下降法定向生長氟化物晶體的方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于晶體生長技術領域，涉及一種采用籽晶的下降法生長特定方向氟化物晶體的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]( 1)、堿土氟化物晶體主要包括氟化鈣晶體、氟化鋇晶體、氟化鎂晶體等材料，是一類最早獲得工業(yè)應用的晶體材料，因其優(yōu)異的光學性能，在光學成像、光學分光等領域取得了獨特的應用。隨著科技進步，新的應用不斷被發(fā)現(xiàn)，應用領域不斷拓展，比如利用氟化鋇晶體的閃爍特性進行高能粒子探測，利用氟化鎂晶體的雙折射特性制作紫外波段使用的光學分束器，利用氟化鈣晶體的結(jié)構(gòu)制作4-6族半導體薄膜生長的襯底材料，利用氟化鈣晶體摻雜稀土離子制備激光晶體等等。
[0003](2)、通常工業(yè)化生產(chǎn)堿土氟化物晶體一般采用下降法，在真空條件或者惰性氣氛下生長，所生長的晶體方向一般是不確定的，依據(jù)自然淘汰法自發(fā)成核，生長方向是不確定的。在一些對晶體方向有一定要求的場合，依據(jù)自然淘汰法結(jié)晶生長的晶體就會具有非常低的利用率，或者無法滿足使用要求。而采用提拉法就可以生長具有特定方向的晶體，提拉法可以生長出和籽晶方向一致的晶體，它的優(yōu)點在于生長過程可以方便地觀察晶體狀況，尤其是觀察晶體生長最初階段可以觀察籽晶部分熔化的過程。此外還有生長速率快，晶體不與坩堝內(nèi)壁接觸，生長時不會產(chǎn)生寄生成核而形成多晶等優(yōu)點。但是提拉法也有自身的缺陷:該方法固液界面的溫度梯度非常大，不利于生長內(nèi)應力小的晶體；此外，由于堿土氟化物晶體的強度要比一般氧化物晶體小，籽晶提拉不能夠承受過大的拉力，因此和下降法相比，提拉法在生長晶體的尺寸方面具沒有優(yōu)勢。為了改善提拉法的內(nèi)應力問題，王慶國等人申請了名為“一種頂部籽晶泡生法生長大尺寸氟化物晶體”的發(fā)明專利(申請公布號CN103215640 A)，提出了一種采用頂部籽晶泡生法生長大尺寸氟化物晶體的方法，泡生法作為提拉法的一個變種，具有提拉法固有的優(yōu)點和缺點，雖然在生長晶體的內(nèi)應力方面有所改善，但在生長大尺寸、更低的內(nèi)應力、生長速度等方面依舊無法與下降法相比。但采用目前下降法定向生長晶體也有其自身的問題，最主要的問題之一是:該方法晶體生長過程中籽晶接種無法實時觀察，無法在晶體生長最初階段判斷籽晶是否熔化合適，并且在整個生長過程中至始至終無法觀測，一旦最初籽晶熔化不理想，將導致整個晶體定向生長過程失敗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](1)、本發(fā)明的目的在于提供一種采用下降法生長特定方向晶體時，準確控制籽晶溫度，保證籽晶按照要求熔化掉一部分的方法。本發(fā)明的方法克服了下降法采用籽晶生長晶體時，由于無法觀察籽晶熔化過程，而無法確保籽晶按要求熔化掉一部分，經(jīng)常導致籽晶熔化不充分以及籽晶完全熔化掉的情況發(fā)生。本發(fā)明的方法克服了下降法無法保證籽晶按照要求熔化掉一部分的缺點，解決了提拉法無法生長出內(nèi)應力小的晶體的問題，解決了頂部籽晶泡生法晶體生長速度低的問題。
[0005]( 2 )、本發(fā)明的內(nèi)容包括:
本發(fā)明為一種采用下降法生長特定方向晶體的方法以及裝置，特別對生長堿土氟化物晶體尤為有效。該裝置的籽晶安放于坩堝下方的坩堝頸處，籽晶具有預先確定的方向，為確保在晶體生長初期籽晶熔化掉一部分，理想的狀態(tài)是熔化掉籽晶上部，約為籽晶原來全長的1/3-1/2。由于無法觀察到坩堝內(nèi)籽晶的情況，任何溫度控制的誤差、熱電偶測溫點變化引起的測溫誤差、外界環(huán)境導致溫度波動引起的溫度變化，都可能導致兩種情況的發(fā)生:籽晶全部熔化掉或者籽晶沒熔化及籽晶熔化不充分。籽晶沒熔化或者籽晶熔化不充分的情況發(fā)生，將會導致多晶的情況發(fā)生，失去了安放籽晶應有的作用，無法生長出和籽晶方向一致的晶體。如果籽晶完全熔化掉，和不放籽晶的情況類似，將導致晶體定向生長失敗。
[0006]采用在坩堝頸部和籽晶中上部相對應的位置裝傘形反射屏的方法來保證籽晶下部不被完全熔化掉，爐內(nèi)發(fā)熱體對坩堝的加熱，其主要傳熱方式為熱輻射，傘形反射屏具有對坩堝頸部下半部分進行熱屏蔽的作用，將原本可以輻射到坩堝頸部下方的熱量反射出去，在傘形反射屏的最上方和坩堝頸部接觸的地方形成明顯的冷熱分界，上半部分具有較高的溫度，而下半部分具有較低的溫度，可以保證當上半部分熔化時，下半部分還保持固態(tài)，這樣晶體的晶格結(jié)構(gòu)完全裸露出來，并以此為基礎，按照籽晶的方向晶體繼續(xù)生長。
