專(zhuān)利名稱(chēng)：提拉法生長(zhǎng)高溫?fù)]發(fā)性晶體的保溫罩的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及晶體生長(zhǎng)，特別是一種提拉法生長(zhǎng)高溫?fù)]發(fā)性晶體的保溫罩。
背景技術(shù)：
目前，GaN基寬禁帶半導(dǎo)體材料及其光電器件的研究和產(chǎn)業(yè)化如火如荼，相繼在藍(lán)光發(fā)光二極管、短波長(zhǎng)激光器、紫外探測(cè)器和半導(dǎo)體白光照明等方面取得了一系列突破。在GaN基器件制備方面，高端且核心的技術(shù)是外延芯片制備，其中發(fā)展自支撐同質(zhì)外延襯底材料以及非極性GaN基器件制備技術(shù)是當(dāng)前國(guó)際研究和產(chǎn)業(yè)化的熱點(diǎn)。
在非極性和半極性GaN基器件制備技術(shù)方面，目前能以(100)γ-LiAlO2襯底為初始模板，制備m面GaN厚膜，在此非極性m面GaN厚膜襯底上制備的GaN基器件能使發(fā)光效率大幅提高。
但是γ-LiAlO2晶體生長(zhǎng)時(shí)存在嚴(yán)重的鋰揮發(fā)，高質(zhì)量大尺寸的晶體難以得到。其實(shí)如何生長(zhǎng)高質(zhì)量大尺寸高溫?fù)]發(fā)性晶體一直是晶體生長(zhǎng)的難題。GaN基器件襯底的又一后選材料LiGaO2晶體在晶體生長(zhǎng)時(shí)也面臨著嚴(yán)重的組份Li和Ga的揮發(fā)問(wèn)題。
另外，在激光技術(shù)領(lǐng)域，Nd:GGG具有力學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率高、泵浦吸收帶寬、熒光壽命長(zhǎng)、可實(shí)現(xiàn)連續(xù)或脈沖式激光運(yùn)轉(zhuǎn)，已成為高平均功率固體激光器的首選材料之一。摻鐿氟磷酸鈣(Yb:Ca5(PO4)3F，記為Yb:FAP)具有低的泵浦閾值，在激光慣性約束核聚變研究方面有重要應(yīng)用前景。但是，它們?cè)谏L(zhǎng)時(shí)也面臨著嚴(yán)重的組份揮發(fā)問(wèn)題。
用于提拉法(Czochralski法)進(jìn)行晶體生長(zhǎng)的坩堝外有中空?qǐng)A柱體的保溫罩，保溫罩一般是用ZrO2制成的，保溫罩頂部有ZrO2頂蓋，頂蓋中央有一小的開(kāi)孔，籽晶桿通過(guò)此孔，伸入保溫罩內(nèi)部，通過(guò)籽晶桿下端固定的籽晶從熔體中提拉出晶體。另一方面，保溫罩外側(cè)一般開(kāi)有一個(gè)小孔，作為觀察窗。此保溫罩外側(cè)觀察窗和保溫罩頂部的頂蓋的開(kāi)孔由于溫差形成對(duì)流通路，但這種保溫罩往往不能解決組分易揮發(fā)的高溫晶體生長(zhǎng)的質(zhì)量問(wèn)題，如何抑制晶體在高溫生長(zhǎng)時(shí)組分的揮發(fā)，是得到高質(zhì)量晶體材料的技術(shù)關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決組分易揮發(fā)的高溫晶體生長(zhǎng)的質(zhì)量問(wèn)題，提供一種提拉法(Czochralski法)生長(zhǎng)高溫?fù)]發(fā)性晶體的保溫罩裝置，通過(guò)保溫罩的設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)節(jié)溫場(chǎng)和對(duì)流，在很大程度上抑制晶體生長(zhǎng)時(shí)組份的揮發(fā)，從而提高了晶體生長(zhǎng)的質(zhì)量。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種提拉法生長(zhǎng)高溫?fù)]發(fā)性晶體的保溫罩，包括一支撐坩堝的保溫層、一置于所述的坩堝和保溫層上方的具有內(nèi)腔的保溫罩體，一保溫罩頂蓋，該頂蓋的中央有一通孔，所述的保溫罩體一側(cè)外壁上有一與保溫罩體連成一體的觀察窗體，自該觀察窗體至保溫罩體的內(nèi)腔設(shè)有一相連通的觀察窗孔，在所述的觀察窗孔的出口有一密封透明窗片，在所述的觀察窗體上有與所述的觀察窗孔相通的豎直細(xì)孔。
