一种晶体的生长装置及生长方法
一种晶体的生长装置及生长方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于晶体生长技术领域，尤其涉及一种晶体的生长装置及生长方法。
【背景技术】
[0002] 传统的熔体法晶体生长技术包括提拉法，下降法，浮区法，泡生法，温度梯度法，热 交换法，冷坩埚法，导模法，火焰法等。
[0003] 目前得到发展的这些晶体生长技术，仍具有一定的局限性。提拉法和导模法生长 晶体时可以实时观察，但难以生长不一致熔融或者具有较低热导率的晶体；下降法、温度梯 度法和热交换法可以生长具有较低热导率的晶体，但无法实时观察晶体生长情况，也无法 生长不一致熔融的晶体；泡生法和冷坩埚法利于制备较大尺寸的晶体，但无法生产不一致 熔融的晶体；火焰法可以生长不一致熔融的晶体、较低热导率或者表面张力较低的晶体，也 可以原位观察晶体生长情况，但火焰法生长的晶体应力较大，缺陷较多，仍存在较多的局限 性。
[0004] 浮区法由Keck等人在1953年发明，后逐渐发展出光学浮区法，该方法在现有技术 中应用较为广泛。科学出版社出版的《晶体生长科学与技术》一书中详细描述了光学浮区 法的原理特点。光学浮区法可以生长不一致熔融的晶体，也可以实现晶体生长的实时观察， 因此，光学浮区法近年得到了很大的发展。
[0005] 光学浮区法生长晶体在光学浮区炉内进行，如公开号为CN 104389013 A的中国专 利公开了一种光学浮区法生长晶体的装置，该装置主要由籽晶棒旋转台、料棒旋转台和加 热系统组成，但是这种装置无法生长具有较低表面张力的晶体，并且难以生长容易氧化的 晶体。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种晶体的生长装置及生长方法，采用本发明提供的晶体 生长装置，不仅可以生长常规光学浮区法所能生长的晶体之外，还能够生长具有较低表面 张力的晶体、容易氧化的晶体和有易挥发组分的晶体。
[0007] 一种晶体的生长装置，包括：聚光屏；
[0008] 设置在聚光屏内的红外光源和透明的坩埚，所述红外光源设置在所述坩埚的周 围；
[0009] 用于支撑所述坩埚的支撑杆；
[0010] 所述支撑杆和坩埚通过坩埚托相连接。
[0011] 优选的，所述坩埚为透明陶瓷坩埚、玻璃坩埚或透明晶体坩埚。
[0012] 优选的，所述坩埚包括坩埚壁和坩埚底，所述坩埚壁具有倾角，所述坩埚底设置有 籽晶槽。
[0013] 优选的，所述坩埚的红外波段透过率多80%。
[0014] 优选的，所述坩埚的熔点比所生长的晶体的熔点高400~2000°C。
[0015] 优选的，所述红外光源为无影卤素灯，所述红外光光源的个数为2~4个。
[0016] 优选的，所述红外光源以所述坩埚的中心铅垂线为轴线对称分布在所述坩埚的周 围。
[0017] 优选的，所述支撑杆为可升降和旋转的支撑杆。
[0018] 本发明提供一种晶体的生长方法，包括以下步骤：
[0019] 将多晶依次进行熔化和凝固，得到预处理的多晶；
[0020] 采用上述生长装置，将预处理的多晶在坩埚内进行加热，进行晶体的生长，得到单 晶。
[0021] 优选的，所述加热的过程具体包括：
[0022] 以第一温度对多晶进行加热，加热20~60min后以第一速率降温至第二温度，对 多晶进行加热，进行晶体的生长，晶体生长结束后以第二速率降温至第三温度，得到晶体；
[0023] 所述第一温度为所生长晶体熔点以上50~100°C ;
[0024] 第二温度为所生长晶体熔点以上0~25°C ;
[0025] 第三温度为20~35 °C ;
[0026] 第一速率为1~10°C /小时；
[0027] 第二速率为20~50°C /小时。
[0028] 浮区法生长晶体效率高，用料少，在材料科学研宄领域具有明显的优势。科学出版 社出版的《晶体生长科学与技术》一书中详细描述了光学浮区法的原理特点。浮区法熔区 的维持，依靠熔体表面张力的作用，并有熔体所能维持的高度L与熔体的表面张力γ和熔 体的密度P的关系式如下：
[0029] ^ = 2.8 f- 式 1 \Pg
[0030] 其中，g为重力加速度。可见，如果熔体的表面张力过小，而且密度过大，就很难形 成稳定的恪区。例如Bi 4Ge3O12晶体，晶体的密度是7. 13g/cm3,表面张力是233mN/m (Journal of Crystal Growth, 1994 ; 137:509-515.)，g 是 9. 8m/s2,根据计算，L 为 5mm，恪区较短，米 用现有的光学浮区炉生长较为困难，本发明研宄发现，含有不具有表面活性的氧化物例如 Al2O3, CaO, MgO, 3102等，熔体的表面张力增加，晶体生长相对容易；含有表面活性的B2O3, V205, P205, PbO, K20、锗酸铋等，熔体的表面张力降低，晶体生长相对较难。此外，现有的光学 浮区炉开放式的生长方式极不适合在生长具有易挥发组分的材料以及易氧化的材料，例如 氟化钙、碲锌镉等晶体。
[0031] 本发明提供了一种晶体的生长装置，包括：聚光屏；设置在聚光屏内的红外光源 和透明的坩埚，所述红外光源设置在所述坩埚的周围；用于支撑所述坩埚的支撑杆；所述 支撑杆和坩埚通过坩埚托相连接。本发明提供的生长装置采用透明的坩埚作为晶体生长的 场所，进行晶体生长时，本发明提供的晶体的生长装置除了可以生长常规光学浮区法所能 生长的晶体之外，还能够生长表面张力较低的晶体、容易氧化的晶体和有易挥发组分的晶 体，实验结果表明，本发明提供的生长装置得到的晶体结晶性能良好，无气泡等缺陷，单晶 重复率较尚，不同批次间单晶质量差异小。成晶率在90~100%之间。
【附图说明】
[0032] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据 提供的附图获得其他的附图。
[0033] 图1为本发明提供的晶体生长装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0034] 本发明提供一种晶体生长装置，包括：聚光屏；
