用于晶体生长的基于激光式后加热制造技术

提供一种用于从熔融进料(23)生长为晶体(21)的晶体生长装置(10，10

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于晶体生长的基于激光式后加热


[0001]本专利技术涉及一种用于从熔融进料生长为晶体的晶体生长装置，一种用于从熔融进料生长为晶体的结晶生长方法，以及所述装置和所述方法的用途。

技术介绍

[0002]本专利技术的应用包括其在单晶生长技术中的使用，该技术涉及结晶形式的熔融进料的固化。
[0003]这种技术的一个示例是直拉法(Czochralski)，其中将定向晶种浸入熔融进料中，并在旋转时缓慢向上提拉。
[0004]另一示例是区域熔炼法，其中进料的窄区域(例如单晶或多晶棒)被熔化，并且该所谓的熔融区沿着棒移动，产生两个固体界面。随着该熔融区移动，例如通过移动加热器、炉或棒，来自一个界面的材料在熔融区中溶解并在另一界面处再结晶，并且净化那些在液体中的溶解度不同于在固体中的溶解度的杂质。由此，杂质被移动到棒的一端，留下非常纯净的晶体。
[0005]浮动区(FZ)法是区域熔炼法的重要变体。利用晶种，允许无坩埚生长，并消除坩埚材料的可能污染以及晶体与容器之间的差异膨胀引起的应力。FZ法在底部或顶部具有垂直布置的生长晶体，在另一侧则具有熔化的进料棒，并伴随有由于熔融区加热器与晶体棒布置之间的相对运动而导致的熔融区浮动。
[0006]通过固化熔融进料来生产晶体的主要问题是由新形成的晶体中的热应力所导致的开裂。为了将进料加热到熔点以上，通常需要高达3000℃的高温。这在熔融区中的加热熔池与未加热结晶区之间产生了较大的温度差。因此，熔体的固化也会导致所得晶体内的非常高的温度梯度，这会造成巨大的热应力。这些应力通常导致晶体中的裂纹或晶格中的其他缺陷的形成，从而使材料无用或大大降低其质量。
[0007]通常已知的是，能够通过附加地加热熔融区附近的固化材料来减小温度梯度。除了碳加热器的广泛使用之外，诸多专利公开了传统的电阻式及电感式后加热技术。例如，DE 10 2004 058 547 A1描述了通过以射频操作的加热线圈来施加电感式热输入，用以在浮动区法中进行后加热。GB 1 045 526 A中也展示了电感式后加热。
[0008]尽管这种传统加热器可用于金属样本，并处于保护气体氛围(通常为氩气)中以实现所需的加热效果，但通常需要具有高氧含量的气氛来生产氧化物材料。特别是，具有非常不同的电子特性和磁特性的含氧化合物是目前研究的重点，例如具有本征金属
‑
绝缘体转变或高温超导体的材料。然而，通常恰恰是这些化合物对热应力非常敏感。与极高的温度相结合，高氧分压会导致传统的后加热器的操作严重受限。因此，对于这类材料，几乎没有能达到足够高温度的传统后加热器。
[0009]有几种备选方法可被动地将热从熔融区散发出去。在US4,248,645A中，热的散发是通过耦接到散热器的具有高导热性的材料棒来实现的。在US 2010 282 160A1中，将热交换器形式的散热器用于相同目的。
[0010]DE 2 557 186 A1公开了一种在熔融区周围使用辐射屏蔽的被动式后加热装置。在EP 0 725 168 A2中展示了一种类似的装置。
[0011]这些被动式装置具有不良的可调节性和适应性。
[0012]WO 2008/092 097A2中描述了与小单晶纤维的生长相关的另一种后加热方法。其公开了使用镜将CO2激光束分成用于熔化材料的第一部分和用于后加热的第二部分。使用同心双焦点镜，将第一部分聚焦在熔融区上，并将第二部分聚焦在后加热区上。
[0013]WO 2008/092 097A2中描述的主题存在几个缺点，包括使用了附加的光敏部件，以及后加热区在长度和位置调节方面通用性低。此外，无法调节后加热区的温度概况。

