晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构及方法技术

一种晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构及方法，涉及一种晶体材料的生长设备，在炉室(2)内设有坩埚(7)，坩埚的下部处于多层套筒内，多层套筒下端处于于支撑环上，支撑环处于炉室底板或底部保温层(16)上，形成坩埚的下部独立空间；在多层套筒外部设有发热体(5)；冷却介质降温机构设置在多层套筒内的下部；由冷却介质降温机构获取的坩埚底部低温区形成坩埚的温度梯度；当发热体对坩埚加热时，通入坩埚下部的冷却介质降温机构的冷气便会处于多层套筒内，最大可能的使冷能不外泄；而此时的发热体也受到冷能的影响最小，较好的实现了坩埚上部温度高下部温度底的温度梯度；由于多层筒套的作用，可确保坩埚极少出现非均匀晶核。

【技术实现步骤摘要】
晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构及方法
本专利技术涉及一种晶体材料的生长设备，具体地说本专利技术涉及一种生长蓝宝石、多晶硅或单晶硅等晶体材料生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构及方法。
技术介绍
在多晶硅、单晶硅或蓝宝石等晶体材料生长过程中，其中多晶硅碎料在坩埚中生长成为多晶硅锭以及多晶硅转换为单晶硅时，通过对坩埚的加热温度控制，并利用设置在坩埚底部的籽晶，使融化并围绕籽晶新生长的晶体按照籽晶的晶粒排列方式进行排列：其中籽晶为单晶时，新生长晶体的硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，这些晶核长成与籽晶晶面取向相同的晶粒，则新生长的晶体就是单晶硅；若籽晶为多晶时，这些晶核长成与籽晶晶面取向不同的晶粒，则新生长的晶体就是多晶硅；但是这个过程必须是在一个密闭的炉体内完成的。在新晶体生长的过程中，炉室内的坩埚需要形成下低上高的温度梯度，为了形成温度梯度，传统设备通过改变坩埚的下部保温效果，增加热量的散失以便形成坩埚所需的下低上高的温度梯度。也有技术是通过在下轴内通入液氦等低温流体，由低温流体实现带走坩埚下部热量的目的，从而形成坩埚上下的温度差“温度梯度”的效果；以热交换法为例，其生长方法为：A、首先通过加热体加热熔化坩埚内的晶体材料碎料，使碎料熔体温度保持略高于熔点5～10℃；B、待坩埚底部设置的籽晶上端部分被熔化时“这时晶体材料碎料也已经融化”，开始缓慢下降炉室内的温度“同时也使坩埚的温度降低，以便融化的晶体材料碎料结晶”；C、对炉室内坩埚底部的下轴注入氦气，通过下轴的温度传递对坩埚底部进行强制冷却，这一过程中首先感知低温的是坩埚底部以及设置在坩埚内底部的籽晶，低温会随着籽晶向融化的晶体材料碎料辐射；D、融化的晶体材料就会以籽晶为核心，逐渐生长出充满整个坩埚的晶体；这便是晶体材料的结晶过程。上述方式在生长时所需要件包括：坩埚的底部必须与下轴紧密连接，形成温度导体；前期加热坩埚时耗热量极大；坩埚在加热过程中由于摆放角度的原因，使得加热体对于坩埚的加热不均匀，使得坩埚四周的外缘面容易形成部分距离较近处较热，其它相对于较热部分的温度较冷，这种环境下便会出现非均匀晶核。同理，蓝宝石的加工方法包括提拉法、坩埚下降法、导模法、热交换法、泡生法等，针对目前对蓝宝石制备的方法，以上制备方法都采用支撑体旋转带动坩埚同步旋转的方案，坩埚内的蓝宝石结晶过程受到微震使得结晶过程出现晶震现象而形成部分晶体错位，造成品质下降。即使是温度梯度法生长蓝宝石，也会出现坩埚在加热过程中摆放角度的偏差，使得加热体对于坩埚的加热不均匀，生长出的蓝宝石容易出现非均匀晶核。为了克服前述问题，本专利技术人在先专利申请“一种生长晶体材料时的温度梯度控制装置及其方法，由于受理通知书尚未到达，因此在本专利申请中并未给出申请号，如需查询可通过后期检索查阅该专利申请文献”中公开了增加套筒形成的温度梯度控制，实际使用中的温度梯度控制较好的实现了专利技术人的诉求，但是专利技术人通过实验发现单层的套筒效果略逊于多层套筒。
技术实现思路
为了克服
技术介绍