[0035] 设置在聚光屏内的红外光源和透明的坩埚，所述红外光源设置在所述坩埚的周 围；
[0036] 用于支撑所述坩埚的支撑杆；
[0037] 所述支撑杆和坩埚通过坩埚托相连接。
[0038] 本发明提供的生长装置能够生长表面张力较低的晶体。
[0039] 参见图1，图1为本发明提供的晶体生长装置的结构示意图，图1中，1为聚光屏，2 为红外光源，3为坩埚，4为坩埚托，5为支撑杆，6为坩埚壁，7为坩埚底，8为籽晶槽。
[0040] 本发明提供的生长装置包括聚光屏1，所述聚光屏的作用主要是将红外光源发出 的红外光汇聚到某一处，集中对某一处进行加热。在本发明中，所述聚光屏的形状优选为两 个半球壳形状，所述聚光屏优选为不锈钢聚光屏，本发明对所述聚光屏的尺寸没有特殊的 限制，具有能够容纳所述坩埚和红外光源的空间即可。
[0041] 本发明提供的生长装置包括红外光源2,所述红外光源设置在所述聚光屏的内部， 所述红外光源优选为无影卤素灯，所述红外光源的个数优选为2~4个，更优选为3个，所 述红外光源设置在所述坩埚的周围，优选以所述坩埚的中心铅垂线为轴线对称分布在所述 坩埚的周围，所述红外光源优选在同一个水平面上，以增强红外光的汇聚效果。
[0042] 本发明提供的生长装置包括坩埚3,所述坩埚为晶体生长的场所，为透明坩埚，以 便红外光能够透过，对坩埚内的多晶以及籽晶进行加热。所述坩埚的红外波段透过率优选 多80%，更优选多85%，最优选多90% ;所述坩埚要求热稳定性好，可以耐受较大的温度 梯度，优选能够耐受20°C /mm以上的温度梯度；所述坩埚的熔点优选高于坩埚内部所生长 的晶体，优选比所生长的晶体的熔点高400~2000°C，更优选高500~1500°C，最优选高 600~1200°C。并且，本发明中的坩埚不与所生长晶体的熔体中的任何一种成分发生反应， 也不会被所生长的晶体的熔体侵蚀。在 本发明中，所述坩埚优选为透明陶瓷坩埚、玻璃坩埚 或透明晶体坩埚，具体的，所述透明晶体坩埚优选为氧化铝晶体坩埚。
[0043] 在本发明中，所述坩埚包括坩埚壁6和坩埚底7,所述坩埚优选能够密闭，可以用 来生长易挥发或者易氧化的晶体，所述坩埚壁6具有一定的倾角，以便晶体的取出，所述倾 角为所述倾角的角度优选为0°~3°，更优选为Γ~2° ;所述坩埚底7优选为倒圆锥 形状，所述坩埚底7设置有籽晶槽8,用于放置籽晶，对于可以自发成核的晶体，可以不用籽 晶。本发明对所述坩埚的尺寸没有特殊的限制。
[0044] 本发明提供的生长装置包括坩埚托4,所述坩埚托用于连接坩埚和支撑杆，起支撑 坩埚的作用。在本发明中，所述坩埚托优选与所述坩埚牢固相连，图1中所示的坩埚托只是 一个示例，本发明对所述坩埚托的形状并无特殊的限制，能够起到支撑所述坩埚的作用即 可。
[0045] 本发明提供的生长装置包括支撑杆5,所述支撑杆用于支撑所述坩埚，在本发明 中，所述支撑杆优选能够旋转和升降，所述支撑杆能够以一定的转速旋转可以保证坩埚加 热均匀，所述支撑杆能够升降可以保证红外光对所述坩埚中的多晶和籽晶的不同位置进行 加热，本发明对所述支撑杆的材质和尺寸没有特殊的限制。
[0046] 为了便于观察晶体的生长过程，本发明提供的生长装置优选还包括观察装置（图 中未画出），所述观察装置可以是红外相机或者是滤光片。
[0047] 本发明还提供了一种晶体的生长方法，包括以下步骤：
[0048] 将多晶依次进行熔化和凝固，得到预处理的多晶；
[0049] 采用上述生长装置，将预处理的多晶在坩埚内进行加热，进行晶体的生长，得到单 晶。
[0050] 为了保证晶体生长的连续性，本发明需要将多晶先依次进行熔化和凝固，得到预 处理的多晶，所述多晶的熔化可以直接在晶体生长的坩埚内进行，然后直接在所述晶体生 长的坩埚内进行凝固；也可以在其他与所述晶体生长的坩埚的大小、形状相同的坩埚内进 行，待多晶凝固后将多晶取出，再填入所述晶体生长的坩埚内；或者将所述多晶在其他坩埚 内熔化后，将得到的多晶熔体倒入所述晶体生长的坩埚中，进行凝固。在本发明中，再生长 容易氧化的晶体时，所述熔化和凝固优选在保护气体气氛下进行，以避免多晶氧化，所述保 护气体优选为惰性气体或氮气；更优选为氩气，所述惰性气体的纯度优选为4N(99. 99% )。 本发明中的所述熔化和凝固多晶的方法为本领域技术人员常用的方法。
[0051] 在本发明中，所述多晶优选为锗多晶、氟化钙多晶、碲锌镉多晶、锗酸铋多晶中的 一种或几种。
[0052] 得到预处理的多晶后，本发明采用上述生长装置，将预处理的多晶在所述坩埚内 进行加热，进行晶体的生长，得到晶体。在本发明中，如果多晶是能够自发成核的，可以不使 用籽晶，如果多晶不能自发成核，需要放入籽晶以便进行晶体的生长，即，本发明将籽晶和 预处理的多晶在坩埚内进行加热，进行晶体的生长，得到晶体。
[0053] 本发明优选以第一温度对多晶或籽晶进行加热，加热20~60min后以第一速率降 温至第二温度，对多晶进行加热，进行晶体的生长，晶体生长结束后以第二速率降温至第三 温度，得到晶体。
[0054] 本发明优选以第一温度对籽晶上端的1/3处进行加热，所述第一温度优选为所生 长晶体熔点以上50~KKTC，更优选为所生长晶体熔点以上60~90°C;以所述第一温度加 热的时间优选为20~60min，更优选为30~50min，最优选为40min ;待籽晶的熔区最终保 持稳定后，本发明优选以第一速率降温至第二温度，对多晶进行加热，进行晶体生长，所述 第一速率优选为1~KTC /小时，更优选为2~8°C /小时，最优选为3~7°C /小时；所述 第二温度优选为所生长晶体熔点以上〇~25°C，更优选为所生长晶体熔点以上5~20°C ; 以所述第二温度加热的时间优选为20~60min，更优选为30~50min，最优选为40min ;在 所述晶体生长的过程中，本发明优选根据固液界面的推进状况，适当微调所述第二温度，使 得熔体凹向生长的锗晶体；完成晶体生长过程后，本发明优选以第二速率见闻至第三温度， 得到晶体。所述第二速率优选为20~50°C /小时，更优选为25~45°C /小时，最优选为 30~40°C /小时；所述第三温度优选为20~35°C，更优选为25~30°C。在本发明中，所 述晶体的生长优选在真空条件下进行，所述真空度优选为KT2Pa以下，更优选为KT3Pa以 下。
