【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及晶体材料，具体涉及一种水平定向结晶法生长晶体的双段加热温场结构及熔区控制方法，属于晶体材料生长。
技术介绍
1、晶体材料是工业生产中十分重要的一类材料，其制备要求高，难度大。目前晶体材料的制备方法主要为熔体法，包括：提拉法、坩埚下降法、水平定向结晶法、导模法等，其中，水平定向结晶法能够直接制备尺寸较大的板状晶体。水平定向结晶法，通过加热器将置于舟形坩埚中的原料部分熔化，并形成熔区；将籽晶与熔区接触，温度稳定后向远离加热的方向缓慢移动坩埚，熔体沿着籽晶逐步结晶形成单晶。现有加热器为整体串联，功率统一调控且一致，在晶体生长过程中因散热能力和生长速率的变化，熔区长度也发生变化。
2、固液界面的准确控制是晶体生长顺利进行以及质量得以保证的重要环节。为了准确控制已生长出来的晶体和熔区的固液界面，此时需要调控加热器到一个较为精确的加热功率。由于加热器是一个整体，加热器功率的改变，会导致熔区和后部未熔掉原料的固液界面也会跟着改变，使得熔区的长度随之发生变化。而熔区的长度跟原料掺杂的浓度和生长速度有关。即对于组成确定的原料，生长速度一旦确定，需要的熔区长度也对应确定。在生长速度没有对应改变的情况下，单一熔区的改变会对晶体生长带来不利影响。另外，加热器在某个加热功率下，满足了生长界面的控制，但该加热功率下的熔区和后部未熔原料的固液界面并不见得是期望的。熔区如果控制不好，对于有掺杂的原料，会导致进入晶体中的掺杂离子浓度不可调控。总之，现有的温场结构，无法同时兼顾熔区与已生长晶体的固液界面和熔区与待熔化原料的固液界面，即熔区
技术实现思路
1、针对现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的是提供一种水平定向结晶法生长晶体的双段加热温场结构及熔区控制方法，本专利技术能够同时兼顾熔区与已生长晶体的固液界面和熔区与待熔化原料的固液界面，从而更好地控制熔区长度及晶体结晶过程，提高晶体生长质量。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
3、一种水平定向结晶法生长晶体的温场结构，包括炉体，在炉体内设有坩埚和加热器，加热器用于对坩埚中的原料加热以使加热器区域的原料熔化形成熔区；所述加热器为独立控制的两套，两套加热器按晶体生长方向前后并排设置，分别称之为前加热器和后加热器；其中前加热器用于控制熔区前端的固液界面，后加热器用于控制熔区后端的固液界面。
4、进一步地，在炉体内设有筒状且横置的保温组件，所述坩埚位于保温组件内；两套加热器位于保温组件和坩埚之间；在保温组件上设有两个径向的观察孔，其中一个观察孔正对前加热器的前端，另一个观察孔正对后加热器的后端，在炉体外壁上设有两个与观察孔分别正对的观察窗，以通过观察窗和观察孔观察熔区的固液界面。
5、更进一步地，在炉体上设有加料机构，所述加料机构包括罩体、盛料斗、送料绞龙和下料斗，罩体安装在炉体外壁上；盛料斗和送料绞龙安装于罩体内，在罩体上表面设有加料口，加料口处设有可开闭的加料门；送料绞龙横向设置于盛料斗下方并位于绞龙壳体内；绞龙壳体位于绞龙进料端上方设有绞龙进料口，绞龙壳体位于绞龙出料端下方设有绞龙出料口，绞龙进料口衔接于盛料斗正下方，在炉体上位于罩体覆盖区域设有下料斗安装孔，下料斗的下料管通过下料斗安装孔向下进入炉体再穿过保温组件后悬置于待加料坩埚上方，下料斗主体位于罩体内并衔接于绞龙出料口正下方。
6、进一步地，在盛料斗内设有搅拌器，搅拌器的搅拌电机固定安装在罩体内；通过搅拌器的搅拌作用，有利于粉料从盛料斗落下进入绞龙进料口。
7、进一步地，在炉体外前后两端分别设有与炉腔连通的前腔室和后腔室，在其中一个腔室内设有直线运动机构；直线运动机构包括丝杆、导轨、丝杆螺母和移动支架；丝杆和导轨沿炉体长度方向平行安装在对应腔室内，在该腔室外设有丝杆电机，丝杆电机与丝杆连接以驱动丝杆转动；丝杆螺母螺纹旋接于丝杆上，丝杆螺母和导轨通过凹凸结构配合安装，以使丝杆螺母在丝杆的驱动下可沿导轨直线运动；移动支架通过支撑滚轮水平安装在炉体内，移动支架一端穿出炉体进入直线运动机构所在腔室内并与丝杆螺母连接；坩埚放置于移动支架上。
