Ge，CaAs，GaP，LiNbO3，Nd:YAG，Nd:Cr:GsGG，Al2O3和Ti:Al2O3晶体等，以及某些碱金属和碱土金属的卤族化合物等。许多晶体早已进入不同规模的工业化生产。熔体中生长晶体的方法多种多样，例如提拉法，首先是在熔体中引入籽晶形成一个单晶核，然后，在晶核熔体的交界上不断进行原子或分子的重新排列，所堆积的阵列直接转变为有序阵列形成晶体。这是最普遍最常用的方法。还有温梯法，亦即Bridgman法，利用温度梯度将坩埚内熔体逐渐固化成晶体，其中可以有或没有籽晶，还可保持温度不变而使坩埚下降等。泡生法(Kyropoul法)多使用籽晶，将其浸泡在熔体内控制温度来生长，其中可缓慢旋转提拉或不旋转提拉。还有助熔剂法及其改良的顶部籽晶法，区熔法，熔区法(浮区法)，焰熔法等等。提拉法最先实现了工业化，例如单晶硅等半导体晶体；还有氧化物晶体如石榴石类，兰宝石和红宝石，铌、钽酸盐类以及非线性光学硼酸盐类晶体。这方面的专利文献枚不胜聚。但是该法有缺陷，首先是晶体直径受坩埚直径限制，两者比例一般是1∶3，单质晶体如硅单晶最大不过大约1∶2，因此许多改良花在连续加料(例如硅单晶的连续生长)；其次是在掺杂较大离子半径的物质时存在浓度梯度，严重影响使用。就兰宝石和石榴石而言，提拉法的专利如KR2001017991，RU2164267，JP11121855sls，JP10338594，US5866092等。温梯法的专利如CN 85100534，RU 2049832等。其缺点是晶体中含有气泡等缺陷，难以得到高质量晶体。还有CN 97106255和JP7010672等，垂直温梯法生长铝酸锂和镓酸锂晶体。泡生法的专利如CS8801546和CS264935。其缺点是生长速度缓慢，不利于工业化。总之，不同方法有各自不同的优缺点。迄今为止，还没有一种综合多种方法而扬长避短的生长方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种综合熔体法生长晶体，其中使用提拉法下种、收颈、放肩，在等径生长时采用泡生法和/或温梯法。本专利技术另一个目的是提供一种综合熔体法生长兰宝石晶体。本专利技术再一个目的是提供一种综合熔体法生长石榴石晶体。本专利技术又一个目的是提供一种综合熔体法生长铌酸盐晶体。本专利技术还有一个目的是提供一种晶体生长的综合熔体法，其中晶体的拉速和转速是变化的。本专利技术的其他目的和优点将在下文中更加明了。本专利技术的目的意在克服上述现有技术的不足，提供一种综合熔体法，能生长大尺寸优质兰宝石衬底晶体及LiNbO3，Nd:YAG，Nd:Cr:GsGG，掺杂或不掺杂Al2O3等各类晶体，特别是氧化物晶体。该方法使用提拉法下种、收颈、放肩，在等径生长时采用泡生法和/或温梯法。首先在熔体中引入籽晶，以一般的提拉法进行引晶和放肩，其中将籽晶降入坩埚内原材料的熔体中，使籽晶与熔体相互浸熔。通过籽晶诱导在固液体交界面上分子重新排列为有序阵列，形成晶体。利用晶体生长提拉装置旋转、垂直运行来控制晶体生长速度，直至达到需要的直径。提拉法的一般工艺参数都是公知的，当然，原料不同其参数各异；但完全可以通过常规优选试验得到，无需赘述。一般而言，转速在5～200rpm之间，优选20～100，更优选10～50rpm。拉速一般0.1～5.0mm/hr之间，优选1.0～2.5，更优选0.5～1.5mm/hr。而较难生长的铌酸盐具体是铌酸锂晶体，其转速和拉速相对小一些，一般在10～25rpm和0.5～1.2mm/hr之间。对于单晶硅而言，无疑更大一些。