所述的密封窗片是一透明且耐高溫、耐腐蝕的材料制成的。
所述的密封窗片是白寶石晶片、或鈦寶石晶片、或YAG晶片。
所述的細(xì)孔是豎直的。
實(shí)踐證明，本發(fā)明用透明耐高溫并具有一定抗腐蝕的晶片封住觀察窗口，同時(shí)在觀察窗上方的觀察窗體上自上而下開(kāi)有與所述的觀察窗孔相通的細(xì)孔，可以抑制晶體生長(zhǎng)時(shí)，晶體組份揮發(fā)問(wèn)題，同時(shí)這些豎直細(xì)孔與頂蓋正上方籽晶桿通孔形成局部對(duì)流通路。
利用本發(fā)明的保溫罩系統(tǒng)，進(jìn)行了γ-LiAlO2晶體、LiGaO2晶體，GGG晶體，氟磷酸鈣(Ca5(PO4)3F)晶體以及它們的摻質(zhì)晶體的生長(zhǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明揮發(fā)得到明顯抑制，晶體質(zhì)量有了提高。


圖1為本發(fā)明提拉法生長(zhǎng)高溫?fù)]發(fā)性晶體的保溫罩的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1-生長(zhǎng)晶體的坩堝；2-坩堝外的保溫層；3-保溫罩內(nèi)腔；4-保溫罩體；5-保溫罩頂蓋；6-保溫罩頂蓋上的開(kāi)孔；7-觀察窗體；8-觀察窗孔；9-觀察窗口處的透明薄片；10-觀察窗體上的豎直細(xì)孔；11-籽晶桿；12-生長(zhǎng)的晶體；13-溶體。
具體實(shí)施例方式
下面列出本發(fā)明的幾個(gè)具體實(shí)施例，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
先請(qǐng)參閱圖1，圖1為本發(fā)明提拉法生長(zhǎng)高溫?fù)]發(fā)性晶體的保溫罩的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見(jiàn)，本發(fā)明提拉法生長(zhǎng)高溫?fù)]發(fā)性晶體的保溫罩，包括一支撐坩堝1的保溫層2、一置于所述的坩堝和保溫層上方的具有內(nèi)腔3的保溫罩體4，一保溫罩頂蓋5，該頂蓋的中央有一通孔6，所述的保溫罩體一側(cè)外壁上有一與保溫罩體連成一體的觀察窗體7，自該觀察窗體至保溫罩體的內(nèi)腔設(shè)有一相連通的觀察窗孔8，在所述的觀察窗孔的出口有一密封透明窗片9，在所述的觀察窗體上有與所述的觀察窗孔相通的豎直細(xì)孔10。
所述的密封窗片9是一透明且耐高溫、耐腐蝕的材料制成的。很顯然所述的密封窗片9可由白寶石晶片、或鈦寶石晶片、或YAG晶片制成。
利用本發(fā)明裝置進(jìn)行了多種揮發(fā)性晶體的生長(zhǎng)對(duì)比例LiAlO2晶體生長(zhǎng)沒(méi)有采用本發(fā)明所述保溫罩系統(tǒng)，即保溫罩外側(cè)突出的觀察窗口敞開(kāi)，沒(méi)有加透明的密封窗，保溫罩外側(cè)突出的觀察窗體上方?jīng)]有開(kāi)豎直細(xì)孔。按摩爾比Li2CO3∶Al2O3＝1.01∶1稱(chēng)取高純度(大于99.99％)Li2CO3和Al2O3，均勻混合，壓塊，在馬弗爐中1000℃預(yù)燒10小時(shí)，將此預(yù)燒料放入提拉爐中，抽真空(真空度優(yōu)于0.1pa)，充入Ar氣或N2氣(純度≥99.99％)，生長(zhǎng)晶體，籽晶方向?yàn)閇100]或者