8、进一步地，炉体和前腔室之间以及炉体和后腔室之间分别设有密封机构。
9、更进一步地，炉体和设有直线运动机构的腔室之间的连接通道上设有竖向的隔热挡板，隔热挡板用于隔离炉体内的热量进入腔室；隔热挡板上设有与移动支架对应的通孔，移动支架通过通孔进入该腔室。
10、进一步地，在炉体外壁上开设有内外贯通的观察窗安装孔，所述观察窗为耐高温玻璃或晶体并通过安装架安装于观察窗安装孔中。
11、本专利技术还提出了一种水平定向结晶法生长晶体的熔区控制方法，按晶体生长方向，设置前后两套加热器来熔化坩埚中的生长原料以形成需要的熔区，两加热器的熔区前后相连形成一体，其中一套加热器用于控制熔区前端的固液界面，另一套加热器用于控制熔区后端的固液界面，通过两加热器功率的升降来调节各自对应的固液界面的位置，从而达到熔区长度的控制。
12、进一步地，生长的晶体为掺杂晶体，主体原料预先加装在坩埚中，掺杂料在晶体边生长的过程中边加入坩埚中的主体原料中，通过加料机构控制掺杂料的加料速度，通过加料速度控制掺杂加料量，加入的掺杂料在该另一套加热器的作用下与主体原料一起熔化并控制熔区后端的固液界面，最终控制熔区中掺杂离子的浓度，从而控制晶体的掺杂浓度。
13、相比现有技术，本专利技术具有如下有益效果：
14、1、本专利技术采用两套独立控制的加热器，从而使得熔区前、后两端的固液界面可以分别控制，从而解决了现有技术前后端固液界面其中一个变化会引起另一个固液界面跟着变化的弊端，从而能够更加精准地控制前后固液界面，熔区的长度更易把控，从而更好地控制晶体生长过程和掺杂浓度在熔体中的分布，提高晶体生长质量。
15、2、本专利技术边生长边加入掺杂料，并且通过加料机构对掺杂料进行可控添加，相比掺杂料预先和主体原料一起混合的加料方式，能够更好地控制原料掺杂浓度，也解决了分凝系数对掺杂浓度的影响，有利于生长掺杂浓度可调的晶体。
16、3、本专利技术通过特设的直线运动机构，能够实现坩埚生长过程中的平稳移动，降低坩埚因移动带来的固液界面波动，更有利于晶体生长控制。
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1.一种水平定向结晶法生长晶体的温场结构，包括炉体，在炉体内设有坩埚和加热器，加热器用于对坩埚中的原料加热以使加热器区域的原料熔化形成熔区；其特征在于：所述加热器为独立控制的两套，两套加热器按晶体生长方向前后并排设置，分别称之为前加热器和后加热器；其中前加热器用于控制熔区前端的固液界面，后加热器用于控制熔区后端的固液界面。
2.根据权利要求1所述的一种水平定向结晶法生长晶体的温场结构，其特征在于：在炉体内设有筒状且横置的保温组件，所述坩埚位于保温组件内；两套加热器位于保温组件和坩埚之间；在保温组件上设有两个径向的观察孔，其中一个观察孔正对前加热器的前端，另一个观察孔正对后加热器的后端，在炉体外壁上设有两个与观察孔分别正对的观察窗，以通过观察窗和观察孔观察熔区的固液界面。
3.根据权利要求2所述的一种水平定向结晶法生长晶体的温场结构，其特征在于：在炉体上设有加料机构，所述加料机构包括罩体、盛料斗、送料绞龙和下料斗，罩体安装在炉体外壁上；盛料斗和送料绞龙安装于罩体内，在罩体上表面设有加料口，加料口处设有可开闭的加料门；送料绞龙横向设置于盛料斗下方并位于绞龙壳体
4.根据权利要求3所述的一种水平定向结晶法生长晶体的温场结构，其特征在于：在盛料斗内设有搅拌器，搅拌器的搅拌电机固定安装在罩体内；通过搅拌器的搅拌作用，有利于粉料从盛料斗落下进入绞龙进料口。
5.根据权利要求1所述的一种水平定向结晶法生长晶体的温场结构，其特征在于：在炉体外前后两端分别设有与炉腔连通的前腔室和后腔室，在其中一个腔室内设有直线运动机构；直线运动机构包括丝杆、导轨、丝杆螺母和移动支架；丝杆和导轨沿炉体长度方向平行安装在对应腔室内，在该腔室外设有丝杆电机，丝杆电机与丝杆连接以驱动丝杆转动；丝杆螺母螺纹旋接于丝杆上，丝杆螺母和导轨通过凹凸结构配合安装，以使丝杆螺母在丝杆的驱动下可沿导轨直线运动；移动支架通过支撑滚轮水平安装在炉体内，移动支架一端穿出炉体进入直线运动机构所在腔室内并与丝杆螺母连接；坩埚放置于移动支架上。
