[发明专利]垂直布里奇曼生长炉及炉内温度场优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种垂直布里奇曼生长炉，还涉及这种垂直布里奇曼生长炉炉内温度场优化方法。

背景技术

参照图1，文献1“《晶体生长科学与技术》(上册)，张可从等编写，1997：506-520”公开了一种垂直布里奇曼生长炉，其主要结构为：不锈钢外壳7中是两段大小相同的陶瓷衬管5，陶瓷衬管5外周缠绕有电热丝4，电热丝4外接相应的温度控制系统。在陶瓷衬管5与不锈钢外壳7中填充有耐火材料，两段陶瓷衬管5之间用陶瓷散热片6隔开，形成上炉腔2和下炉腔3，上炉腔上是炉膛盖1。晶体生长过程中上炉腔2为高温区，下炉腔3为低温区，但随着对大体积晶体的需求，晶锭的尺寸在不断增大，这就要求生长炉的炉膛内径不断增大，炉膛内径的增大使得轴向的温度分布趋于平缓，熔点附近的轴向温度梯度降低，为获得较大轴向温度梯度，往往增大高温区与低温区间的温差，生长速率降低，同时影响晶体结晶质量。从图3B曲线可以看出，高温区和低温区没有形成晶体生长所需的平缓区域，轴向温度梯度较小。

文献2“ 发光学报，2005，Vol.26(6)：807-812”公开了一种采用传统垂直布里奇曼生长炉生长Cd_1-xZn_xTe晶体的方法时，该方法在生长Cd_1-xZn_xTe晶体时，其固/液界面处温度梯度为3-10℃/cm，石英坩埚仅以0.2-1mm/h的速度下降生长晶体。

文献“IEEE Nuclear Science，2002，Vol.49(5)：2535-2540”公开了美国II-VI公司引入电动力学梯度技术的多区域加热垂直布里奇曼生长炉，晶体生长时实现了较长的平直高温区和低温区，但梯度区较宽，超过200mm，使得最大梯度区不在熔点附近，且低温区与高温区温度差超过200℃，生长中引入了较大的热应力，晶体中容易产生大量的孪晶及层错。

发明内容

①要解决的技术问题：为了克服现有技术垂直布里奇曼生长炉在生长晶体时，高温区和低温区难以控制以及轴向温度梯度小的不足，本发明提供一种垂直布里奇曼生长炉，采用五段式模块化设计，同时配以高温合金衬管、散热片、陶瓷衬套，可以解决因轴向温度梯度小产生的组分过冷现象，以及由于热应力较大产生的缺陷，可以在获得较大生长速率的同时降低晶体中的热应力，提高晶体的结晶质量。

本发明还提供这种垂直布里奇曼生长炉炉内温度场优化方法。

②技术方案：一种垂直布里奇曼生长炉，包括炉膛盖、电热丝、衬管、散热片、外壳，其特点是：还包括I型加热模块、II型加热模块、隔热板、衬套和耐火陶瓷棉，外壳中从下到上依次是隔热板、两组I型加热模块、散热片、一组II型加热模块、两组I型加热模块和炉膛盖，隔热板中心孔是耐火陶瓷棉，五段加热模块中心位置是两段衬管，下段衬管的下端与隔热板平齐，上段衬管的上端与平齐，两段衬管用散热片隔开，衬管对接处外有衬套，散热片的中心孔与衬管内径等大，每组加热模块的中心孔周围分布有各自独立温度控制系统的电热丝，在垂直于每组模块的外壁中部径向放置一根的Pt/PtRh10热电偶，热电偶的测温触点靠近衬管5的外壁，形成炉膛梯度温控区I、II、III、IV、V。

一种上述垂直布里奇曼生长炉炉内温度场优化方法，其特点是包括以下步骤：在晶体生长时下，炉内温度如下设置，炉膛温控区II温度设置为高温区温度790～1150℃，炉膛温控区I温度较炉膛温控区II高出5～10℃，炉膛温控区III温度较炉膛温控区II高出0～5℃，炉膛温控区V温度设置为低温区温度650～1030℃，炉膛温控区IV温度较炉膛温控区V低20～30℃，从而在炉膛温控区I与炉膛温控区III间产生180～200mm的高温均匀区，炉膛温控区III与炉膛温控区IV间产生150～170mm的温度梯度区，炉膛温控区IV与炉膛温控区V间产生180～200mm的低温均匀区。