一種制備無(wú)色碳化硅晶體的方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種制備無(wú)色碳化硅晶體的方法及裝置，屬于晶體生長(zhǎng)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]寶石的美取決于寶石與光的相互作用，因此寶石的光學(xué)性質(zhì)是決定寶石價(jià)值的重要因素之一。寶石的折射率決定了寶石能否在日光下能否閃光和呈現(xiàn)美麗的光澤。寶石的顏色也是寶石一種很重要的體現(xiàn)。寶石的顏色取決于很多因素如雜質(zhì)離子、晶體本身的物理性質(zhì)。寶石的透明度是指寶石過(guò)可見(jiàn)光的能力，主要與寶石對(duì)光吸收的強(qiáng)弱有關(guān)。寶石的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性非常重要。寶石的耐久性也是非常重要的因素之一。所以硬度、折射率、顏色、熱/化學(xué)穩(wěn)定性和韌性這些特性一起決定了材料能否制作寶石。
[0003]SiC寶石具有與鉆石相同的光澤，僅次于鉆石的高硬度(8.5-9.25)，比鉆石略高的折射率(2.5-2.71)，透明度高，具有(0001)解理面，化學(xué)穩(wěn)定性好，幾乎不于其他物質(zhì)反應(yīng)，韌性好，熱導(dǎo)率高，熱穩(wěn)定性好，在空氣中加熱到1400°C而不損壞，因此是目前最佳的鉆石仿制品。
[0004]而SiC晶體是一種復(fù)雜的材料系統(tǒng)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)200余種多型體。碳化硅晶體摻雜不同的元素會(huì)獲得不同顏色的晶體。SiC的摻雜物有N(n型)和八1、8、86、6&、0、5(3(?型)等，因?yàn)锳l具有比較淺的受主能級(jí)，成為最常用的P型摻雜物。在6H-SIC中摻氮(η型)和鋁(P型)，分別得到了綠色和藍(lán)色的6H-SIC晶體。在4H-sic中摻入低濃度的氮可得到淡棕色的晶體。未摻雜的顯無(wú)色。3C-SIC顯黃色，而摻氮的3C-SIC顯黃綠色。因?yàn)榫w生長(zhǎng)使用的高純石墨及保溫材料中均含有一定量的雜質(zhì)離子，如N、B、Al、T1、Cr、Fe、V等。這些雜質(zhì)離子會(huì)隨著晶體生長(zhǎng)進(jìn)入晶體，從而導(dǎo)致晶體含有一定量的雜質(zhì)離子，形成P型或η型兩者均有或只有其中一種，從而使晶體存在一定顏色，因此無(wú)色寶石是很難獲得的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明通過(guò)去除或減少碳化硅晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的Β、Ν、金屬雜色離子等離子，減少或平衡SiC晶體中的P型和η型摻雜物，獲得無(wú)色碳化硅晶體。
[0006]一種制備無(wú)色碳化硅晶體的方法，通過(guò)如下裝置實(shí)現(xiàn)；
[0007]該裝置包括生長(zhǎng)室，所述生長(zhǎng)室采用下開蓋方式，生長(zhǎng)室的外部設(shè)置可上下移動(dòng)的感應(yīng)加熱器，所述生長(zhǎng)室的下部連接有大氣隔離室，大氣隔離室上設(shè)置有操作窗口，大氣隔離室的一側(cè)連接有過(guò)渡室，所述過(guò)渡室內(nèi)設(shè)有去除雜質(zhì)的加熱裝置，所述大氣隔離室、過(guò)渡室和生長(zhǎng)室上均設(shè)有保持內(nèi)部環(huán)境處于保護(hù)氣體狀態(tài)或真空狀態(tài)的機(jī)構(gòu)，大氣隔離室的下部還設(shè)有吸塵器接口；
[0008]所述大氣隔離室以及生長(zhǎng)室內(nèi)均充滿惰性氣體；
[0009]制備無(wú)色碳化硅晶體的方法，具體步驟為:
[0010](I)將生長(zhǎng)SiC晶體用坩禍、保溫材料及原料置于過(guò)渡室(15)內(nèi)，對(duì)過(guò)渡室(15)同時(shí)進(jìn)行抽真空和加熱干燥，然后向其中充入惰性氣體，最后將坩禍、保溫材料及原料置入充有惰性氣體的大氣隔離室(I);
[0011](2)將大氣隔離室(I)中的坩禍、保溫材料移入生長(zhǎng)室(9)中，抽真空并加熱至1800 ?2000。。，保溫 5-10h ；
[0012](3)將處理后的保溫材料及坩禍返回大氣隔離室內(nèi)，放入原料，并且在大氣隔離室內(nèi)將其裝配起來(lái)，重新移入生長(zhǎng)室，進(jìn)行長(zhǎng)晶，在生長(zhǎng)過(guò)程中通入含有氯基氣體及含氫氣體的、以惰性氣體為載氣的混合氣體，在1800-2300°C下反應(yīng)40-100h，即得到無(wú)色碳化硅晶體。
