一种温差水热法生长大尺寸体单晶的装置

摘要

本发明公开了一种温差水热法生长大尺寸体单晶的装置，包括高压釜和对高压釜进行加热的加热炉，高压釜包括釜体及设置于釜体内的水热反应容器，该水热反应容器内存在溶解区和结晶区，在釜体外壁上套设有导热筒，所述的导热筒包括上、下导热筒及设置于二者之间的隔热阻挡层，其中上导热筒在纵向方向上的高度及其套装位置均对应于水热反应容器内的结晶区，下导热筒在纵向方向上的高度及其套装位置均对应于水热反应容器内的溶解区，上、下导热筒均由导热性好的金属或非金属制成，隔热阻挡层由导热性差的材料制成。本发明所述装置能够更为精准地控制温度，使高压釜生长区处于上下不同位置的晶体都具有均匀的生长速度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种生长晶体的装置，具体涉及一种温差水热法生长大尺寸体单晶的装置。

背景技术

水热法是一种低受限体系晶体生长方法，往往能够生长出比其它方法结晶质量更高的晶体，而且水热法在人工水晶的产业化方面已经体现了其优势。水热法生长晶体的方法主要有温差法、降温法(或升温法)和等温法。降温法依靠体系缓慢降温来获得过饱和，由于降温范围和溶解度温度系数的限制，再加上水热体系由于压力要求大多不能及时补充原料，因此生长大晶体需要经过多次降温过程，反复操作不方便，同时影响晶体质量；等温法基于生长晶体与所用原料的溶解度不同而形成过饱和来生长晶体，这种方法随着原料的同晶型化，两者的溶解度逐渐相近而会使生长速率趋于零，也不宜于生长大晶体。目前普遍采用的是温差法，它依靠容器内的溶液维持温差对流而形成过饱和状态，可以根据需要设定生长时间进行连续生长，并且可以根据原料与籽晶的比例，通过缓冲器(如挡板等)和多温区加热功率分配来调节温差，达到生长大尺寸晶体的目的。水晶等工业化晶体生长采用的就是温差水热法。

由于温差产生的对流是水热生长的核心因素，因此维持一个稳定、可靠的温差非常关键，传统的方法通过分段控温(通过两段式电阻炉或多段式电阻炉实现)、内设挡板等技术手段来达到在高压釜有限长度空间内形成较为一致的温差的目的，然而因考虑到高压釜装炉过程带来的炉体破坏等问题，炉体与高压釜外壁之间往往会存在一定的间隙，间隙内的空气对流对于温差的均匀恒定的影响是不可忽视的：首先，空气对流的无规律特点导致釜内温度的空间分布，特别是微区域内分布不均，进而引起晶体不在籽晶上结晶而在温度波动大釜内壁上或其它位置结晶，造成晶体生长效率降低，有时还会影响到籽晶上结晶的晶体质量；其次，空气为外介质的高压釜加热系统，热传递除了热传导、热辐射外还包含热对流,因此热传递过程复杂难控，不利于温度的控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种温差水热法生长大尺寸体单晶的装置，利用该装置采用温差水热法生长可提高高压釜内温场对加热炉温度控制的响应特性，能够更为精准地控制温度，使高压釜生长区处于上下不同位置的晶体都具有均匀的生长速度。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种温差水热法生长大尺寸体单晶的装置，包括高压釜和对高压釜进行加热的加热炉，所述高压釜包括釜体，以及设置于釜体内的水热反应容器，该水热反应容器内存在溶解区和结晶区，与现有技术不同的是：在釜体外壁上套设有导热筒，所述的导热筒包括上导热筒、下导热筒，以及连接上导热筒和下导热筒的隔热阻挡层，其中上导热筒在纵向方向上的高度及其套装位置均对应于水热反应容器内的结晶区，下导热筒在纵向方向上的高度及其套装位置均对应于水热反应容器内的溶解区，所述的上导热筒和下导热筒由导热性好的金属或非金属制成，所述的隔热阻挡层由导热性差的材料制成。