[0055] 本发明优选采用图1所示的装置，以上述晶体生长的方法进行晶体的生长，在4N 氩气气氛下，将多晶原料在坩埚3中熔化，并在氩气气氛中冷却凝固，之后将多晶原料取 出，在籽晶槽8上装填籽晶，然后将多晶原料装入坩埚3中，抽空内部空气并密封坩埚3,将 坩埚3放在坩埚托4上；固定牢固后，升降支撑杆5,使得聚光屏1的汇聚中心位于籽晶底 端。开启支撑杆5的转速，使转速保持在0~20rpm之间；打开卤素灯2 ;逐渐升高功率，直 至籽晶开始熔化；恒温20~30min，开始下降坩埚3,坩埚的下降速率为5~15mm/h ;根据 固液界面的推进状况，调节加热功率，使得坩埚3内的熔体凹向生长的晶体，且生长界面稳 定；直至未熔化的多晶完全熔化，晶体生长完成。晶体生长结束之后开始降温，降温速率为 30~50°C /h ;待晶体冷却到室温时，取出坩埚3,取出晶体，得到晶体。
[0056] 本发明提供了一种晶体的生长装置，包括：聚光屏；设置在聚光屏内的红外光源 和透明的坩埚，所述红外光源设置在所述坩埚的周围；用于支撑所述坩埚的支撑杆；所述 支撑杆和坩埚通过坩埚托相连接。本发明提供的生长装置采用透明的坩埚作为晶体生长的 场所，本发明提供的晶体的生长装置不仅可以生长常规光学浮区法所能生长的晶体之外， 还能够生长表面张力较低的晶体、容易氧化的晶体和有易挥发组分的晶体，实验结果表明， 本发明提供的生长装置得到的晶体结晶性能良好，无气泡等缺陷，单晶重复率较高，不同批 次间单晶质量差异小。成晶率在90~100%之间。
[0057] 为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种晶体的生长装置及 生长方法进行详细描述，但不能将其理解为对本发明保护范围的限定。
[0058] 实施例1
[0059] 采用如图1所示的生长装置，无影卤素灯有两盏，对称分布，卤素灯功率500W，电 压240V ;无影卤素灯发出的红外光通过表面镀金的不锈钢聚光屏，聚集在晶体生长腔中 心；坩埚为透明石英坩埚，坩埚内径6_，长度80_，壁厚2_，坩埚表面光洁；坩埚放置在位 于晶体生长腔中心铅垂线的不锈钢材坩埚托上，坩埚托与坩埚牢固固定；坩埚托放置在可 以升降和旋转的支撑杆5上。坩埚下端有籽晶槽，籽晶槽直径4mm，长度10mm。坩埚内壁的 倾角为Γ。
[0060] 将清洗（I11)方向的籽晶放置在籽晶槽内，籽晶长度为10mm，直径4mm。将5N 8g 锗多晶原料在其他石英坩埚中融化后，倒入石英坩埚内，并使熔体缓慢凝固，在此过程中保 证籽晶不完全融化；整个熔化和倾倒过程在充满4N氩气气氛的手套箱内进行，避免锗高温 熔体氧化。锗熔体凝固且石英坩埚冷却后，将石英坩埚取出，抽真空后密封石英坩埚。之后 将石英坩埚放在坩埚托上；固定牢固后，升降支撑杆，使得聚光屏的汇聚中心位于籽晶上端 1/3处，且保证此范围内有未熔籽晶。调节支撑杆的转速在20rpm ;打开无影卤素灯；逐渐 升高卤素灯功率，直至籽晶开始融化；恒温60min后，熔区逐渐扩大并最终保持稳定；之后 开始下降石英坩埚，坩埚的下降速率为l〇mm/h ;根据固液界面的推进状况，调节加热功率， 使得熔体凹向生长的锗晶体，且维持生长界面稳定；直至未融化的多晶完全融化，晶体生长 完成。晶体生长结束之后开始降温，降温速率为50°C /h ;待晶体冷却到室温时，取出石英坩 埚，取出晶体，得到锗单晶。
[0061] 本实施例得到的锗单晶结晶状况良好，成晶率在90~100%之间；无开裂、多晶、 气泡等缺陷；单晶重复率较高，不同批次间单晶质量差异小。
[0062] 按照GB/T5252检测，本实施例得到的锗单晶位错密度在10000/cm2左右，与文 献报道的悬浮区熔法生长的锗单晶的位错密度基本类似（电子工业专用设备，2012:210 ; 36-39)。
[0063] 实施例2
[0064] 采用图1所示的生长装置，无影卤素灯有两盏，对称分布，卤素灯功率1000W，电压 240V ;无影卤素灯发出的红外光通过表面镀金的不锈钢聚光屏，聚集在晶体生长腔中心； 坩埚为透明石英坩埚，坩埚内径5mm，长度80mm，壁厚2mm，坩埚表面光洁；坩埚放置在位于 晶体生长腔中心铅垂线的坩埚托上，不锈钢材质的坩埚托与坩埚牢固固定；坩埚托放置在 可以升降和旋转的支撑杆上。坩埚下端有籽晶槽，籽晶槽直径为4mm，长度5mm。坩埚内壁 倾角为3°。
[0065] 4N氩气气氛下，将4g的5N CaF2粉末原料在透明石英坩埚中熔化，并在氩气气氛 中冷却。之后将多晶料取出，在籽晶槽上装填籽晶，籽晶直径4mm，长度5mm ;之后将多晶料 装入坩埚中，抽空内部空气并密封石英坩埚；将石英坩埚放在坩埚托上；固定牢固后，升降 支撑杆，使得聚光屏的汇聚中心位于籽晶底端。开启支撑杆的转速，使转速保持在5rpm; 打开卤素灯；逐渐升高功率，直至籽晶开始融化；恒温20min，开始下降石英坩埚，坩埚的下 降速率为5mm/h ;根据固液界面的推进状况，调节加热功率，使得熔体凹向生长的CaF2单晶 体，且生长界面稳定；直至未融化的多晶完全融化，晶体生长完成。晶体生长结束之后开始 降温，降温速率为30°C /h ;待晶体冷却到室温时，取出坩埚，取出晶体，得到CaF2单晶。
[0066] 本实施例得到的CaF2晶体结晶性能良好，无气泡等缺陷；单晶重复率较高，不同批 次间单晶质量差异小。
[0067] 实施例3
[0068] 采用如图1所示的生长装置，无影卤素灯有两盏，对称分布，卤素灯功率650W，电 压240V ;无影卤素灯发出的红外光通过表面镀金的不锈钢聚光屏，聚集在晶体生长腔中 心；坩埚为透明石英坩埚，坩埚内径为8_，长度80_，壁厚2_，坩埚表面光洁；坩埚放置在 位于晶体生长腔中心铅垂线的坩埚托上，不锈钢材质的坩埚托与坩埚牢固固定；坩埚托放 置在可以升降和旋转的支撑杆上。坩埚下端有籽晶槽，籽晶槽直径为4_，长度10_。坩埚 内壁倾角为2°。
