[发明专利]顶部籽晶温度梯度法生长大尺寸高温氧化物晶体的方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种高温氧化物晶体生长方法，尤其是一种顶部籽晶温度梯度法生长大尺寸高温氧化物晶体的方法。

背景技术

目前，现有的高温氧化物晶体生长方法主要有四种：提拉法、热交换法、坩埚下降法和温度梯度法。

一、提拉法由Czochralski 于1918 年发明，故又称“丘克拉斯基法”，简称CZ 法，是利用籽晶从熔体中提拉生长出晶体的方法，此法是由熔体生长单晶的最主要的方法。被加热的坩埚中盛着熔融的料，籽晶杆带着籽晶由上而下插入熔体，由于固液界面附近的熔体维持一定的过冷度、熔体沿籽晶结晶，并随籽晶的逐渐上升而生长成棒状单晶，坩埚可以由高频感应或电阻加热。

该方法的优点是：

1、在生长过程中，可方便地观察晶体的生长状况；

2、晶体在熔体表面处生长，不与坩埚接触，能显著地减小晶体的应力，防止坩埚壁的寄生成核；

3、可以方便地运用定向籽晶和“缩颈”工艺，使“缩颈”后籽晶的位错大大减少，降低放肩后生长晶体的位错密度，从而提高晶体的完整性；

4、精确的控制晶体生长速度。

该方法的缺点是：

1、同等坩埚条件下，晶体较小，直径不超过坩埚50%；

2、由于梯度较大，生长界面过分的凸起，热应力大、位错增值引起位错密度过大，单晶性不好；

3、温度梯度大，能耗高。

二、热交换法（简称HEM 法）是一种为了生长大尺寸晶体而发明的晶体生长技术。1970年Schmid和Viechnicki首先运用热交换法生长出大块的蓝宝石晶体。其原理是利用热交换器来带走热量，使得晶体生长区内形成一下冷上热的纵向温度梯度，同时再藉由控制热交换器内气体流量(He冷却源)的大小以及改变加热功率的高低来控制此温度梯度，借此达成坩埚内熔汤由下慢慢向上凝固成晶体的目的。

该方法的优点是：

1、温度梯度分布与重力场相反，坩埚、晶体和热交换器皆不移动，晶体生长界面稳定、无机械扰动、浮力对流小，消除了由于机械运动而造成的晶体缺陷；

2、晶体生长后仍保持在热区，控制氦气流量可使温度由结晶温度缓慢均匀降低，实现原位退火，减少晶体的热应力及由此产生的晶体开裂和位错等缺陷；

3、同等坩埚条件下，能获得坩埚直径90%左右的大晶体。

该方法的缺点是：

1、设备条件要求高，整个工艺复杂，晶体生长周期长、需要大量氦气作冷却剂，成本高。

2、温度梯度分布与重力场相反，不利于排杂；

3、晶体与坩埚接触，晶体的应力大，并容易寄生成核引起多晶; 

4、晶体生长不能实时控制和观察；

5、生长界面过凸，热应力和位错过大。

三、坩埚下降法（Bridgman-stockbarger method）是将一个垂直放置的坩埚逐渐下降，使其通过一个温度梯度区(温度上高下低)，熔体自下而上凝固。通过坩埚和熔体之间的相对移动，形成一定的温度场，使晶体生长。温度梯度形成的结晶前沿过冷是维持晶体生长的驱动力。使用尖底坩埚可以成功得到单晶，也可以在坩埚底部放置籽晶。对于挥发性材料要使用密闭坩埚。

该方法的优点是：

1、坩埚封闭，可生产挥发性物质的晶体；

2、成分易控制；

3、同等坩埚条件下可生长大尺寸单晶，可以到90%直径；

4、晶体生长界面微凸、接近平界面较为理想；

5、可以精确控制晶体生长速度。

该方法的缺点是：

1、不宜用于负膨胀系数的材料，以及液体密度大于固体密度的材料；

2、由于坩埚作用，容易形成应力，寄生成核和污染；

3、不易于观察；

4、下降机构存在机械扰动。

四、温度梯度法（简称TGT法），又称导向温梯法，是以定向籽晶诱导的熔体单结晶方法，是我国上海光机所晶体研究室于九十年代末期发明的一种单晶生长方法。其装置采用钼坩埚、石墨发热体，坩埚底部中心有一籽晶槽，避免籽晶在化料时被熔化掉。温场由石墨发热体和冷却装置共同提供。发热体为被上下槽割成矩形波状的板条通电回路的圆筒，整个圆筒安装在与水冷电极相连的石墨电极板上。板条上半部按一定规律打孔，以调节发热电阻使其通电后自上而下造成近乎线性温差。而发热体下半部温差通过石墨发热体与水冷电极板的传导来创造。

该方法的优点：