本发明所述技术方案中，所述导热性好的金属优选为选自铜、铝、锌、铁及其合金中的一种，所述导热性好的非金属优选为石墨、氮化硅陶瓷或氮化铝陶瓷。

本发明所述技术方案中，所述导热性差的材料可以是棉布等隔热材料，优选为棉布、玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氧化镁陶瓷或硅酸铝陶瓷。

本发明所述技术方案中，所述的加热炉为现有技术中常规用于加热高压釜的加热炉，具体为两段式电阻炉。

本发明所述技术方案中，所述的导热筒套装并固定于高压釜釜体的外壁上，且导热筒的内壁与釜体外壁相接触。对于导热筒的厚度，优选为略小于釜体外壁至炉体内壁之间的横向距离，通常为该横向距离的0.75-0.90倍。所述的导热筒可以是一体式结构或在纵向上的分体式结构(即从纵向上分体为几部分，但可以组合成完整的导热筒)，此时上导热筒和下导热筒在纵向方向上的高度应刚好分别与水热反应容器内结晶区和溶解区相应。所述的导热筒也可以是上导热筒、下导热筒和隔热阻挡层三部分分开的结构，此时，上导热筒在纵向方向上的高度及其套装位置均对应于水热反应容器内的结晶区，下导热筒在纵向方向上的高度及其套装位置均对应于水热反应容器内的溶解区，而隔热阻挡层则套装于上导热筒和下导热筒之间，且其两端分别与上导热筒的底端以及下导热筒的顶端接触，在完成套装后分别将其进行固定。

本发明所述技术方案中，除釜体外壁套设导热筒以外的结构均与现有技术中常规的水热法高压釜的结构相同，在此不再一一详述。本发明所述的技术方案中，所述的水热反应容器为现有技术中常用的贵金属衬套管，具体可以是黄金衬套管、银衬套管或者是铂金衬套管。

在使用本发明所述装置采用温差水热法生长晶体时的工艺参数与现有技术相同。

与现有技术相比，本发明的特点在于：

1、在高压釜釜体外壁套设导热筒，因对应于结晶区和溶解区的上导热筒和下导热筒均由导热性好的材料制作，由于上、下导热筒的导热性好，因而可以使高压釜温度更快的对加热炉功率变化进行响应，降低升温过程的“冲温”(高压釜温度高于设定温度)和降温过程的“滞温”(高压釜温度低于设定温度)的问题，保证升降温过程的精确响应和高压釜的安全的传导温度；而位于上导热筒和下导热筒之间的隔热阻挡层由导热性差的材料制作，进一步保证在高压釜有限长度空间内形成一致的温差。因此，与现有装置中的空气介质(空气的室温热导率较低(0.0257瓦/(米·开))，而一些导热性好的固体，如纯铜(热导率为398瓦/(米·开))、纯铝(236瓦/(米·开))和石墨(129瓦/(米·开)))相比，本发明有效提高了高压釜内温场对加热炉温度控制的响应特性，因而可以更加准确的控制径向温度，达到温度控制精准的效果，进而使高压釜生长区处于上下不同位置的晶体都能够具有均匀的生长速度。

2、由于仅需在高压釜釜体外壁套设导热筒，无需对其它部分进行改造，因此，本发明改造成本低，导热筒安装简单方便，使用成本也低，而且，仅通过如此简单的改造即可实现高压釜生长区处于上下不同位置的晶体都能够具有均匀的生长速度的技术效果，提高了晶体产品的产量，降低了单位产品的成本。

附图说明

图1为本发明温差水热法生长大尺寸体单晶的装置一种实施方式的结构示意图。

图中标号为：

1加热炉；2釜体；3上导热筒；4隔热阻挡层；5下导热筒；6籽晶；7自紧式密封塞；8紧固法兰；9炉盖；10压力表；11超压泄压阀；12结晶区；13挡板；14溶解区；15培养料；16水热反应容器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详述，以更好地理解本发明的内容，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1：本发明所述温差水热法生长大尺寸体单晶的装置