[0069] 4N氩气气氛下，将5. 5g的5N碲锌镉多晶原料在透明石英坩埚中融化并冷却凝 固；之后抽空内部气体并密封石英坩埚；之后将石英坩埚放在坩埚托上；固定牢固后，升降 支撑杆，使得聚光屏的汇聚中心位于籽晶底端。开启支撑杆的转速，转速控制在Srpm之间； 打开卤素灯；逐渐升高功率，直至籽晶部位的多晶开始融化；恒温60min后开始下降石英坩 埚，坩埚下降速率为3mm/h;根据固液界面的推进状况，调节加热功率，使得熔体凹向生长 的碲锌镉单晶体，且生长界面稳定；直至未熔化的碲锌镉多晶完全熔化，碲锌镉晶体生长完 成。碲锌镉晶体生长结束之后开始降温，降温速率为40°C /h ;待碲锌镉晶体冷却到室温时， 取出坩埚，取出碲锌镉晶体，得到碲锌镉单晶。
[0070] 本实施例得到的碲锌镉晶体结晶性能良好，经过籽晶区域多晶几何淘汰之后，逐 渐发育成单晶体，并维持到晶体生长结束。除籽晶区域外，单晶体部分无开裂、多晶、气泡等 缺陷。
[0071] 本发明将本实施例制备的碲锌镉单晶切片、抛光、并用EAg- I腐蚀液腐蚀后，检 测EPD (低腐蚀坑密度）为40000/cm2左右，与THM法生长的晶体的位错密度相当（李含东， 《碲锌镉单晶体的生长与缺陷》，四川大学硕士论文，2004年）。
[0072] 实施例4
[0073] 用如图1所示的生长装置，无影卤素灯有四蓋，对称分布肩素灯功率500W，电压 240V ;无影卤素灯发出的红外光通过表面镀金的不锈钢聚光屏，聚集在晶体生长腔中心； 坩埚为透明氧化铝晶体坩埚，坩埚内径为8_，长度80_，壁厚3_，坩埚表面抛光；坩埚放 置在位于晶体生长腔中心铅垂线的坩埚托上，不锈钢材质的坩埚托与坩埚牢固固定；坩埚 托放置在可以升降和旋转的支撑杆上。坩埚下端籽晶槽直径为8_，与坩埚直径相同。
[0074] 将清洗（111)方向的籽晶放置在籽晶槽内，籽晶长度为10臟，直径8mm。将5N 15g 锗酸铋多晶原料在其他铂金坩埚中融化后，倒入氧化铝晶体坩埚内，并使熔体缓慢凝固，在 此过程中保证籽晶不完全融化；之后将氧化铝晶体坩埚放在坩埚托上；固定牢固后，升降 支撑杆，使得聚光屏的汇聚中心位于籽晶底端。开启支撑杆的转速，转速控制在15rpm之 间；打开卤素灯；逐渐升高功率，直至籽晶部位的多晶开始融化；恒温60min后开始下降氧 化铝晶体坩埚，坩埚下降速率为2mm/h ;根据固液界面的推进状况，调节加热功率，使得熔 体凹向生长的锗酸铋单晶体，且生长界面稳定；直至未熔化的锗酸铋多晶完全熔化，锗酸铋 晶体生长完成。锗酸铋晶体生长结束之后开始降温，降温速率为30°C /h ;待锗酸铋晶体冷 却到室温时，取出坩埚，取出锗酸铋晶体，得到锗酸铋单晶。
[0075] 本实施例得到的锗酸铋晶体结晶性能良好，肉眼观察无开裂、多晶、气泡等缺陷。 单晶重复率较高，不同批次间单晶质量差异小。
[0076] 经以上实施例可以看出，采用本发明提供的生长装置，不仅可以生长常规光学浮 区法所能生长的晶体之外，还能够生长低表面张力晶体、容易氧化的晶体和有易挥发组分 的晶体，并且得到的晶体结晶性能良好，无气泡等缺陷；单晶重复率较高，不同批次间单晶 质量差异小，位错密度较低。
[0077] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种晶体的生长装置，包括：聚光屏； 设置在聚光屏内的红外光源和透明的坩埚，所述红外光源设置在所述坩埚的周围； 用于支撑所述坩埚的支撑杆； 所述支撑杆和坩埚通过坩埚托相连接。2. 根据权利要求1所述的生长装置，其特征在于，所述坩埚为透明陶瓷坩埚、玻璃坩埚 或透明晶体坩埚。3. 根据权利要求1所述的生长装置，其特征在于，所述坩埚包括坩埚壁和坩埚底，所述 坩埚壁具有倾角，所述坩埚底设置有籽晶槽。4. 根据权利要求1所述的生长装置，其特征在于，所述坩埚的红外波段透过率多80%。5. 根据权利要求1所述的生长装置，其特征在于，所述坩埚的熔点比所生长的晶体的 熔点高400~2000°C。6. 根据权利要求1所述的生长装置，其特征在于，所述红外光源为无影卤素灯，所述红 外光光源的个数为2~4个。7. 根据权利要求1所述的生长装置，其特征在于，所述红外光源以所述坩埚的中心铅 垂线为轴线对称分布在所述坩埚的周围。8. 根据权利要求1所述的生长装置，其特征在于，所述支撑杆为可升降和旋转的支撑 杆。9. 一种晶体的生长方法，包括以下步骤： 将多晶依次进行熔化和凝固，得到预处理的多晶； 采用权利要求1~8任意一项所述的生长装置，将预处理的多晶在坩埚内进行加热，进 行晶体的生长，得到单晶。10. 根据权利要求9所述的生长方法，其特征在于，所述加热的过程具体包括： 以第一温度对多晶进行加热，加热20~60min后以第一速率降温至第二温度，对多晶 进行加热，进行晶体的生长，晶体生长结束后以第二速率降温至第三温度，得到晶体； 所述第一温度为所生长晶体熔点以上50~KKTC; 第二温度为所生长晶体熔点以上〇~25°C; 第三温度为20~35°C; 第一速率为1~KTC/小时； 第二速率为20~50°C/小时。
【专利摘要】本申请提供了一种晶体的生长装置，包括：聚光屏；设置在聚光屏内的红外光源和透明的坩埚，所述红外光源设置在所述坩埚的周围；用于支撑所述坩埚的支撑杆；所述支撑杆和坩埚通过坩埚托相连接。本发明提供的生长装置采用透明的坩埚作为晶体生长的场所，本发明提供的晶体的生长装置不仅可以生长常规光学浮区法所能生长的晶体之外，还能够生长表面张力较低的晶体、容易氧化的晶体和有易挥发组分的晶体，实验结果表明，本发明提供的生长装置得到的晶体结晶性能良好，无气泡等缺陷，单晶重复率较高，不同批次间单晶质量差异小。成晶率在90～100％之间。本发明还提供了一种晶体的生长方法。
【IPC分类】C30B13/22
【公开号】CN104894637
【申请号】CN201510383437
【发明人】狄聚青, 朱刘, 胡丹
【申请人】清远先导材料有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年7月1日
