專利名稱：振動(dòng)場(chǎng)下晶體生長(zhǎng)裝置和生長(zhǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種振動(dòng)場(chǎng)下晶體生長(zhǎng)的裝置及其生長(zhǎng)方法，屬于材料科學(xué)領(lǐng)域。
體絲
熔體晶體生長(zhǎng)是一種重要的晶體生長(zhǎng)技術(shù)，是制備優(yōu)質(zhì)半導(dǎo)體和激光介質(zhì) 晶體的一種主要手段，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)應(yīng)用中具有舉足輕重的地位。晶體生長(zhǎng) 過程實(shí)質(zhì)上是熱量輸出、質(zhì)量輸運(yùn)以及界面生長(zhǎng)過程的動(dòng)態(tài)耦合效應(yīng)，這種輸 運(yùn)過程受限于晶體生長(zhǎng)過程中的對(duì)流效應(yīng)。
為了研究晶體生長(zhǎng)的機(jī)制和改善晶體生長(zhǎng)工藝，提高晶體質(zhì)量，把流體力 學(xué)的理論應(yīng)用到晶體生長(zhǎng)的研究中，近年來對(duì)晶體生長(zhǎng)過程中對(duì)流效應(yīng)的研究 相當(dāng)活躍。
一般而言，熔體中的對(duì)流是晶體生長(zhǎng)中能量和質(zhì)量的主要傳輸方式，會(huì)影 響熔體及晶體中溫度和濃度分布、生長(zhǎng)界面的形狀、缺陷的形成和生長(zhǎng)的速度。 要得到高質(zhì)量大尺寸的晶體，需要對(duì)熔體中的對(duì)流進(jìn)行有效的控制，尤其是驅(qū) 除一些紊亂的流動(dòng)，從而保持一個(gè)穩(wěn)定的生長(zhǎng)界面，而外場(chǎng)作用的引入是控制 熔體對(duì)流的一種較為常用的手段。隨著晶體生長(zhǎng)研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)機(jī)械振 動(dòng)能夠抑制浮力驅(qū)動(dòng)對(duì)流或熱毛細(xì)對(duì)流，是有效改善晶體生長(zhǎng)流動(dòng)環(huán)境的新的 因素。
將機(jī)械振動(dòng)引入的材料凝固中以研究其對(duì)材料性能的影響是二十世紀(jì)九十 年代發(fā)展起來的一種技術(shù)，相較于其它的外場(chǎng)控制技術(shù)(如磁場(chǎng)、電場(chǎng)等)，振 動(dòng)場(chǎng)的作用由于對(duì)材料熔體物理性質(zhì)沒有苛刻的限制要求，因此被認(rèn)為是具有 良好發(fā)展前景的晶體生長(zhǎng)對(duì)流主動(dòng)控制技術(shù)。國(guó)內(nèi)外己經(jīng)有一些文獻(xiàn)涉及振動(dòng) 場(chǎng)作為主要控制參數(shù)，提高晶體生長(zhǎng)制備材料的品質(zhì)和成品率。但是由于振動(dòng) 場(chǎng)下晶體生長(zhǎng)技術(shù)的發(fā)展起步較晚，該項(xiàng)技術(shù)工藝還未成熟，在眾多研究中大 多數(shù)是涉及數(shù)值模擬計(jì)算方面的進(jìn)展，而實(shí)驗(yàn)上振動(dòng)場(chǎng)下晶體生長(zhǎng)研究相對(duì)較

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種振動(dòng)場(chǎng)下進(jìn)行晶體生長(zhǎng)的裝置及其生長(zhǎng)方法， 以振動(dòng)場(chǎng)下優(yōu)化設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)調(diào)控來實(shí)現(xiàn)晶體品質(zhì)的提高。 本發(fā)明裝置可實(shí)現(xiàn)爐體移動(dòng)以及樣品移動(dòng)兩種方式的振動(dòng)場(chǎng)晶體生長(zhǎng)，為晶體 結(jié)構(gòu)完整性的提高提供了良好的環(huán)境條件。
本發(fā)明裝置包括以下部件
爐體l、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2、樣品安瓿3、振動(dòng)發(fā)生器4支架5、傳動(dòng)桿6和導(dǎo)向 桿7。通過這幾個(gè)部件之間的連接和組合，可實(shí)現(xiàn)爐體移動(dòng)以及樣品移動(dòng)兩種方
式的振動(dòng)場(chǎng)晶體生長(zhǎng)。
圖1是振動(dòng)場(chǎng)下爐體移動(dòng)式晶體生長(zhǎng)裝置的三維結(jié)構(gòu)圖。