技术实现思路

[0014]本专利技术寻求提供这样一种装置和方法，其以稳定且永久的方式展示出一种将生长自熔融进料的晶体后加热至极高温度的可选方案，所述方法和装置独立于周围大气。
[0015]本专利技术的第一方面提供一种用于从熔融进料生长为晶体的晶体生长装置，所述装置包括：
[0016]‑
熔融区加热器，用于熔化熔融区中的进料；
[0017]‑
至少一个后加热激光器，其布置成发射后加热器激光束以加热延伸式的后加热区，所述后加热区与邻近所述熔融区的固化区至少部分地重叠。
[0018]在本专利技术的上下文背景中，“后加热区”指定了由后加热激光束直接辐射的进料和/或生长晶体的一部分。后加热激光器的直接辐射可以对应于从激光源到所述后加热区行进了最短可能路径的辐射。与没有后加热器的装置相比，例如由于来自后加热区的热传导或间接辐射，不排除后加热区外部的部件也可能经历温度升高的情况。
[0019]后加热区可以与生长自熔融进料的晶体的固化区至少部分地重叠，这将被理解为：针对后加热区不仅与固化区重叠而且还与例如进料的其他区域重叠的情况，其同样落入本专利技术的范围内。
[0020]术语“固化区”用于指定熔融进料由于其温度已经低于熔融温度而固化成所需的晶体结构的区域。
[0021]术语“晶体”或“结晶”用于指能够生长自熔融进料的、具有结晶原子结构的任何类型的固体。晶体可以包括多晶区域和/或单晶区域，其中多晶区域在固化区的初期和边界处尤为常见。优选地，晶体具有大的单晶区域。针对生长的晶体表现出会破坏晶体结构的晶体学缺陷的情况，其落入本专利技术的范围内。晶体可以包括空位、间隙、位错、晶界和/或杂质。
[0022]后加热区在至少固化区的特定区域上延伸，其中后加热区的延伸可取决于后加热器激光束相对于固化区的辐射面积。优选地，后加热区的延伸大于熔融区的延伸。
[0023]后加热区邻近于熔融区，在本专利技术的上下文背景中，其应当理解为：后加热区紧邻或靠近熔融区，但不一定直接(即无缝地)邻接熔融区。
[0024]至少一个后加热激光器可以具有或可以不具有可调节的输出功率。优选地，至少一个后加热激光器可以具有足以将后加热区加热到等于或至少接近进料熔融温度的温度的最大输出功率。最大总输出功率通常可以在500W至10kW的范围内，优选地在750W至10kw的范围内，这取决于晶体的尺寸和/或材料等等。最大总输出功率可在若干个后加热激光器之间划分，其中该若干个后加热激光器中的每一个均可以具有从10W至1500W范围的最大输
出功率。以典型的FZ法作为示例，最大总输出功率可在三个后加热激光器之间划分，分别具有800W的最大输出功率，或者在五个后加热激光器之间划分，分别具有500W的最大输出功率，或者在27个后加热激光器之间划分，分别具有30W的最大输出功率。
[0025]后加热激光束可以理解为后加热激光器在后加热区的方向上发射的所有光。优选地，后加热激光束是散焦的。优选地，熔融区加热器包括可用于在高达几个1000℃的温度下熔化进料的至少一个激光器。
[0026]根据本专利技术的实施例，晶体生长装置可以进一步包括辐射面积调节机构，以调节后加热器激光束的辐射面积。
[0027]优选地，辐射面积调节机构可操作以调节后加热器激光束的辐射面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于从熔融进料(23)生长为晶体(21)的晶体生长装置(10，10
’
，10
’
)，包括：
‑
熔融区加热器，用于熔化熔融区(230)中的进料；
‑
至少一个后加热激光器(5)，其布置为发射后加热器激光束(51)以加热延伸式的后加热区(50)，所述后加热区(50)与邻近于所述熔融区(230)的固化区(210)至少部分地重叠。2.根据权利要求1所述的晶体生长装置(10，10
’
，10”)，还包括辐射面积调节机构，用以调节后加热器激光束(51)的辐射面积。3.根据权利要求2所述的晶体生长装置(10，10
’
，10
’
)，其中，所述辐射面积调节机构包括至少一个可调节散焦机构。4.根据权利要求2或3所述的晶体生长装置(10，10
’
，10
’
)，其中，所述辐射面积调节机构包括至少一个可移动透镜。5.根据前述权利要求中任一项所述的晶体生长装置(10，10
’
，10
’
)，其中，所述至少一个后加热激光器为具有或不具有可调节输出功率的二极管激光器(5)。6.根据前述权利要求中任一项所述的晶体生长装置(10”)，其中，所述晶体生长装置(10”)包括奇数N个后加热激光器(5)，N＞1，所述后加热激光器(5)周向地围绕所述后加热区(50)。7.根据前述权利要求中任一项所述的晶体生长装置(10
’
)，其中，所述晶体生长装置(10
’
)包括被布置为具有可变和/或可叠加的辐射面积的和/或被布置用于调节后加热区(50)的温度概况(4
’
)的若干个后加热激光器(5)。8.根据前述权利要求中任一项所述的晶体生长装置(10，10
’
，10”)，其中，所述至少一个后加热激光器(...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特，
申请(专利权)人：德累斯顿科学仪器有限公司，
类型：发明
国别省市：