【技术领域】
[0001] 本发明属于晶体生长技术领域，尤其涉及一种晶体的生长装置及生长方法。
【背景技术】
[0002] 传统的熔体法晶体生长技术包括提拉法，下降法，浮区法，泡生法，温度梯度法，热 交换法，冷坩埚法，导模法，火焰法等。
[0003] 目前得到发展的这些晶体生长技术，仍具有一定的局限性。提拉法和导模法生长 晶体时可以实时观察，但难以生长不一致熔融或者具有较低热导率的晶体；下降法、温度梯 度法和热交换法可以生长具有较低热导率的晶体，但无法实时观察晶体生长情况，也无法 生长不一致熔融的晶体；泡生法和冷坩埚法利于制备较大尺寸的晶体，但无法生产不一致 熔融的晶体；火焰法可以生长不一致熔融的晶体、较低热导率或者表面张力较低的晶体，也 可以原位观察晶体生长情况，但火焰法生长的晶体应力较大，缺陷较多，仍存在较多的局限 性。
[0004] 浮区法由Keck等人在1953年发明，后逐渐发展出光学浮区法，该方法在现有技术 中应用较为广泛。科学出版社出版的《晶体生长科学与技术》一书中详细描述了光学浮区 法的原理特点。光学浮区法可以生长不一致熔融的晶体，也可以实现晶体生长的实时观察， 因此，光学浮区法近年得到了很大的发展。
[0005] 光学浮区法生长晶体在光学浮区炉内进行，如公开号为CN 104389013 A的中国专 利公开了一种光学浮区法生长晶体的装置，该装置主要由籽晶棒旋转台、料棒旋转台和加 热系统组成，但是这种装置无法生长具有较低表面张力的晶体，并且难以生长容易氧化的 晶体。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种晶体的生长装置及生长方法，采用本发明提供的晶体 生长装置，不仅可以生长常规光学浮区法所能生长的晶体之外，还能够生长具有较低表面 张力的晶体、容易氧化的晶体和有易挥发组分的晶体。
[0007] 一种晶体的生长装置，包括：聚光屏；
[0008] 设置在聚光屏内的红外光源和透明的坩埚，所述红外光源设置在所述坩埚的周 围；
[0009] 用于支撑所述坩埚的支撑杆；
[0010] 所述支撑杆和坩埚通过坩埚托相连接。
[0011] 优选的，所述坩埚为透明陶瓷坩埚、玻璃坩埚或透明晶体坩埚。
[0012] 优选的，所述坩埚包括坩埚壁和坩埚底，所述坩埚壁具有倾角，所述坩埚底设置有 籽晶槽。
[0013] 优选的，所述坩埚的红外波段透过率多80%。
[0014] 优选的，所述坩埚的熔点比所生长的晶体的熔点高400~2000°C。
[0015] 优选的，所述红外光源为无影卤素灯，所述红外光光源的个数为2~4个。
[0016] 优选的，所述红外光源以所述坩埚的中心铅垂线为轴线对称分布在所述坩埚的周 围。
[0017] 优选的，所述支撑杆为可升降和旋转的支撑杆。
[0018] 本发明提供一种晶体的生长方法，包括以下步骤：
[0019] 将多晶依次进行熔化和凝固，得到预处理的多晶；
[0020] 采用上述生长装置，将预处理的多晶在坩埚内进行加热，进行晶体的生长，得到单 晶。
[0021] 优选的，所述加热的过程具体包括：
[0022] 以第一温度对多晶进行加热，加热20~60min后以第一速率降温至第二温度，对 多晶进行加热，进行晶体的生长，晶体生长结束后以第二速率降温至第三温度，得到晶体；
[0023] 所述第一温度为所生长晶体熔点以上50~100°C ;
[0024] 第二温度为所生长晶体熔点以上0~25°C ;
[0025] 第三温度为20~35 °C ;
[0026] 第一速率为1~10°C /小时；
[0027] 第二速率为20~50°C /小时。
[0028] 浮区法生长晶体效率高，用料少，在材料科学研宄领域具有明显的优势。科学出版 社出版的《晶体生长科学与技术》一书中详细描述了光学浮区法的原理特点。浮区法熔区 的维持，依靠熔体表面张力的作用，并有熔体所能维持的高度L与熔体的表面张力γ和熔 体的密度P的关系式如下：
[0029] ^ = 2.8 f- 式 1 \Pg
[0030] 其中，g为重力加速度。可见，如果熔体的表面张力过小，而且密度过大，就很难形 成稳定的恪区。例如Bi 4Ge3O12晶体，晶体的密度是7. 13g/cm3,表面张力是233mN/m (Journal of Crystal Growth, 1994 ; 137:509-515.)，g 是 9. 8m/s2,根据计算，L 为 5mm，恪区较短，米 用现有的光学浮区炉生长较为困难，本发明研宄发现，含有不具有表面活性的氧化物例如 Al2O3, CaO, MgO, 3102等，熔体的表面张力增加，晶体生长相对容易；含有表面活性的B2O3, V205, P205, PbO, K20、锗酸铋等，熔体的表面张力降低，晶体生长相对较难。此外，现有的光学 浮区炉开放式的生长方式极不适合在生长具有易挥发组分的材料以及易氧化的材料，例如 氟化钙、碲锌镉等晶体。
[0031] 本发明提供了一种晶体的生长装置，包括：聚光屏；设置在聚光屏内的红外光源 和透明的坩埚，所述红外光源设置在所述坩埚的周围；用于支撑所述坩埚的支撑杆；所述 支撑杆和坩埚通过坩埚托相连接。本发明提供的生长装置采用透明的坩埚作为晶体生长的 场所，进行晶体生长时，本发明提供的晶体的生长装置除了可以生长常规光学浮区法所能 生长的晶体之外，还能够生长表面张力较低的晶体、容易氧化的晶体和有易挥发组分的晶 体，实验结果表明，本发明提供的生长装置得到的晶体结晶性能良好，无气泡等缺陷，单晶 重复率较尚，不同批次间单晶质量差异小。成晶率在90~100%之间。
【附图说明】
[0032] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据 提供的附图获得其他的附图。
[0033] 图1为本发明提供的晶体生长装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0034] 本发明提供一种晶体生长装置，包括：聚光屏；
[0035] 设置在聚光屏内的红外光源和透明的坩埚，所述红外光源设置在所述坩埚的周 围；