，提拉速度為3mm/h，轉(zhuǎn)速為18rpm。在生長(zhǎng)過(guò)程中，揮發(fā)嚴(yán)重，生長(zhǎng)出的晶體質(zhì)量差。
實(shí)施例1LiAlO2晶體生長(zhǎng)利用圖1所示的保溫罩裝置，即保溫罩外側(cè)突出的觀察窗口非敞開(kāi)，插入透明鈦寶石薄晶片作為密封窗，保溫罩外側(cè)突出的觀察窗體上方開(kāi)有若干個(gè)豎直細(xì)孔，其它完全同對(duì)比例。在生長(zhǎng)過(guò)程中，揮發(fā)現(xiàn)象明顯得到抑制，可以得到透明完整的鋁酸鋰晶體。
實(shí)施例2LiGaO2晶體生長(zhǎng)采用圖1所示的保溫罩裝置，按摩爾比Li2CO3∶Ga2O3＝1.01∶1稱(chēng)取高純度(大于99.99％)Li2CO3和Ga2O3，均勻混合，壓塊，在馬弗爐中1000-1200℃預(yù)燒10小時(shí)，將上述燒結(jié)料放入提拉爐中，抽真空(真空度優(yōu)于0.1pa)，充入N2氣(純度≥99.99％)，生長(zhǎng)晶體，籽晶方向?yàn)?br> ，提拉速度為1-3mm/h，轉(zhuǎn)速為15-25rpm。在生長(zhǎng)過(guò)程中，揮發(fā)現(xiàn)象明顯減弱，可以得到透明完整的鎵酸鋰晶體。
實(shí)施例3GGG晶體生長(zhǎng)采用圖1所示的保溫罩裝置，按摩爾比Gd2O3∶Ga2O3＝3∶5.05稱(chēng)量高純度(大于99.99％)Gd2O3和Ga2O3，均勻混合，壓塊，在1150℃燒結(jié)10小時(shí)，裝入提拉爐，抽真空，充入99％氮?dú)夂?％氧氣，晶體生長(zhǎng)時(shí)提拉速度為3mm/h，轉(zhuǎn)速為16rpm。晶體生長(zhǎng)完畢后，緩慢降至室溫。在晶體生長(zhǎng)中，揮發(fā)現(xiàn)象減弱。
實(shí)施例4Nd:GGG晶體生長(zhǎng)采用圖1所示的保溫罩裝置，按摩爾比Gd2O3∶Ga2O3∶Nd2O3＝2.97∶5.10∶0.03稱(chēng)量高純度(大于99.99％)Gd2O3、Ga2O3和Nd2O3，均勻混合，壓塊，在1200℃燒結(jié)10小時(shí)，裝入提拉爐，抽真空，充入99％氮?dú)夂?％氧氣，晶體生長(zhǎng)時(shí)提拉速度為3mm/h，轉(zhuǎn)速為15rpm。晶體生長(zhǎng)完畢后，緩慢降至室溫。在晶體生長(zhǎng)中，揮發(fā)現(xiàn)象減弱。
實(shí)施例5FAP晶體生長(zhǎng)采用圖1所示的保溫罩裝置，將CaHPO4，CaCO3，CaF2，Yb2O3高純?cè)?大于99.9％)按照6∶3∶1.04的摩爾比稱(chēng)量，其中CaF2過(guò)量4％左右。首先將CaHPO4和CaCO3按上述配比稱(chēng)量，機(jī)械混合均勻后，在馬弗爐中1150℃燒結(jié)，去除其中的水和二氧化碳。冷卻至室溫之后立即稱(chēng)量CaF2，與燒結(jié)好的原料一同混合均勻，用壓料機(jī)壓制成塊并迅速裝爐抽真空充氧氣以防潮解，升溫熔化生長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)中采用流動(dòng)氮?dú)獾姆椒?，流量?80ml/min。提拉速度為3mm/h，轉(zhuǎn)速為15rpm。生長(zhǎng)結(jié)束后，緩慢降至室溫。在晶體生長(zhǎng)中，揮發(fā)現(xiàn)象減弱。
