[发明专利]一种实现炉内温度场梯度分布的高压单晶炉炉体结构

说明书

本发明公开了一种实现炉内温度场梯度分布的高压单晶炉炉体结构，解决了如何完成炉内温度场梯度分布的技术问题。在下炉体内腔（18）中，设置有沿上下竖直方向的下保温筒（20），在上保温筒支撑支架（10）上设置有沿上下竖直方向设置的上保温筒（11），在上保温筒（11）的顶端设置有盖板（12），下保温筒（20）与上保温筒（11）的底端对接在一起，下炉体（1）的炉底板、下保温筒（20）、上保温筒（11）和盖板组成一个封闭的炉内温度场空间，在该封闭的炉内温度场空间内设置有金属均温筒（14）、防爆裂石英筒（15），在驱动轴（23）的顶端设置有石英坩埚支架（22）和石英坩埚（16），实现了大直径碲化汞晶体的生长。

技术领域

本发明涉及一种真空高压单晶炉，特别涉及一种可稳定地构建起炉腔内温度梯度场的真空高压单晶炉的炉体结构。

背景技术

碲化汞是一种半导体材料，拥有优异的热电性能和负热膨胀系数，可以用于制作红外探测器；碲化汞晶体是采用区域熔炼的布里奇曼法制备的，所谓的布里奇曼法是：将碲化汞粉末状材料装在封闭的圆柱形石英管中，将石英管放置到坩埚中，坩埚放置于单晶炉中，在单晶炉中，设置有从高到低的具有一定温度梯度的加热场，炉中高温区域的温度，需要控制在略高于碲化汞粉末状材料熔点附近，石英管中的碲化汞粉末状材料，在高温区域开始熔解，并保持一段时间，随着石英管内的碲化汞粉末全部熔融，在封闭的石英管内，会生成较大压力的汞蒸气，为了防止石英管爆裂，一般在封闭的单晶炉中充入高压的氩气，以平衡石英管内外压力；随后，机械控制系统会控制坩埚支架，缓慢地将坩埚从炉中高温场逐步移动到低温场中去，即使坩埚逐步通过一个具有一定温度梯度的加热场，在此移动过程中，当坩埚底部的温度下降到碲化汞的熔点以下的温度场后，熔融的碲化汞原料就开始长晶，开始生长碲化汞晶体，随着坩埚的下降晶体持续长大，从而完成石英管内碲化汞晶体的生长。

碲化汞晶体在单晶炉中的生成，与炉中梯度温度场的设置，以及梯度温度场的稳定，有着密切的关系，单晶炉中高温区的温度高达1000℃，而低温区的温度为500℃，在同一单晶炉炉中，如此大温差的温度场的稳定形成，通过什么手段来实现，是单晶炉的炉内温场结构设计时需要解决的一个问题，碲化汞原料在高温区熔融，在低温区长晶，如何保证高温区与低温区的温差稳定在110℃，是炉体设备设计中需要解决的另一个问题；另外，当碲化汞粉末状材料在密闭的石英管中熔化时，会在管内产生很大的蒸气压，为了平衡管内的压力，以避免石英管的爆裂，在单晶炉中需要充入一定压力的氩气，以平衡石英管内外压力，但若有意外情况发生，例如石英管发生破裂，如何保护炉体内炉腔的环境和便于清理破碎的石英管碎渣，也是炉体结构设计中需要考虑的一个问题。

现有的单晶炉是由圆柱状的上炉体和圆柱状下炉体组成，上炉体扣接在下炉体上，扣接在一起后，上炉体内腔与下炉体内腔组成炉内腔体；碲化汞长晶需要在密闭的无氧的高压环境的炉内腔体中进行，炉内腔需要先抽真空，后充入高压氩气；在整个工艺过程中，炉内腔体必须实现可靠密闭，上、下炉体之间的锁紧密封，还需要同时考虑承受炉内正、负两种压力的情况，因此，上、下炉体的连接处的可靠锁紧及密封直接关系到碲化汞长晶过程；另外，在碲化汞长晶过程中，支撑坩埚的支架的驱动轴是从上向下移动的，驱动轴从炉内的炉底穿出到炉外，与驱动机构机械连接在一起，该驱动轴与炉体之间的动密封也是设备的一个重要环节，一旦坩埚在升降或旋转过程中，炉体与驱动轴之间的动密封若发生泄露，将会破坏炉内温度场和压力，影响到碲化汞长晶的品质，特别是，碲化汞蒸气有毒，泄露后，会危及附近操作员人身的生命安全；因此，炉体的密封特别重要。

单晶炉长晶中，炉内温度高达上千度，如何实现炉内温度场的保温是一个主题，如何实现炉体外炉壁的冷却，特别是对承担坩埚移动的伸出到炉体外的驱动轴的冷却，以及如何实现上、下炉体之间的锁紧密封圈的降温，也是现场需要解决的一个难题。

发明内容

本发明提供了一种实现炉内温度场梯度分布的高压单晶炉炉体结构，解决了如何完成炉内温度场梯度分布的技术问题。

本发明是通过以下技术方案解决以上技术问题的：