爐體1豎直放置且爐膛兩端開口，最高溫度可達(dá)1300°C。樣品安瓿3垂直 穿過爐體l，位于爐體中心并保持互不接觸，工作時(shí)樣品安瓿3在爐體1的爐 體中沿垂直方向相對(duì)移動(dòng)。樣品安瓿3下端通過螺紋卡口固定安裝在振動(dòng)發(fā)生 器4上，振動(dòng)方向?yàn)闋t膛軸向，振動(dòng)頻率在0 100Hz可調(diào)，其輸出振幅在0 250um可調(diào)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2通過傳動(dòng)桿6與爐體1連接，并帶動(dòng)爐體1沿軸向 上下移動(dòng)。爐體1的外殼是硬鋁焊接件，它套穿安裝在兩根導(dǎo)向桿7上，可以 沿導(dǎo)向桿7的軸向上下移動(dòng)，為了保證溫場(chǎng)的穩(wěn)定性，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2及導(dǎo)向桿7 均安裝在固定支架5上，振動(dòng)發(fā)生器4則固定在底座8上。 圖2是振動(dòng)場(chǎng)下樣品移動(dòng)式晶體生長(zhǎng)裝置的三維結(jié)構(gòu)圖。 爐體1豎直放置且爐膛兩端開口，最高溫度可達(dá)1300°C。樣品安瓿3垂直 穿過爐體l，位于爐體中心并保持互不接觸，工作時(shí)樣品安瓿3在爐體1的爐 體中沿垂直方向相對(duì)移動(dòng)。樣品安瓿3下端通過螺紋卡口固定安裝在振動(dòng)發(fā)生 器4上，振動(dòng)方向?yàn)闋t膛軸向，振動(dòng)頻率在0 100Hz可調(diào)，其輸出振幅在0 250u m可調(diào)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2通過傳動(dòng)桿6與振動(dòng)發(fā)生器4連接，并帶動(dòng)振動(dòng)發(fā)生 器4以及固定在4上的樣品安瓿3沿軸向上下移動(dòng)。為了保證溫場(chǎng)的穩(wěn)定性" 爐體1以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2均安裝在固定支架5上，振動(dòng)發(fā)生器4則固定在底座8 上。
本發(fā)明的振動(dòng)場(chǎng)下晶體生長(zhǎng)方法包括以下步驟 (一)振動(dòng)場(chǎng)下爐體移動(dòng)式晶體生長(zhǎng)方法
1、將裝有原材料的樣品安瓿3穿過爐體1的爐膛，其下端再通過螺紋卡口 固定在振動(dòng)發(fā)生器4上。2、 啟動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2，帶動(dòng)爐體l沿軸向移動(dòng)至起始位置然后關(guān)閉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2。
3、 爐體1通電對(duì)樣品加熱。
4、 啟動(dòng)振動(dòng)發(fā)生器4，帶動(dòng)樣品安瓿在設(shè)定的振動(dòng)參數(shù)下軸向振動(dòng)。
5、 再次啟動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2，帶動(dòng)爐體1沿軸向以設(shè)定的速度移動(dòng)，進(jìn)行振動(dòng) 場(chǎng)下晶體生長(zhǎng)。
(二)振動(dòng)場(chǎng)下樣品移動(dòng)式晶體生長(zhǎng)方法
1、 將裝有原材料的樣品安瓿3穿過爐體1的爐膛，其下端再通過螺紋卡口 固定在振動(dòng)發(fā)生器4上。
2、 啟動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2，帶動(dòng)樣品安瓿3沿軸向移動(dòng)至起始位置然后關(guān)閉傳動(dòng) 機(jī)構(gòu)2。
3、 爐體l通電對(duì)樣品加熱。
4、 啟動(dòng)振動(dòng)發(fā)生器4，帶動(dòng)樣品安瓿在設(shè)定的振動(dòng)參數(shù)下軸向振動(dòng)。
5、 再次啟動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2，帶動(dòng)樣品安瓿3沿軸向以設(shè)定的速度移動(dòng)，進(jìn)行 振動(dòng)場(chǎng)下晶體生長(zhǎng)。
本發(fā)明在晶體生長(zhǎng)過程中引入了軸向的外加振動(dòng)場(chǎng)，可以有效控制熔體中 的對(duì)流，改變固液界面形狀，通過探索最佳工藝參數(shù)，提高晶體品質(zhì)和成品率。 本裝置適用于多種單晶材料的生長(zhǎng)，可覆蓋半導(dǎo)體、金屬合金以及高溫氧化物 功能單晶等多種類別。


圖1所示為振動(dòng)場(chǎng)下爐體移動(dòng)式晶體生長(zhǎng)裝置三維結(jié)構(gòu)圖
其中，l是爐體，2是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，3是樣品安瓿，4是振動(dòng)發(fā)生器，5是固
定支架，6是傳動(dòng)桿，7是導(dǎo)向桿，8是振動(dòng)器固定底座。
圖2所示為振動(dòng)場(chǎng)下樣品移動(dòng)式晶體生長(zhǎng)裝置三維結(jié)構(gòu)圖