拉速可达到每分钟几个甚至十几个毫米。等径生长时，可停止提拉或以低速提拉，同时降温，以便使晶体的主要部分的生长均在熔体液面下进行。可以是泡生法也可以是温梯法或两者结合。这样一来，生长环境稳定，易于得到质量优异的晶体。与此同时，突破了提拉法的直径限制，可以生长直径大于提拉法的晶体。这就是说，等径生长时使用泡生法和/或温梯法的一般工艺参数。某些简单晶体，例如对称性好的立方或六方晶体以及单质晶体，可使用温梯法直到熔体完全变成晶体。而较难生长或掺杂较大半径离子的晶体，则采用泡生法，特别是铌酸盐晶体；此时充分发挥泡生法的优点，可得到质量优异的晶体。同样，这些工艺参数根据原料不同而有差异，同样可以通过常规优选试验得到。以兰宝石或石榴石为例，上述参考文献公开的参数皆可借鉴。使用温梯法时降温速度一般在0.1～5℃/hr之间；晶体尺寸大降温速度慢，反之稍快。而铌酸盐晶体一般在0.1～2℃/hr之间。生长掺杂兰宝石或钇铝或钆镓石榴石时，使用泡生法，可提拉也可不提拉，旋转或不旋转。降温速度比温梯法稍微快一些。转速一般在0～50，优选5～20rpm；拉速一般在0～5，优选0.2～1.0，更优选0.05～0.5mm/hr之间。晶体生长结束时，把晶体提出熔体的液面。如果有旋转和提拉，可适时停止，然后控制温度缓慢降至室温。此时降温速度可借鉴泡生法的降温速度，一般在10～100℃/hr之间。或温梯法的1～100℃/hr之间。当然，后期可加大降温速度，以晶体不开裂为准。本方法使用的设备和加热方式没有严格限制，通常使用一般的提拉设备；无论感应加热还是电阻加热都能使用。结合先进设备和计算机控制使本方法更上一层楼。而目前我国的晶体生长设备多使用计算机控制和上或下称重传感器以及光学或红外传感器等，完成本专利技术时所使用的设备就是计算机控制和上称重传感器。这就是说，尽管泡生法和/或温梯法与提拉法的温场略有差异，但在本方法中并无特殊要求。一般来说，使用提拉法普通温场范围的下限即可或更低一些。因为在熔体生长中，各种方法的温场大同小异。温度梯度过大时，虽然可以使生长速度快但晶体热应力大，易产生缺陷。温梯过小时，虽然使晶体质量提高但生长速度缓慢，不利于工业化。提拉法的温梯可以较大，而泡生和温梯法的温梯相对较小。从晶体生长原理看，在保证晶体的质量情况下，温梯越大越好，温梯大产量高。当然，不同晶体不同温梯。导热性好的晶体生长时，温梯可大一些；而导热差的晶体温梯则小一些。只要通过简单的优选试验，不难得到合适的温场。此外，需要在保温方面需要适当加强，因为有时本方法晶体的尺寸比单纯提拉法的大。同样，对坩埚也没有严格限制，只要不与熔体反应并能在拉晶温度运行就行。例如贵金属坩埚、氧化物坩埚或石英坩埚等，不同晶体不同加热方式使用不同坩埚，这是本领域技术人员熟知的。生长高温晶体时，电阻加热可以使用石墨、钨或钼金属或其合金加热。在这种情况下，一般采用惰性气氛或还原性气氛；同时使用钨、钼金属或其合金反射屏和坩埚。较低温度的晶体生长比较简单，使用贵金属或其合金坩埚、氧化物坩埚如氧化铝坩埚或石英坩埚等，电阻丝或棒加热即可。根据晶体材料的种类，可选择的加热材料还有硅碳棒，硅钼棒，镍铬丝，镍铝丝或其合金等等。感应加热多使用贵金属坩埚，如铂、铱或其合金坩埚。此时采用惰性气氛或大气气氛(铂坩埚等)；氧化物保温材料如氧化铝，氧化镁，氧化锆或其组合物等。附图说明图1是本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈迎春，肖俊，李明远，
申请(专利权)人：深圳市淼浩高新科技开发有限公司，
类型：发明
国别省市：