中的不足，本专利技术公开了一种晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构及方法，利用所述多层套筒最大可能的使坩埚下部的冷能不外泄，使得坩埚形成温度梯度控制。为了实现上述专利技术的目的，本专利技术采用如下技术方案：一种晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，包括炉室、发热体、多层套筒、坩埚和冷却介质降温机构，在炉室内设有坩埚，坩埚的下部处于多层套筒内，所述多层套筒下端处于炉室底板或底部保温层上；或多层套筒下端处于支撑环上，所述支撑环处于炉室底板或底部保温层上，在多层套筒外部设有发热体；冷却介质降温机构设置在所述多层套筒内的下部；由冷却介质降温机构获取坩埚底部低温区，所述低温区形成坩埚上部温度高下部温度底的温度梯度。所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，在发热体的外部炉室内设有保温罩。所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，所述冷却介质降温机构包括下轴、多层套筒，所述下轴内接通循环的冷却介质，多层套筒内所述下轴中的冷却介质形成坩埚的温度梯度控制，所述坩埚的下部与下轴的上端连接或间隔设置，下轴的下部穿过炉室底板或底部保温层后连通冷却介质。所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，多层套筒包括外筒和内筒，内筒的底部向内设有收口，支撑环A的上下两端分别连接内筒底部的收口和炉室底板或底部保温层的上部面，在内筒底部的向内收口上部面上设有中空结构的支架，坩埚下部坩埚底部凸出设置在支架上端的孔内，其中坩埚底部凸出裸露在支架的中空结构内，在支架上设有多个贯通内筒内和支架中空结构内的冷气孔，下轴的上端与坩埚底部凸出间隔设置，所述下轴与内筒的向内收口口部留有间距，形成下轴的可上下伸缩结构。所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，外筒的下端处于炉室底板或底部保温层的上部面；或在外筒的下端设有底部向内设有收口，支撑环B的上下两端分别连接外筒底部的收口和炉室底板或底部保温层的上部面。所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，套筒内筒上部设有向上延伸部分，套筒内筒的向上延伸部分内侧面包裹所述坩埚的外部上面。所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，所述下轴内的上部至下端为空心结构，在空心结构的下轴内设有管路，所述管路的内部为冷却介质通路，冷却介质顺着管路内上流后沿着管路与下轴的空心结构之间回流，形成坩埚的底部降温结构；或所述管路与下轴的空心结构之间的外部为冷却介质通路，冷却介质顺着管路外与下轴内的空心结构之间间隙上流后沿着管路内回流，形成坩埚的底部降温另一替换结构。所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，在坩埚与下轴的连接处外缘面上设有坩埚固定套，由坩埚固定套形成坩埚的防侧歪结构；或下轴的上端设置对应坩埚底部凸出的凹陷，由凹陷形成坩埚的防侧歪结构。所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，所述多层套筒包括内筒和外筒，在内筒的底部设有穿孔，内筒的中部筒底上的穿孔套在下轴上，内筒的上端与坩埚上端口持平；或略低于坩埚的上端口；或略高于坩埚的上端口。所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，所述外筒上端设有上部收口，上部收口包裹在内筒的上端口外部。所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，所述外筒设置为向下延伸，外筒的向下延伸下端部设置在炉室底板或底部保温层上，外筒和内筒形成倒鱼钩形结构，在内筒下部设有中部筒底。所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，所述外筒与内筒的中部之间设有中部连接环，使所述外筒与内筒的一侧切面形成“H”形结构。所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，在“H”形结构所述外筒和内筒的内筒下部设有中部筒底。所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，所述中部筒底的中部设有穿孔，穿孔套在下轴上，穿孔的内壁间隔设有多个豁口，由所述豁口形成下轴下部四周的冷气上升通路；或在穿孔周围的中部筒底上设有多个冷气孔，由冷气孔形成下轴下部四周的冷气上升通路。所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，所述外筒与内筒的底部之间设有下连接环，使所述外筒与内筒与下连接环一侧的切面形成“本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，其特征是：包括炉室(2)、发热体(5)、多层套筒、坩埚(7)和冷却介质降温机构，在炉室(2)内设有坩埚(7)，坩埚(7)的下部处于多层套筒内，所述多层套筒下端处于炉室底板或底部保温层(16)上；或多层套筒下端处于支撑环上，所述支撑环处于炉室底板或底部保温层(16)上，在多层套筒外部设有发热体(5)；冷却介质降温机构设置在所述多层套筒内的下部；由冷却介质降温机构获取坩埚(7)底部低温区，所述低温区形成坩埚(7)上部温度高下部温度底的温度梯度。