其中，l是爐體，2是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，3是樣品安瓿，4是振動(dòng)發(fā)生器，5是固
定支架，6是傳動(dòng)桿，7是導(dǎo)向桿，8是振動(dòng)器固定底座。
圖3所示為施加振動(dòng)場(chǎng)和無振動(dòng)條件下生長(zhǎng)獲得的硅酸鉍單晶搖擺曲線比
較。其中a表示振動(dòng)場(chǎng)下所生長(zhǎng)晶體，b表示無振動(dòng)場(chǎng)下所生長(zhǎng)晶體。
圖4所示為施加振動(dòng)場(chǎng)和無振動(dòng)條件下生長(zhǎng)獲得的硅酸鉍單晶光透過率曲
線比較。其中a表示振動(dòng)場(chǎng)下所生長(zhǎng)晶體，b表示無振動(dòng)場(chǎng)下所生長(zhǎng)晶體。
具體實(shí)施例方式
以下以實(shí)施例的方式說明本發(fā)明，但不僅限于下述實(shí)施例。
實(shí)施例硅酸鉍(Bi12Si02Q， BS0)單晶生長(zhǎng)。
裝置各部件按照?qǐng)D1所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合和固定。將裝有BS0原材料的樣 品安瓿3穿過爐體1的爐膛，其下端再通過螺紋固定安裝在振動(dòng)發(fā)生器4上。 啟動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2，帶動(dòng)爐體1沿軸向移動(dòng)至計(jì)算好的設(shè)定起始位置(依賴于溫 場(chǎng)分布、材料熔點(diǎn)和籽晶材料所在位置)，關(guān)閉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2。然后，給爐體l供 電加熱，并按設(shè)定程序達(dá)到生長(zhǎng)溫度后保溫，緊接著，再次開啟傳動(dòng)結(jié)構(gòu)2，設(shè) 定移動(dòng)速度參數(shù)為0.2mm/hr，帶動(dòng)爐體1以設(shè)定速度沿垂直方向向上移動(dòng)， 開始無振動(dòng)場(chǎng)下的晶體生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)。待爐體l移動(dòng)的總距離達(dá)15mm后，啟動(dòng)振 動(dòng)發(fā)生器4，頻率設(shè)定為50Hz，調(diào)整電壓值使振動(dòng)振幅為70y m，開始振動(dòng)場(chǎng) 下晶體生長(zhǎng)，待爐體1移動(dòng)的總距離達(dá)到30mm后停止晶體生長(zhǎng)。
圖3是生長(zhǎng)后的晶體搖擺曲線，圖4是生長(zhǎng)后的晶體光學(xué)透過率，其中，a 曲線為振動(dòng)場(chǎng)下生長(zhǎng)晶體所測(cè)，b曲線為無振動(dòng)場(chǎng)條件下生長(zhǎng)晶體所測(cè)。圖中的 結(jié)果說明，加振動(dòng)場(chǎng)后晶體搖擺曲線半峰寬(FWHM)相比未加振動(dòng)得到的晶 體下降了50%，而強(qiáng)度則提高丫50%，光透過率也有明顯提高，截止波長(zhǎng)甚至 接近完美晶體的理論計(jì)算值(383nm)。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分證明了本發(fā)明裝置能 夠提高晶體的完整性。
權(quán)利要求
1、振動(dòng)場(chǎng)下晶體生長(zhǎng)裝置，包括爐體(1)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(2)、樣品安瓿(3)、振動(dòng)發(fā)生器(4)、支架(5)、傳動(dòng)桿(6)和導(dǎo)向桿(7)，其特征在于爐體(1)豎直放置，樣品安瓿(3)垂直穿過爐體(1)在爐體(1)中沿垂直方向相對(duì)移動(dòng)，樣品安瓿(3)下端固定安裝在振動(dòng)發(fā)生器(4)上；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(2)通過傳動(dòng)桿(6)與爐體(1)連接，并帶動(dòng)爐體(1)沿軸向上下移動(dòng)。爐體(1)套穿安裝在導(dǎo)向桿(7)上，沿導(dǎo)向桿(7)的軸向上下移動(dòng)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(2)及導(dǎo)向桿(7)均安裝在固定支架(5)上。
2、 振動(dòng)場(chǎng)下晶體生長(zhǎng)裝置，包括爐體(1)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(2)、樣品安瓿(3)、 振動(dòng)發(fā)生器(4)、支架(5)、傳動(dòng)桿(6)和導(dǎo)向桿(7)，其特征在于爐體(1)豎直放置，樣品安瓿(3)垂直穿過爐體(1)沿垂直方向相對(duì)移 動(dòng)，樣品安瓿(3)下端固定安裝在振動(dòng)發(fā)生器(4)上；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(2)通過傳動(dòng)桿(6)與振動(dòng)發(fā)生器(4)連接，并帶動(dòng)振動(dòng)發(fā)生 器(4)沿軸向上下移動(dòng)，爐體(1)以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(2)均安裝在固定支架(5) 上。