[0036] 用于支撑所述坩埚的支撑杆；
[0037] 所述支撑杆和坩埚通过坩埚托相连接。
[0038] 本发明提供的生长装置能够生长表面张力较低的晶体。
[0039] 参见图1，图1为本发明提供的晶体生长装置的结构示意图，图1中，1为聚光屏，2 为红外光源，3为坩埚，4为坩埚托，5为支撑杆，6为坩埚壁，7为坩埚底，8为籽晶槽。
[0040] 本发明提供的生长装置包括聚光屏1，所述聚光屏的作用主要是将红外光源发出 的红外光汇聚到某一处，集中对某一处进行加热。在本发明中，所述聚光屏的形状优选为两 个半球壳形状，所述聚光屏优选为不锈钢聚光屏，本发明对所述聚光屏的尺寸没有特殊的 限制，具有能够容纳所述坩埚和红外光源的空间即可。
[0041] 本发明提供的生长装置包括红外光源2,所述红外光源设置在所述聚光屏的内部， 所述红外光源优选为无影卤素灯，所述红外光源的个数优选为2~4个，更优选为3个，所 述红外光源设置在所述坩埚的周围，优选以所述坩埚的中心铅垂线为轴线对称分布在所述 坩埚的周围，所述红外光源优选在同一个水平面上，以增强红外光的汇聚效果。
[0042] 本发明提供的生长装置包括坩埚3,所述坩埚为晶体生长的场所，为透明坩埚，以 便红外光能够透过，对坩埚内的多晶以及籽晶进行加热。所述坩埚的红外波段透过率优选 多80%，更优选多85%，最优选多90% ;所述坩埚要求热稳定性好，可以耐受较大的温度 梯度，优选能够耐受20°C /mm以上的温度梯度；所述坩埚的熔点优选高于坩埚内部所生长 的晶体，优选比所生长的晶体的熔点高400~2000°C，更优选高500~1500°C，最优选高 600~1200°C。并且，本发明中的坩埚不与所生长晶体的熔体中的任何一种成分发生反应， 也不会被所生长的晶体的熔体侵蚀。在 本发明中，所述坩埚优选为透明陶瓷坩埚、玻璃坩埚 或透明晶体坩埚，具体的，所述透明晶体坩埚优选为氧化铝晶体坩埚。
[0043] 在本发明中，所述坩埚包括坩埚壁6和坩埚底7,所述坩埚优选能够密闭，可以用 来生长易挥发或者易氧化的晶体，所述坩埚壁6具有一定的倾角，以便晶体的取出，所述倾 角为所述倾角的角度优选为0°~3°，更优选为Γ~2° ;所述坩埚底7优选为倒圆锥 形状，所述坩埚底7设置有籽晶槽8,用于放置籽晶，对于可以自发成核的晶体，可以不用籽 晶。本发明对所述坩埚的尺寸没有特殊的限制。
[0044] 本发明提供的生长装置包括坩埚托4,所述坩埚托用于连接坩埚和支撑杆，起支撑 坩埚的作用。在本发明中，所述坩埚托优选与所述坩埚牢固相连，图1中所示的坩埚托只是 一个示例，本发明对所述坩埚托的形状并无特殊的限制，能够起到支撑所述坩埚的作用即 可。
[0045] 本发明提供的生长装置包括支撑杆5,所述支撑杆用于支撑所述坩埚，在本发明 中，所述支撑杆优选能够旋转和升降，所述支撑杆能够以一定的转速旋转可以保证坩埚加 热均匀，所述支撑杆能够升降可以保证红外光对所述坩埚中的多晶和籽晶的不同位置进行 加热，本发明对所述支撑杆的材质和尺寸没有特殊的限制。
[0046] 为了便于观察晶体的生长过程，本发明提供的生长装置优选还包括观察装置（图 中未画出），所述观察装置可以是红外相机或者是滤光片。
[0047] 本发明还提供了一种晶体的生长方法，包括以下步骤：
[0048] 将多晶依次进行熔化和凝固，得到预处理的多晶；
[0049] 采用上述生长装置，将预处理的多晶在坩埚内进行加热，进行晶体的生长，得到单 晶。
[0050] 为了保证晶体生长的连续性，本发明需要将多晶先依次进行熔化和凝固，得到预 处理的多晶，所述多晶的熔化可以直接在晶体生长的坩埚内进行，然后直接在所述晶体生 长的坩埚内进行凝固；也可以在其他与所述晶体生长的坩埚的大小、形状相同的坩埚内进 行，待多晶凝固后将多晶取出，再填入所述晶体生长的坩埚内；或者将所述多晶在其他坩埚 内熔化后，将得到的多晶熔体倒入所述晶体生长的坩埚中，进行凝固。在本发明中，再生长 容易氧化的晶体时，所述熔化和凝固优选在保护气体气氛下进行，以避免多晶氧化，所述保 护气体优选为惰性气体或氮气；更优选为氩气，所述惰性气体的纯度优选为4N(99. 99% )。 本发明中的所述熔化和凝固多晶的方法为本领域技术人员常用的方法。
[0051] 在本发明中，所述多晶优选为锗多晶、氟化钙多晶、碲锌镉多晶、锗酸铋多晶中的 一种或几种。
[0052] 得到预处理的多晶后，本发明采用上述生长装置，将预处理的多晶在所述坩埚内 进行加热，进行晶体的生长，得到晶体。在本发明中，如果多晶是能够自发成核的，可以不使 用籽晶，如果多晶不能自发成核，需要放入籽晶以便进行晶体的生长，即，本发明将籽晶和 预处理的多晶在坩埚内进行加热，进行晶体的生长，得到晶体。
[0053] 本发明优选以第一温度对多晶或籽晶进行加热，加热20~60min后以第一速率降 温至第二温度，对多晶进行加热，进行晶体的生长，晶体生长结束后以第二速率降温至第三 温度，得到晶体。
[0054] 本发明优选以第一温度对籽晶上端的1/3处进行加热，所述第一温度优选为所生 长晶体熔点以上50~KKTC，更优选为所生长晶体熔点以上60~90°C;以所述第一温度加 热的时间优选为20~60min，更优选为30~50min，最优选为40min ;待籽晶的熔区最终保 持稳定后，本发明优选以第一速率降温至第二温度，对多晶进行加热，进行晶体生长，所述 第一速率优选为1~KTC /小时，更优选为2~8°C /小时，最优选为3~7°C /小时；所述 第二温度优选为所生长晶体熔点以上〇~25°C，更优选为所生长晶体熔点以上5~20°C ; 以所述第二温度加热的时间优选为20~60min，更优选为30~50min，最优选为40min ;在 所述晶体生长的过程中，本发明优选根据固液界面的推进状况，适当微调所述第二温度，使 得熔体凹向生长的锗晶体；完成晶体生长过程后，本发明优选以第二速率见闻至第三温度， 得到晶体。所述第二速率优选为20~50°C /小时，更优选为25~45°C /小时，最优选为 30~40°C /小时；所述第三温度优选为20~35°C，更优选为25~30°C。在本发明中，所 述晶体的生长优选在真空条件下进行，所述真空度优选为KT2Pa以下，更优选为KT3Pa以 下。