實(shí)施例6Yb:FAP晶體生長(zhǎng)采用圖1所示的保溫罩裝置，將CaHPO4，CaCO3，CaF2，Yb2O3高純?cè)?大于99.9％)按照6∶3∶1.00∶0.02的摩爾比稱(chēng)量，其中CaF2過(guò)量4％左右。首先將CaHPO4、CaCO3和Yb2O3按上述配比稱(chēng)量，機(jī)械混合均勻后，在馬弗爐中1250℃燒結(jié)，去除其中的水和二氧化碳。冷卻至室溫之后立即稱(chēng)量CaF2，與燒結(jié)好的原料一同混合均勻，用壓料機(jī)壓制成塊并迅速裝爐抽真空充氧氣以防潮解，升溫熔化生長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)中采用流動(dòng)氮?dú)獾姆椒?，流量?50ml/min。提拉速度為2mm/h，轉(zhuǎn)速為13rpm。生長(zhǎng)結(jié)束后，緩慢降至室溫。在晶體生長(zhǎng)中，揮發(fā)現(xiàn)象減弱。
綜上所述，利用本發(fā)明保溫罩，進(jìn)行了γ-LiAlO2晶體、LiGaO2晶體，GGG晶體，氟磷酸鈣(Ca5(PO4)3F)晶體以及它們的摻質(zhì)晶體的生長(zhǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明揮發(fā)得到明顯抑制，晶體質(zhì)量有了提高。
權(quán)利要求
1.一種提拉法生長(zhǎng)高溫?fù)]發(fā)性晶體的保溫罩，包括一支撐坩堝(1)的保溫層(2)、一置于所述的坩堝和保溫層上方的具有內(nèi)腔(3)的保溫罩體(4)，一保溫罩頂蓋(5)，該頂蓋的中央有一通孔(6)，所述的保溫罩體一側(cè)外壁上有一與保溫罩體連成一體的觀察窗體(7)，自該觀察窗體至保溫罩體的內(nèi)腔設(shè)有一相連通的觀察窗孔(8)，在所述的觀察窗孔的出口有一密封透明窗片(9)，在所述的觀察窗體上有與所述的觀察窗孔相通的豎直細(xì)孔(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提拉法生長(zhǎng)高溫?fù)]發(fā)性晶體的保溫罩，其特征在于所述的密封窗片(9)是一透明且耐高溫、耐腐蝕的材料制成的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的提拉法生長(zhǎng)高溫?fù)]發(fā)性晶體的保溫罩，其特征在于所述的密封窗片(9)是白寶石晶片、或鈦寶石晶片、或YAG晶片。
全文摘要
一種提拉法生長(zhǎng)高溫?fù)]發(fā)性晶體的保溫罩，包括一支撐坩堝的保溫層、一置于所述的坩堝和保溫層上方的具有內(nèi)腔的保溫罩體，一保溫罩頂蓋，該頂蓋的中央有一通孔，所述的保溫罩體一側(cè)外壁上有一與保溫罩體連成一體的觀察窗體，自該觀察窗體至保溫罩體的內(nèi)腔設(shè)有一相連通的觀察窗孔，在所述的觀察窗孔的出口有一密封透明窗片，在所述的觀察窗體上有與所述的觀察窗孔相通的豎直細(xì)孔。本發(fā)明裝置能抑制晶體生長(zhǎng)時(shí)組份的揮發(fā)；可成功地制備出大尺寸、高質(zhì)量鋁酸鋰晶體；該保溫罩裝置也適用于用提拉法生長(zhǎng)其它高溫?fù)]發(fā)性晶體，如，LiGaO
文檔編號(hào)C30B15/00GK1865533SQ20061002564
公開(kāi)日2006年11月22日 申請(qǐng)日期2006年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月12日
發(fā)明者周圣明, 王軍, 鄒軍, 張連翰, 何曉明, 李抒智 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所