3、 按權(quán)利要求1或2所述的振動(dòng)場(chǎng)下晶體生長(zhǎng)裝置，其特征在于爐體1 最高溫度為1300°C。
4、 按權(quán)利要求1或2所述的振動(dòng)場(chǎng)下晶體生長(zhǎng)裝置，其特征在于振動(dòng)發(fā)生 器振動(dòng)方向?yàn)闋t體軸向，振動(dòng)頻率在0 100Hz，輸出振幅在0 250u m。振 動(dòng)場(chǎng)下晶體生長(zhǎng)裝置及其生長(zhǎng)方法本發(fā)明的振動(dòng)場(chǎng)下晶體生長(zhǎng)方法包括以下步驟
5、 振動(dòng)場(chǎng)下晶體生長(zhǎng)方法，包括下述步驟(1) 將樣品安瓿(3)穿過爐體1并固定在振動(dòng)發(fā)生器(4)上；(2) 啟動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(2)，帶動(dòng)爐體(1)沿軸向移動(dòng)至起始位置；(3) 爐體l對(duì)樣品安瓿(3)加熱；(4) 啟動(dòng)振動(dòng)發(fā)生器(4)，帶動(dòng)樣品安瓿(3)軸向振動(dòng)；(5) 再次啟動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(2)，帶動(dòng)爐體(1)沿軸向移動(dòng)，進(jìn)行振動(dòng)場(chǎng)下晶體生長(zhǎng)。
6、 振動(dòng)場(chǎng)下晶體生長(zhǎng)方法，包括下述步驟(1)將樣品安瓿(3)穿過爐體1并固定在振動(dòng)發(fā)生器(4)上；(2) 啟動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(2)，帶動(dòng)樣品安瓿(3)沿軸向移動(dòng)至起始位置；(3) 爐體l對(duì)樣品安瓿(3)加熱；(4) 啟動(dòng)振動(dòng)發(fā)生器(4)，帶動(dòng)樣品安瓿(3)軸向振動(dòng)；(5) 再次啟動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(2)，帶動(dòng)樣品安瓿(3)沿軸向移動(dòng)，進(jìn)行振動(dòng)場(chǎng)下晶體生長(zhǎng)。
7、 按權(quán)利要求5或6所述的振動(dòng)場(chǎng)下晶體生長(zhǎng)方法，其特征在于控制振動(dòng) 條件為振動(dòng)頻率在0 100Hz，輸出振幅在0 250ii m。
8、 按權(quán)利要求5或6所述的振動(dòng)場(chǎng)下晶體生長(zhǎng)方法，其特征在于控制爐體 最高溫度不超過1300°C。
全文摘要
本發(fā)明涉及振動(dòng)場(chǎng)下晶體生長(zhǎng)裝置和生長(zhǎng)方法，所述的生長(zhǎng)裝置包括爐體(1)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(2)、樣品安瓿(3)、振動(dòng)發(fā)生器(4)、支架(5)、傳動(dòng)桿(6)和導(dǎo)向桿(7)，其中爐體(1)豎直放置，樣品安瓿(3)垂直穿過爐體(1)在爐體(1)中沿垂直方向相對(duì)移動(dòng)，樣品安瓿(3)下端固定安裝在振動(dòng)發(fā)生器(4)上；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(2)通過傳動(dòng)桿(6)與爐體(1)連接，并帶動(dòng)爐體(1)沿軸向上下移動(dòng)。爐體(1)套穿安裝在導(dǎo)向桿(7)上，沿導(dǎo)向桿(7)的軸向上下移動(dòng)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(2)及導(dǎo)向桿(7)均安裝在固定支架(5)上。本發(fā)明在晶體生長(zhǎng)過程中引入了軸向的外加振動(dòng)場(chǎng)，可以有效控制熔體中的對(duì)流，改變固液界面形狀，通過探索最佳工藝參數(shù)，提高晶體品質(zhì)和成品率。
文檔編號(hào)C30B30/06GK101407940SQ20081004095
公開日2009年4月15日 申請(qǐng)日期2008年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月24日
發(fā)明者馮楚德, 巖 劉, 英 張, 潘秀紅, 飛 艾, 飛 金, 金蔚青, 高國(guó)忠 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所