[0055] 本发明优选采用图1所示的装置，以上述晶体生长的方法进行晶体的生长，在4N 氩气气氛下，将多晶原料在坩埚3中熔化，并在氩气气氛中冷却凝固，之后将多晶原料取 出，在籽晶槽8上装填籽晶，然后将多晶原料装入坩埚3中，抽空内部空气并密封坩埚3,将 坩埚3放在坩埚托4上；固定牢固后，升降支撑杆5,使得聚光屏1的汇聚中心位于籽晶底 端。开启支撑杆5的转速，使转速保持在0~20rpm之间；打开卤素灯2 ;逐渐升高功率，直 至籽晶开始熔化；恒温20~30min，开始下降坩埚3,坩埚的下降速率为5~15mm/h ;根据 固液界面的推进状况，调节加热功率，使得坩埚3内的熔体凹向生长的晶体，且生长界面稳 定；直至未熔化的多晶完全熔化，晶体生长完成。晶体生长结束之后开始降温，降温速率为 30~50°C /h ;待晶体冷却到室温时，取出坩埚3,取出晶体，得到晶体。
[0056] 本发明提供了一种晶体的生长装置，包括：聚光屏；设置在聚光屏内的红外光源 和透明的坩埚，所述红外光源设置在所述坩埚的周围；用于支撑所述坩埚的支撑杆；所述 支撑杆和坩埚通过坩埚托相连接。本发明提供的生长装置采用透明的坩埚作为晶体生长的 场所，本发明提供的晶体的生长装置不仅可以生长常规光学浮区法所能生长的晶体之外， 还能够生长表面张力较低的晶体、容易氧化的晶体和有易挥发组分的晶体，实验结果表明， 本发明提供的生长装置得到的晶体结晶性能良好，无气泡等缺陷，单晶重复率较高，不同批 次间单晶质量差异小。成晶率在90~100%之间。
[0057] 为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种晶体的生长装置及 生长方法进行详细描述，但不能将其理解为对本发明保护范围的限定。
[0058] 实施例1
[0059] 采用如图1所示的生长装置，无影卤素灯有两盏，对称分布，卤素灯功率500W，电 压240V ;无影卤素灯发出的红外光通过表面镀金的不锈钢聚光屏，聚集在晶体生长腔中 心；坩埚为透明石英坩埚，坩埚内径6_，长度80_，壁厚2_，坩埚表面光洁；坩埚放置在位 于晶体生长腔中心铅垂线的不锈钢材坩埚托上，坩埚托与坩埚牢固固定；坩埚托放置在可 以升降和旋转的支撑杆5上。坩埚下端有籽晶槽，籽晶槽直径4mm，长度10mm。坩埚内壁的 倾角为Γ。
[0060] 将清洗（I11)方向的籽晶放置在籽晶槽内，籽晶长度为10mm，直径4mm。将5N 8g 锗多晶原料在其他石英坩埚中融化后，倒入石英坩埚内，并使熔体缓慢凝固，在此过程中保 证籽晶不完全融化；整个熔化和倾倒过程在充满4N氩气气氛的手套箱内进行，避免锗高温 熔体氧化。锗熔体凝固且石英坩埚冷却后，将石英坩埚取出，抽真空后密封石英坩埚。之后 将石英坩埚放在坩埚托上；固定牢固后，升降支撑杆，使得聚光屏的汇聚中心位于籽晶上端 1/3处，且保证此范围内有未熔籽晶。调节支撑杆的转速在20rpm ;打开无影卤素灯；逐渐 升高卤素灯功率，直至籽晶开始融化；恒温60min后，熔区逐渐扩大并最终保持稳定；之后 开始下降石英坩埚，坩埚的下降速率为l〇mm/h ;根据固液界面的推进状况，调节加热功率， 使得熔体凹向生长的锗晶体，且维持生长界面稳定；直至未融化的多晶完全融化，晶体生长 完成。晶体生长结束之后开始降温，降温速率为50°C /h ;待晶体冷却到室温时，取出石英坩 埚，取出晶体，得到锗单晶。
[0061] 本实施例得到的锗单晶结晶状况良好，成晶率在90~100%之间；无开裂、多晶、 气泡等缺陷；单晶重复率较高，不同批次间单晶质量差异小。
[0062] 按照GB/T5252检测，本实施例得到的锗单晶位错密度在10000/cm2左右，与文 献报道的悬浮区熔法生长的锗单晶的位错密度基本类似（电子工业专用设备，2012:210 ; 36-39)。
[0063] 实施例2
[0064] 采用图1所示的生长装置，无影卤素灯有两盏，对称分布，卤素灯功率1000W，电压 240V ;无影卤素灯发出的红外光通过表面镀金的不锈钢聚光屏，聚集在晶体生长腔中心； 坩埚为透明石英坩埚，坩埚内径5mm，长度80mm，壁厚2mm，坩埚表面光洁；坩埚放置在位于 晶体生长腔中心铅垂线的坩埚托上，不锈钢材质的坩埚托与坩埚牢固固定；坩埚托放置在 可以升降和旋转的支撑杆上。坩埚下端有籽晶槽，籽晶槽直径为4mm，长度5mm。坩埚内壁 倾角为3°。
[0065] 4N氩气气氛下，将4g的5N CaF2粉末原料在透明石英坩埚中熔化，并在氩气气氛 中冷却。之后将多晶料取出，在籽晶槽上装填籽晶，籽晶直径4mm，长度5mm ;之后将多晶料 装入坩埚中，抽空内部空气并密封石英坩埚；将石英坩埚放在坩埚托上；固定牢固后，升降 支撑杆，使得聚光屏的汇聚中心位于籽晶底端。开启支撑杆的转速，使转速保持在5rpm; 打开卤素灯；逐渐升高功率，直至籽晶开始融化；恒温20min，开始下降石英坩埚，坩埚的下 降速率为5mm/h ;根据固液界面的推进状况，调节加热功率，使得熔体凹向生长的CaF2单晶 体，且生长界面稳定；直至未融化的多晶完全融化，晶体生长完成。晶体生长结束之后开始 降温，降温速率为30°C /h ;待晶体冷却到室温时，取出坩埚，取出晶体，得到CaF2单晶。
[0066] 本实施例得到的CaF2晶体结晶性能良好，无气泡等缺陷；单晶重复率较高，不同批 次间单晶质量差异小。
[0067] 实施例3
[0068] 采用如图1所示的生长装置，无影卤素灯有两盏，对称分布，卤素灯功率650W，电 压240V ;无影卤素灯发出的红外光通过表面镀金的不锈钢聚光屏，聚集在晶体生长腔中 心；坩埚为透明石英坩埚，坩埚内径为8_，长度80_，壁厚2_，坩埚表面光洁；坩埚放置在 位于晶体生长腔中心铅垂线的坩埚托上，不锈钢材质的坩埚托与坩埚牢固固定；坩埚托放 置在可以升降和旋转的支撑杆上。坩埚下端有籽晶槽，籽晶槽直径为4_，长度10_。坩埚 内壁倾角为2°。
