一种提拉法长晶装置和方法与流程

本发明属于晶体生长，具体涉及一种提拉法长晶装置和方法。

背景技术：

1、提拉法是生长铌酸锂、钽酸锂、铌酸钙、yag、lgs、氧化镓等晶体的常用方法，长晶过程主要包括化料、稳晶、缩颈、扩面、等径等阶段，在生长过程中，长晶用的铂金或铱金坩埚因热胀冷缩，坩埚的形状易发生较大变化，导致熔体液面波动，固液界面和生长速率变化，从而造成晶体缺陷。尤其在晶体扩面阶段，因晶体直径变大、熔汤液面下降、坩埚的裸露，造成热损耗增加，生长速率过快，导致晶体生长存在应力大易开裂；而在等径阶段则需要合适的轴向梯度，避免生长界面过冷导致的铌酸锂晶体甩尾现象和气泡缺陷，因此急需研发一种能够较好控制长晶过程中轴向和径向温度梯度的方法，以便生长出高质量晶体。

2、为解决上述问题，公告号为cn105019024b的专利公开了一种利用温度梯度可调节的温场装置生长近化学计量比铌酸锂晶体的方法，此方法中可移动的温场顶部保温帽是内部温场的组成部分，直接接触内部温场环境，移动过程中内部温场是变化剧烈不稳定的，且只能调节纵向梯度。另外，该长晶过程中的放肩阶段，保温帽与坩埚距离最大且是静止状态，虽然该操作能够使径向温度梯度最大，加大长晶动力，但忽略了因晶体直径变大、熔汤液面下降、坩埚的裸露所造成的热损耗增加、生长速率过快等问题，导致晶体生长应力大易开裂；而且，该发明没有匹配底部加热装置的调温控制、也没有考虑熔汤液位的控制，并没有精细化的控制轴向和径向温度梯度、晶体生长速率，不利于提升晶体品质。

3、公开号cn113550008a的专利公开了一种超大尺寸铌酸锂晶体的生长装置和方法，此方法是在保温层下方设有透光底座，通过激光加热器给铂金坩埚底部加热，此方法成本太高，技术要求也过高，不利于实际操作。

4、公开号cn115537911a的专利公开了一种提拉法制备大尺寸晶体的方法和设备，此方法是通过电机升降坩埚来调整生长结晶的埚位及温度梯度，适应生长前期和后期对温场埚位的不同需求，但实际操作过程中，机械振动难免会直接影响坩埚内部液面波动，晶体易出现机械孪晶，而且在引晶和生长过程中很难控制温场内部温度的波动，易造成固液界面的不稳定，从而造成晶体内部缺陷。

5、因此，需要研究一种提拉法长晶装置和方法，在长晶过程中，既保证固液界面，又保障轴向和径向温度梯度的互相匹配，抑制组分过冷及分凝，减少晶体中的生长条纹等缺陷的方法，迫在眉睫。

技术实现思路

1、本发明提供一种提拉法长晶装置，该装置的结构为：长晶坩埚置于子母组合坩埚内的子坩埚内，第一保温层填充于子母组合坩埚内的子坩埚和母坩埚间隙中，长晶坩埚口高于第一保温层，第一保温层外侧设有主加热器，长晶坩埚上方设置第二保温层，籽晶杆穿过第二保温层挂于坩埚上方，径向温度调节装置置于第二保温层外侧，连接升降模块，能够沿着升降模块上下移动，底部辅助加热装置在坩埚下方，并置于第三保温层中。

2、优选的，长晶坩埚材质是铂金，子母组合坩埚的材质是陶瓷或刚玉；

3、优选的，第一保温层由氧化锆沙组成；

4、优选的，底部辅助加热装置为直型加热棒，材质为硅钼棒、硅碳棒的一种；径向温度调节装置的截面外观形状呈梯形或者方形，材质是氧化铝纤维棉、硅酸铝纤维棉、氧化锆砖、莫来石砖的一种或组合；

5、优选的，径向温度调节装置中间和第二保温层之间留有2-5mm缝隙，便于径向温度调节装置上下移动，向下可最远移动至贴合第一保温层上边缘处；长晶坩埚口露出第一保温层外10-15mm。

6、热场装置的尺寸与生长的晶体尺寸相关，当生长6英寸晶体时，长晶坩埚直径为210-300mm，高度为90-120mm；当生长4英寸晶体时，长晶坩埚直径为120-200mm，高度为90-150mm；当生长3英寸晶体时，长晶坩埚直径为120-200mm，高度为50-100mm。

7、采用上述长晶装置进行晶体生长的方法，包括以下步骤：

8、a、装炉升温：将原料填入坩埚内，然后将径向温度调节装置向上移动至坩埚口上方初始位置固定，不接触坩埚口，籽晶杆装上籽晶并开启旋转，开启主加热器和底部辅助加热装置，待长晶坩埚内原料熔融，底部辅助加热装置停止升温，保持当前温度；其中，步骤a中，投入第一炉原料重量m=ρπr²w，其中m为原料总重量，ρ为原料熔体密度，r为长晶坩埚半径，h为长晶坩埚高度，h为长晶坩埚口露出保温层外高度，w为理论上原料融化后的熔汤液面高度，w=（h-2h）±5mm；

9、b、引晶阶段：径向温度调节装置位置保持不变，主加热器开始降温，并下降籽晶至碰触熔液面，籽晶缩颈后进行晶体生长；

10、c、扩面阶段：径向温度调节装置按照2-3mm/h的速率开始向下移动，同时，进行晶体提拉和旋转，进行晶体扩面；

11、d、等径阶段：晶体扩面完成后，进行等径生长，增大晶体拉速和降低转速，同时降低径向温度调节装置的向下移动速率至1-2mm/h，在晶体自动生长程序参数中提前设定晶体长度的1/2位置，当达到这个位置时，底部辅助加热装置开始按照1-3℃/h速率进行升温，直到完成等径生长；