【技术特征摘要】
1.一种晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，其特征是：包括炉室(2)、发热体(5)、多层套筒、坩埚(7)和冷却介质降温机构，在炉室(2)内设有坩埚(7)，坩埚(7)的下部处于多层套筒内，所述多层套筒下端处于炉室底板或底部保温层(16)上；或多层套筒下端处于支撑环上，所述支撑环处于炉室底板或底部保温层(16)上，在多层套筒外部设有发热体(5)；冷却介质降温机构设置在所述多层套筒内的下部；由冷却介质降温机构获取坩埚(7)底部低温区，所述低温区形成坩埚(7)上部温度高下部温度低的温度梯度；所述多层套筒包括内筒(10)和外筒(9)，在内筒(10)的底部设有穿孔(22)，内筒(10)的中部筒底(14)上的穿孔(22)套在下轴(12)上，内筒(10)的上端与坩埚(7)上端口持平；或略低于坩埚(7)的上端口；或略高于坩埚(7)的上端口。2.根据权利要求1所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，其特征是：在发热体(5)的外部炉室(2)内设有保温罩(1)。3.根据权利要求1所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，其特征是：所述冷却介质降温机构包括下轴(12)、多层套筒，所述下轴(12)内接通循环的冷却介质，多层套筒内所述下轴(12)中的冷却介质形成坩埚(7)的温度梯度控制，所述坩埚(7)的下部与下轴(12)的上端连接或间隔设置，下轴(12)的下部穿过炉室底板或底部保温层(16)后连通冷却介质。4.根据权利要求1所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，其特征是：多层套筒包括外筒(9)和内筒(10)，内筒(10)的底部向内设有收口，支撑环A(19)的上下两端分别连接内筒(10)底部的收口和炉室底板或底部保温层(16)的上部面，在内筒(10)底部的向内收口上部面上设有中空结构的支架(18)，坩埚(7)下部坩埚底部凸出(21)设置在支架(18)上端的孔内，其中坩埚底部凸出(21)裸露在支架(18)的中空结构内，在支架(18)上设有多个贯通内筒(10)内和支架(18)中空结构内的冷气孔(17)，下轴(12)的上端与坩埚底部凸出(21)间隔设置，所述下轴(12)与内筒(10)的向内收口口部留有间距，形成下轴(12)的可上下伸缩结构。5.根据权利要求4所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，其特征是：外筒(9)的下端处于炉室底板或底部保温层(16)的上部面；或在外筒(9)的下端设有底部向内设有收口，支撑环B(20)的上下两端分别连接外筒(9)底部的收口和炉室底板或底部保温层(16)的上部面。6.根据权利要求4所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，套筒内筒(10)上部设有向上延伸部分，套筒内筒(10)的向上延伸部分内侧面包裹所述坩埚(7)的外部上面。7.根据权利要求3所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，其特征是：所述下轴(12)内的上部至下端为空心结构，在空心结构的下轴(12)内设有管路(13)，所述管路(13)的内部为冷却介质通路，冷却介质顺着管路(13)内上流后沿着管路(13)与下轴(12)的空心结构之间回流，形成坩埚(7)的底部降温结构；或所述管路(13)与下轴(12)的空心结构之间的外部为冷却介质通路，冷却介质顺着管路(13)外与下轴(12)内的空心结构之间间隙上流后沿着管路(13)内回流，形成坩埚的底部降温另一替换结构。8.根据权利要求3所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，其特征是：在坩埚(7)与下轴(12)的连接处外缘面上设有坩埚固定套(11)，由坩埚固定套(11)形成坩埚(7)的防侧歪结构；或下轴(12)的上端设置对应坩埚底部凸出(21)的凹陷，由凹陷形成坩埚(7)的防侧歪结构。9.