如图1所示，本发明所述的温差水热法生长大尺寸体单晶的装置，包括高压釜和对高压釜进行加热的两段式加热炉1，所述高压釜包括釜体2以及与釜体2内腔开口相互配合的自紧式密封塞7，自紧式密封塞7的另一端连接有压力表10及超压泄压阀11，紧固法兰8通过紧固螺栓将自紧式密封塞7固定于釜体2上；在釜体2内腔中置有一水热反应容器16，该水热反应容器16的中下部设置有挡板13，将水热反应容器16内部的空间分隔为溶解区14和结晶区12，在水热反应容器16的顶部设置有用于悬挂籽晶6的贵金属丝；所述釜体2外壁上套设有导热筒，所述的导热筒包括上导热筒3、下导热筒5，以及连接上导热筒3和下导热筒5的隔热阻挡层4，其中上导热筒3在纵向方向上的高度及其套装位置均对应于水热反应容器16内的结晶区12，下导热筒5在纵向方向上的高度及其套装位置均对应于水热反应容器16内的溶解区14，所述导热筒的厚度略小于釜体2外壁至炉体内壁之间的横向距离，通常为该横向距离的0.75-0.90倍；所述的上导热筒3和下导热筒5由导热性好的金属或非金属制成，所述的隔热阻挡层4由导热性差的材料制成。

上述技术方案中，所述的水热反应容器16为现有技术中常用的贵金属衬套管，具体可以是黄金衬套管、银衬套管或者是铂金衬套管；所述的贵金属丝通常为金丝。所述导热性好的金属优选为选自铜、铝、锌、铁及其合金中的一种；所述导热性好的非金属优选为石墨、氮化硅陶瓷或氮化铝陶瓷；所述导热性差的材料通常是指隔热材料，优选为氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氧化镁陶瓷或硅酸铝陶瓷。

在本实施方式中，所述的水热反应容器16为银衬套管，尺寸为Φ90mm×1500mm；挡板13为银挡板13，开孔率为7％；所述导热筒的内径略大于为高压釜外径，为310mm，其厚度为10mm；上导热筒3(对应于结晶区12)的高度为800mm，下导热筒5(对应于溶解区14)的高度为500mm。所述上导热筒3和下导热筒5均采用石墨制作，隔热阻挡层4采用氧化锆陶瓷制作。

实施例2：采用图1所示实施方式生长氧化锌体单晶

称取水热法自发成核得到的2500g克氧化锌陶瓷颗粒作为培养料15，置于银衬套管底部，在衬套管的中下部放置一个开孔率为7％的银挡板13，将下部的培养料15溶解区14和上部的晶体生长区隔开。在衬套管的顶部用金丝自上而下分15层悬挂(001)面ZnO籽晶6合计104片，并在衬套管中填充含4mol/LKOH和1mol/L LiOH的混合溶液，填充度为80％体积。将衬套管密封，随后放入高压釜中。为了使衬套管内外压力保持平衡，在衬套管和高压釜的夹层之间填充75％体积的去离子水，密封高压釜。之后在高压釜釜体2外壁对应于高压釜结晶区12的部分套装相应长度的上导热筒3，然后在釜体2外壁套装隔热阻挡层4，再在釜体2外壁对应于高压釜溶解区14的部分套装相应长度的下导热筒5。最后，将套装好导热筒且密封好的高压釜放入两段式加热电阻炉内，盖上炉盖9。设定下段(即溶解区14)温度为380℃，上段(即结晶区12)温度为350℃，经过70天恒温生长，得到生长后的晶体。测定各层晶体生长速度取平均值。具体数值如下述表1所示。

表1：

对比例1

重复实施例1，不同的是：不在高压釜的釜体外壁上套设导热筒，而是将高压釜密封好后直接放入两段式加热电阻炉内。

经过与实施例1相同条件的生长，测定各层晶体生长速度取平均值。具体数值如下述表2所示。

表2：

对比表1、表2可知，不套设导热筒时第1层与第15层的晶体的生长速度的差值由套设导热筒的0.20mm/week/side变大为最大差值为0.71mm/week/side，增大了3.55倍，导致下部两层晶体的几乎无利用价值，总估算产值下降约20％,而且自发成核增多，导致部分晶体质量变差而不能使用。