12、e、收尾阶段：径向温度调节装置继续向下移动直至和第一保温层上边缘贴合，同时，晶体继续进行提拉和旋转，直至晶体收尾后自动脱离，降温后取出晶体。

13、其中，本方法适用于铌酸锂、钽酸锂、铌酸钙、yag、lgs、氧化镓等晶体的提拉法长晶。

14、其中，步骤a中，径向温度调节装置的初始位置设定在离坩埚口上方20-50mm处；籽晶杆上的籽晶底部和坩埚口齐平，记录当前籽晶位置，将称取好m重量的原料填入长晶坩埚内，开启主加热器和底部辅助加热装置，底部辅助加热装置的升温速率是主加热器升温速率的0.2-1倍，待长晶坩埚内原料熔融，停止底部辅助加热装置升温，保持当前温度；

15、优选的，步骤a中，主加热器升温速率控制在100-150℃/h，底部辅助加热装置升温速率控制在50℃-80℃/h。

16、其中，步骤b中，籽晶碰触熔液面时，籽晶接触液面的一端到长晶坩埚口的距离为t，t =w-h，为负数，通过监测数值t来确认液位的变化；

17、优选的，步骤b中，主加热器开始降温时，主加热器以3-5℃/h的速率降温，籽晶下降速率为10-30mm/h，籽晶下降直至碰触液面，缓慢降温是避免剧烈的温度波动会引起整个长晶温度梯度的变化，熔汤内易形成包裹体；低速下降籽晶是避免籽晶过快下降造成籽晶受损而影响晶体易出现多晶；

18、其中，步骤b中，当籽晶下降直至碰触液面时，旋转的籽晶与熔汤液面接触呈圆形环绕，形成光圈，如果籽晶光圈增大，主加热器按照5-10℃/h的速率升温，反之，主加热器按照5-10℃/h的速率降温，直至光圈和籽晶一致大小，恒温3-6h，然后进行缩颈、扩面。

19、其中，步骤c中，径向温度调节装置下降，下降速率具体为2 mm/h、2.3 mm/h、2.5mm/h、2.8 mm/h或3 mm/h；晶体拉速控制在1-1.5mm/h，具体为1mm/h、1.2mm/h、1.3mm/h、1.4mm/h或1.5 mm/h；转速8-10r/min，具体为8r/min 、8.5r/min、9r/min、9.5r/min或10r/min；优选的，径向温度调节装置下降速率等于晶体拉速，有助于调节晶体头部热损耗量，减小径向梯度降低晶体头部应力。

20、其中，步骤d中，径向温度调节装置下降，晶体拉速控制在2-3mm/h，具体为2mm/h、2.2mm/h、2.4mm/h、2.6mm/h、2.8mm/h或3mm/h；转速5-7r/min，具体为5.5r/min、6r/min或6.5r/min；在晶体自动生长程序参数中提前设定晶体长度的1/2位置，当达到这个位置（即等径1/2阶段）时，底部辅助加热装置按照1.5-2.5℃/h进行升温；

21、其中，步骤d中，因晶体等径生长到后期，液面下降多，长晶坩埚裸露部分多，造成热损耗增加，生长速率过快，生长界面处于过凸界面，所以底部辅助加热装置升温，并配合晶体拉速，转速和径向温度调节装置移动，使轴向梯度增加，生长界面处于平或者微凸最佳界面生长，避免了晶体甩尾、气泡团凝聚等缺陷，同时确保晶体形状规则，减少晶体生长条纹的产生。

22、其中，步骤e中，径向温度调节装置继续按照1-2mm/h的速率向下移动直至和第一保温层上边缘贴合，晶体拉速控制在1-2mm/h，转速5-7r/min，直至晶体收尾后自动脱离；主加热器按照50℃-100℃/h速度开始降温，底部辅助加热装置以30℃-60℃/h速度开始降温，降至常温后取出晶体；

23、优选的，步骤e中，底部辅助加热装置的降温速率为主加热器降温速率的一半；

24、其中，步骤e中，晶体收尾后自动脱离时晶体头尾热损耗散热差距大，易引起晶体热应力开裂，故通过底部辅助加热装置降温，可以减缓头尾热损耗差距。

25、本发明提出的一种提拉法长晶装置和方法，有益效果在于：

26、1.本发明设置了底部辅助加热装置、径向温度调节装置，有助于晶体生长时的温度梯度调节，底部辅助加热装置在原料熔融阶段能够辅助化料，通过径向温度调节装置升降调节，减少晶体径向梯度，减少晶体头部应力，在等径阶段通过底部辅助加热装置和径向温度调节装置共同调节，增大晶体轴向生长梯度，避免了晶体甩尾、气泡团凝聚等缺陷，有助于实现高质量晶体的生产，可实现3-12英寸晶体的生长；

27、2.本发明使用子母组合坩埚作为装长晶坩埚的容器，长晶坩埚紧贴容器壁，避免了因长晶坩埚底凸变形、坩埚沉降等引起的固液界面的不稳定，改善晶体的生长条纹等缺陷；同时，因坩埚是紧贴容器壁，坩埚取放方便，减少了人员的工作量，降低因翻锅对原料纯度的影响，明显提升了生产效率和降低了成本；

28、3.本发明通过测量监测晶体生长熔汤的液位，确定填料重量，将长晶坩埚装入子母组合坩埚中，保证晶体生长时的固液界面的稳定，减少晶体的气泡、浑浊等缺陷，同时，固定的液位也有利于晶体形状控制，可实现高质量同尺寸晶体的规模化生长。