根据权利要求1所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，其特征是：所述外筒(9)上端设有上部收口(27)，上部收口(27)包裹在内筒(10)的上端口外部。10.根据权利要求1所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，其特征是：所述外筒(9)设置为向下延伸，外筒(9)的向下延伸下端部设置在炉室底板或底部保温层(16)上，外筒(9)和内筒(10)形成倒鱼钩形结构，在内筒下部设有中部筒底(14)。11.根据权利要求1所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，其特征是：所述外筒(9)与内筒(10)的中部之间设有中部连接环(23)，使所述外筒(9)与内筒(10)的一侧切面形成“H”形结构。12.根据权利要求11所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，其特征是：在“H”形结构所述外筒(9)和内筒(10)的内筒(10)下部设有中部筒底(14)。13.根据权利要求12所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，其特征是：所述中部筒底(14)的中部设有穿孔(22)，穿孔(22)套在下轴(12)上，穿孔(22)的内壁间隔设有多个豁口(28)，由所述豁口(28)形成下轴(12)下部四周的冷气上升通路；或在穿孔(22)周围的中部筒底(14)上设有多个冷气孔(17)，由冷气孔(17)形成下轴(12)下部四周的冷气上升通路。14.根据权利要求1所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，其特征是：所述外筒(9)与内筒(10)的底部之间设有下连接环(26)，使所述外筒(9)与内筒(10)与下连接环(26)一侧的切面形成“U”形结构。15.根据权利要求1所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，其特征是：所述外筒(9)的底部设有穿孔(22)，外筒(9)的筒底部穿孔(22)与内筒(10)的筒底间隔套在下轴(12)上，外筒(9)的上端与内筒(10)的上端口持平；或外筒(9)的上端略低于内筒(10)的上端口；或外筒(9)的上端略高于内筒(10)的上端口；外筒间隔包裹在内筒(10)的外部。16.根据权利要求15所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，其特征是：在外筒(9)和内筒(10)之间，内筒(10)和坩埚(7)之间的上端分别设有密封盖环(3)。17.根据权利要求16所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，其特征是：所述的盖环(3)下部面开槽形成的倒“凹”形截面(29)结构，由开槽卡住内筒(10)的上端，开槽两侧的环形向下凸起分别插在外筒(9)和内筒(10)之间，以及内筒(10)和坩埚(7)之间。18.根据权利要求15所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，其特征是：在内筒(10)和外筒(9)底部穿孔(22)的下部的下轴(12)上分别设有套筒固定套(15)。19.根据权利要求1所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，其特征是：在外筒(9)和内筒(10)的上端设有上连接环(4)，由所述上连接环(4)使外筒(9)和内筒(10)形成一体。20.根据权利要求1所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，其特征是：在外筒(9)和内筒(10)之间设有至少一个中筒(24)，使所述外筒(9)、内筒(10)和中筒(24)形成多层的套筒结构。21.根据权利要求1所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，其特征是：在外筒(9)的外部面设有外环(25)，所述外环(25)的外缘上部或下部设有外筒(9)，形成外筒(9)的上部大下部小结构；或形成外筒(9)的下部大上部小结构。22.根据权利要求1所述的晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构，其特征是：所述冷却介质降温机构，在多层套筒内筒(10)下部的炉室底板或底部保温层(16)上设有至少...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘朝轩，王晨光，
申请(专利权)人：洛阳金诺机械工程有限公司，
类型：发明
国别省市：