6.根据权利要求5所述的一种水平定向结晶法生长晶体的温场结构，其特征在于：炉体和前腔室之间以及炉体和后腔室之间分别设有密封机构。
7.根据权利要求5所述的一种水平定向结晶法生长晶体的温场结构，其特征在于：炉体和设有直线运动机构的腔室之间的连接通道上设有竖向的隔热挡板，隔热挡板用于隔离炉体内的热量进入腔室；隔热挡板上设有与移动支架对应的通孔，移动支架通过通孔进入该腔室。
8.根据权利要求2所述的一种水平定向结晶法生长晶体的温场结构，其特征在于：在炉体外壁上开设有内外贯通的观察窗安装孔，所述观察窗为耐高温玻璃或晶体并通过安装架安装于观察窗安装孔中。
9.一种水平定向结晶法生长晶体的熔区控制方法，其特征在于：按晶体生长方向，设置前后两套加热器来熔化坩埚中的生长原料以形成需要的熔区，两加热器的熔区前后相连形成一体，其中一套加热器用于控制熔区前端的固液界面，另一套加热器用于控制熔区后端的固液界面，通过两加热器功率的升降来调节各自对应的固液界面的位置，从而达到熔区长度的控制。
10.根据权利要求9所述的一种水平定向结晶法生长晶体的熔区控制方法，其特征在于：生长的晶体为掺杂晶体，主体原料预先加装在坩埚中，掺杂料在晶体边生长的过程中边加入坩埚中的主体原料中，通过加料机构控制掺杂料的加料速度，通过加料速度控制掺杂加料量，加入的掺杂料在该另一套加热器的作用下与主体原料一起熔化并控制熔区后端的固液界面，最终控制熔区中掺杂离子的浓度，从而控制晶体的掺杂浓度。
...【技术特征摘要】
1.一种水平定向结晶法生长晶体的温场结构，包括炉体，在炉体内设有坩埚和加热器，加热器用于对坩埚中的原料加热以使加热器区域的原料熔化形成熔区；其特征在于：所述加热器为独立控制的两套，两套加热器按晶体生长方向前后并排设置，分别称之为前加热器和后加热器；其中前加热器用于控制熔区前端的固液界面，后加热器用于控制熔区后端的固液界面。
2.根据权利要求1所述的一种水平定向结晶法生长晶体的温场结构，其特征在于：在炉体内设有筒状且横置的保温组件，所述坩埚位于保温组件内；两套加热器位于保温组件和坩埚之间；在保温组件上设有两个径向的观察孔，其中一个观察孔正对前加热器的前端，另一个观察孔正对后加热器的后端，在炉体外壁上设有两个与观察孔分别正对的观察窗，以通过观察窗和观察孔观察熔区的固液界面。
3.根据权利要求2所述的一种水平定向结晶法生长晶体的温场结构，其特征在于：在炉体上设有加料机构，所述加料机构包括罩体、盛料斗、送料绞龙和下料斗，罩体安装在炉体外壁上；盛料斗和送料绞龙安装于罩体内，在罩体上表面设有加料口，加料口处设有可开闭的加料门；送料绞龙横向设置于盛料斗下方并位于绞龙壳体内；绞龙壳体位于绞龙进料端上方设有绞龙进料口，绞龙壳体位于绞龙出料端下方设有绞龙出料口，绞龙进料口衔接于盛料斗正下方，在炉体上位于罩体覆盖区域设有下料斗安装孔，下料斗的下料管通过下料斗安装孔向下进入炉体再穿过保温组件后悬置于待加料坩埚上方，下料斗主体位于罩体内并衔接于绞龙出料口正下方。
4.根据权利要求3所述的一种水平定向结晶法生长晶体的温场结构，其特征在于：在盛料斗内设有搅拌器，搅拌器的搅拌电机固定安装在罩体内；通过搅拌器的搅拌作用，有利于粉料从盛料斗落下进入绞龙进料口。
5.根据权利要求1所述的一种水平定向结晶法生长晶体的温场结构，其特征在于：在炉体外前后两端分别设有与炉腔连通的前腔室和后腔室，在其中一个腔室内设有直线运动机构；直线运动机构包括丝杆...
【专利技术属性】
技术研发人员：丁雨憧，李海林，张灵，张月，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二十六研究所，
类型：发明
国别省市：
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