[0007]為了精準地測量籽晶的溫度，使籽晶上半部分充分熔化掉，而下半部分保持固體狀態(tài)，采用光測高溫計對籽晶底部的溫度進行精密測量(光測高溫計工作原理依據(jù)基爾霍夫定律和維恩位移定律，即被測物體的溫度只與其輻射波長的最大值有關)，光測高溫計對籽晶在高溫下發(fā)出的光直接測量，可以保證籽晶下部分的溫度在熔點以下5-20°C，這是由于①光測高溫計具有一定的精度。②由于光測高溫計具有非接觸的特性，受環(huán)境干擾較小。③光測高溫計直接測量對籽晶底部的溫度進行測量，沒有中間媒介，減小了傳遞誤差。
[0008]晶體的生長過程包括:抽真空階段、升溫階段、恒溫階段、晶體生長階段和降溫階段。在晶體生長的升溫階段和恒溫階段，由光測高溫計進行溫度測量和控制，在恒溫階段籽晶部分熔化，坩堝內(nèi)原料的充分熔化。在恒溫階段，控制好籽晶底部的溫度，低于所生長晶體的熔點5-20°C，并恒溫階段使原料的充分熔化。在恒溫階段的最后時刻完成測溫傳感器的切換，在恒溫階段由光測高溫計控制溫度恒定，由位于發(fā)熱體下方的熱電偶對該處的溫度進行測量、監(jiān)控，經(jīng)過恒溫階段的溫度長時間恒定，熱電偶的溫度也很穩(wěn)定，基本無變化，溫度穩(wěn)定在一個確定的值，當恒溫階段將要結(jié)束時，改由熱電偶進行溫度控制，溫度恒定在恒溫階段熱電偶獲得的確定值上，切換后由熱電偶來完成溫度測量和控制。
[0009]恒溫階段結(jié)束后開始晶體生長階段，即坩堝開始下降過程，在熱電偶控制的恒定溫度下，坩堝向下移動，這時晶體開始在籽晶裸露的晶格基礎上緩慢生長，由于坩堝下移，固液界面向上移動，籽晶處的溫度由于從熱區(qū)進入冷區(qū)而不斷下降，籽晶已經(jīng)沒有完全熔化掉的可能，晶體不斷長大，直至晶體生長結(jié)束。然后緩慢降至室溫，整個晶體生長過程結(jié)束。晶體生長結(jié)束后，取出晶體進行測試。
[0010](3)、采用本發(fā)明方法生長特定方向堿土氟化物單晶，以生長氟化鋇晶體為例，圓柱狀籽晶的軸向為氟化鋇晶體的〈111〉方向，采用X射線定向儀定向，定向精度為30"，采用本發(fā)明方法籽晶充分熔化的成功率為95%以上，沒有發(fā)生籽晶被完全熔化掉的情況，說明本發(fā)明的方法對水溫的波動、外部環(huán)境的擾動都具有很強的抗干擾功能。采用本發(fā)明的方法可成功生長C方向的氟化鋇單晶，所生長的晶體直徑60 mm,晶錠長度150 _，整根晶錠為單晶，晶錠的軸向為氟化鋇晶體的〈111〉方向，每次生長的晶體方向與晶錠軸向的偏差最大為2°。
[0011]【附圖說明】:
圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)簡圖圖2為本發(fā)明裝置下降桿下部結(jié)構(gòu)圖
【具體實施方式】
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(1)、圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)簡圖，圖中所示:1為坩堝蓋，為高純石墨加工制成；2為石墨;fc甘禍，由聞純石墨加工制成；3為氣化物晶體原料；4為發(fā)熱體，由聞純石墨加工成圓筒，然后開槽而成；5為籽晶；6為鎢錸熱電偶；7為反射屏，由鑰片或者石墨紙制成；8為反射屏傘形骨架，由高純石墨制成；9為下降桿上部分，由高純石墨制成；10為下降桿下部分，由不銹鋼制成，內(nèi)部通冷卻水；11為真空室底板，由不銹鋼制成；12為密封件；13為光測高溫計。
[0012]圖2在圖1的基礎上對下降桿下部分10的結(jié)構(gòu)進行詳細說明，下降桿下部分10的內(nèi)部通有冷卻水，圖中1001為下降桿下部分10的主體，1002為出水導管，1003為出水口，1004為進水口。冷卻水通過下降桿下部分10，可以保證不銹鋼材質(zhì)的下降桿下部分10在高溫的環(huán)境中不變形，并具有向外部傳導結(jié)晶潛熱的功能，中空的結(jié)構(gòu)用來使籽晶的熱輻射方便地輻射到光測高溫計的接受部分。
[0013]本發(fā)明裝置可用來生長堿土氟化物晶體，本發(fā)明裝置的典型使用方法如下: 首先準備籽晶，籽晶的材料和將