[0069] 4N氩气气氛下，将5. 5g的5N碲锌镉多晶原料在透明石英坩埚中融化并冷却凝 固；之后抽空内部气体并密封石英坩埚；之后将石英坩埚放在坩埚托上；固定牢固后，升降 支撑杆，使得聚光屏的汇聚中心位于籽晶底端。开启支撑杆的转速，转速控制在Srpm之间； 打开卤素灯；逐渐升高功率，直至籽晶部位的多晶开始融化；恒温60min后开始下降石英坩 埚，坩埚下降速率为3mm/h;根据固液界面的推进状况，调节加热功率，使得熔体凹向生长 的碲锌镉单晶体，且生长界面稳定；直至未熔化的碲锌镉多晶完全熔化，碲锌镉晶体生长完 成。碲锌镉晶体生长结束之后开始降温，降温速率为40°C /h ;待碲锌镉晶体冷却到室温时， 取出坩埚，取出碲锌镉晶体，得到碲锌镉单晶。
[0070] 本实施例得到的碲锌镉晶体结晶性能良好，经过籽晶区域多晶几何淘汰之后，逐 渐发育成单晶体，并维持到晶体生长结束。除籽晶区域外，单晶体部分无开裂、多晶、气泡等 缺陷。
[0071] 本发明将本实施例制备的碲锌镉单晶切片、抛光、并用EAg- I腐蚀液腐蚀后，检 测EPD (低腐蚀坑密度）为40000/cm2左右，与THM法生长的晶体的位错密度相当（李含东， 《碲锌镉单晶体的生长与缺陷》，四川大学硕士论文，2004年）。
[0072] 实施例4
[0073] 用如图1所示的生长装置，无影卤素灯有四蓋，对称分布肩素灯功率500W，电压 240V ;无影卤素灯发出的红外光通过表面镀金的不锈钢聚光屏，聚集在晶体生长腔中心； 坩埚为透明氧化铝晶体坩埚，坩埚内径为8_，长度80_，壁厚3_，坩埚表面抛光；坩埚放 置在位于晶体生长腔中心铅垂线的坩埚托上，不锈钢材质的坩埚托与坩埚牢固固定；坩埚 托放置在可以升降和旋转的支撑杆上。坩埚下端籽晶槽直径为8_，与坩埚直径相同。
[0074] 将清洗（111)方向的籽晶放置在籽晶槽内，籽晶长度为10臟，直径8mm。将5N 15g 锗酸铋多晶原料在其他铂金坩埚中融化后，倒入氧化铝晶体坩埚内，并使熔体缓慢凝固，在 此过程中保证籽晶不完全融化；之后将氧化铝晶体坩埚放在坩埚托上；固定牢固后，升降 支撑杆，使得聚光屏的汇聚中心位于籽晶底端。开启支撑杆的转速，转速控制在15rpm之 间；打开卤素灯；逐渐升高功率，直至籽晶部位的多晶开始融化；恒温60min后开始下降氧 化铝晶体坩埚，坩埚下降速率为2mm/h ;根据固液界面的推进状况，调节加热功率，使得熔 体凹向生长的锗酸铋单晶体，且生长界面稳定；直至未熔化的锗酸铋多晶完全熔化，锗酸铋 晶体生长完成。锗酸铋晶体生长结束之后开始降温，降温速率为30°C /h ;待锗酸铋晶体冷 却到室温时，取出坩埚，取出锗酸铋晶体，得到锗酸铋单晶。
[0075] 本实施例得到的锗酸铋晶体结晶性能良好，肉眼观察无开裂、多晶、气泡等缺陷。 单晶重复率较高，不同批次间单晶质量差异小。
[0076] 经以上实施例可以看出，采用本发明提供的生长装置，不仅可以生长常规光学浮 区法所能生长的晶体之外，还能够生长低表面张力晶体、容易氧化的晶体和有易挥发组分 的晶体，并且得到的晶体结晶性能良好，无气泡等缺陷；单晶重复率较高，不同批次间单晶 质量差异小，位错密度较低。
[0077] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种晶体的生长装置，包括：聚光屏； 设置在聚光屏内的红外光源和透明的坩埚，所述红外光源设置在所述坩埚的周围； 用于支撑所述坩埚的支撑杆； 所述支撑杆和坩埚通过坩埚托相连接。2. 根据权利要求1所述的生长装置，其特征在于，所述坩埚为透明陶瓷坩埚、玻璃坩埚 或透明晶体坩埚。3. 根据权利要求1所述的生长装置，其特征在于，所述坩埚包括坩埚壁和坩埚底，所述 坩埚壁具有倾角，所述坩埚底设置有籽晶槽。4. 根据权利要求1所述的生长装置，其特征在于，所述坩埚的红外波段透过率多80%。5. 根据权利要求1所述的生长装置，其特征在于，所述坩埚的熔点比所生长的晶体的 熔点高400~2000°C。6. 根据权利要求1所述的生长装置，其特征在于，所述红外光源为无影卤素灯，所述红 外光光源的个数为2~4个。7. 根据权利要求1所述的生长装置，其特征在于，所述红外光源以所述坩埚的中心铅 垂线为轴线对称分布在所述坩埚的周围。8. 根据权利要求1所述的生长装置，其特征在于，所述支撑杆为可升降和旋转的支撑 杆。9. 一种晶体的生长方法，包括以下步骤： 将多晶依次进行熔化和凝固，得到预处理的多晶； 采用权利要求1~8任意一项所述的生长装置，将预处理的多晶在坩埚内进行加热，进 行晶体的生长，得到单晶。10. 根据权利要求9所述的生长方法，其特征在于，所述加热的过程具体包括： 以第一温度对多晶进行加热，加热20~60min后以第一速率降温至第二温度，对多晶 进行加热，进行晶体的生长，晶体生长结束后以第二速率降温至第三温度，得到晶体； 所述第一温度为所生长晶体熔点以上50~KKTC; 第二温度为所生长晶体熔点以上〇~25°C; 第三温度为20~35°C; 第一速率为1~KTC/小时； 第二速率为20~50°C/小时。
【专利摘要】本申请提供了一种晶体的生长装置，包括：聚光屏；设置在聚光屏内的红外光源和透明的坩埚，所述红外光源设置在所述坩埚的周围；用于支撑所述坩埚的支撑杆；所述支撑杆和坩埚通过坩埚托相连接。本发明提供的生长装置采用透明的坩埚作为晶体生长的场所，本发明提供的晶体的生长装置不仅可以生长常规光学浮区法所能生长的晶体之外，还能够生长表面张力较低的晶体、容易氧化的晶体和有易挥发组分的晶体，实验结果表明，本发明提供的生长装置得到的晶体结晶性能良好，无气泡等缺陷，单晶重复率较高，不同批次间单晶质量差异小。成晶率在90～100％之间。本发明还提供了一种晶体的生长方法。
【IPC分类】C30B13/22
【公开号】CN104894637
【申请号】CN201510383437
【发明人】狄聚青, 朱刘, 胡丹
【申请人】清远先导材料有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年7月1日
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