[0013]針對(duì)上述方法要求，本發(fā)明提出了一種制備無(wú)色碳化硅晶體的裝置，包括生長(zhǎng)室，所述生長(zhǎng)室采用下開蓋方式，生長(zhǎng)室的外部設(shè)置感應(yīng)加熱器，所述生長(zhǎng)室的下部連接有大氣隔離室，大氣隔離室上設(shè)置有操作窗口，大氣隔離室的一側(cè)連接有過(guò)渡室，所述過(guò)渡室內(nèi)設(shè)有去除雜質(zhì)的加熱裝置，所述大氣隔離室和過(guò)渡室上均設(shè)有保持內(nèi)部環(huán)境處于保護(hù)氣體狀態(tài)或真空狀態(tài)的機(jī)構(gòu)，大氣隔離室的下部還設(shè)有吸塵器接口。
[0014]所述感應(yīng)加熱器為感應(yīng)線圈；所述感應(yīng)線圈通過(guò)滑塊設(shè)置在生長(zhǎng)室兩側(cè)的支架上。
[0015]所述機(jī)構(gòu)除包括設(shè)置在生長(zhǎng)室和過(guò)渡室的兩端進(jìn)出物料處的密封法蘭，還包括抽真空裝置，所述抽真空裝置包括設(shè)置在各自空間壁上的進(jìn)氣口接口、出氣口接口和壓力控制器。
[0016]所述生長(zhǎng)室由上端的密封法蘭、石英管、下端的密封法蘭構(gòu)成，所述石英管為中間存在一個(gè)空腔的雙層結(jié)構(gòu)，并在石英管的外壁上設(shè)有通向空腔的進(jìn)出冷卻水的水接口。
[0017]所述生長(zhǎng)室下端的密封法蘭為可拆卸式的，該密封法蘭和上部連接部分之間設(shè)有密封墊。
[0018]所述大氣隔離室的內(nèi)部設(shè)置有滾珠絲杠，滾珠絲杠與生長(zhǎng)室下部的下密封法蘭連接。
[0019]所述過(guò)渡室的加熱裝置為紅外加熱器或電阻加熱器。
[0020]所述大氣隔離室的外部操作窗口處安裝至少兩副操作手套。
[0021]當(dāng)進(jìn)行無(wú)色碳化硅晶體生長(zhǎng)時(shí)，首先，打開過(guò)渡室進(jìn)料處的密封法蘭，將生長(zhǎng)SiC晶體用坩禍、保溫材料及原料放入過(guò)渡室內(nèi)，關(guān)閉進(jìn)料處的密封法蘭，此時(shí)，過(guò)渡室內(nèi)的加熱裝置對(duì)其進(jìn)行加熱，在進(jìn)行加熱的同時(shí)，通過(guò)抽真空裝置對(duì)其抽真空，一是去除坩禍、保溫材料及原料中的水分，因?yàn)樗魵獾拇嬖诳梢杂绊懻婵斩?；二是將附著在坩禍、保溫材料、原料表面的N元素解吸附，使其進(jìn)入到空氣中，從而，該過(guò)程中產(chǎn)生的水蒸氣、氮?dú)庖约斑^(guò)渡室內(nèi)的空氣通過(guò)過(guò)渡室空間壁上的出氣口接口被抽到外界。抽真空和加熱干燥后，通過(guò)過(guò)渡室進(jìn)氣接口向過(guò)渡室內(nèi)充入惰性氣體，并通過(guò)壓力控制器控制其與外界大氣壓平衡。由于大氣隔離室以及生長(zhǎng)室內(nèi)均充滿惰性氣體，因此，待過(guò)渡室內(nèi)充滿氣體后，整個(gè)裝置中均充滿惰性氣體。此時(shí)，打開過(guò)渡室與大氣隔離室之間的密封法蘭，將坩禍、保溫材料及原料置入充有惰性氣體的大氣隔離室中待用，同時(shí)關(guān)閉過(guò)渡室與大氣隔離室之間的密封法蘭。本發(fā)明中，大氣隔離室的一個(gè)作用是放置原料、坩禍及保溫材料，它們一經(jīng)放入大氣隔離室后就不再取出，完全與外界隔離，通過(guò)減少與外界的接觸次數(shù)來(lái)控制雜質(zhì)元素的含量。
[0022]一種制備無(wú)色碳化硅晶體的方法，惰性氣體選自氬氣或氦氣等。
[0023]一種制備無(wú)色碳化硅晶體的方法，步驟(I)中所述的惰性氣體流速為50cc/min-500cc/mino
[0024]一種制備無(wú)色碳化硅晶體的方法，步驟(3)所述的氯基氣體的流速為2-20cc/min，含氫氣體的流速為2_20cc/min，惰性氣體的流速為50cc/min-500cc/min。
[0025]一種制備無(wú)色碳化硅晶體的方法，步驟(3)所述的氯基氣體為氯氣，所述的含氫氣體為氯化氫或氫氣或甲烷中的一種或幾種。
[0026]步驟⑴中，往過(guò)渡室內(nèi)通入惰性氣體，惰性氣體可以隔絕空氣，防止空氣中的水分、氮?dú)?、二氧化碳等再次吸附于保溫材料及坩禍等?br>[0027]步驟(2)中溫度1800°C?2000°C的條件下進(jìn)行處理，在這個(gè)溫度下金屬離子能夠揮發(fā)，此過(guò)程可以有效去除材料中的部分Fe、Al等金屬雜質(zhì)離子，高于這個(gè)溫度，一般不好控制達(dá)到，低于這個(gè)溫度離子可能就不會(huì)揮發(fā)出去，此過(guò)程利用了部分金屬雜質(zhì)離子在高溫下變?yōu)闅鈶B(tài)，通過(guò)氣體將其帶出生長(zhǎng)爐膛的原理；
[0028]步驟(3)中以惰性氣體為主導(dǎo)氣體，同時(shí)通入氯基氣體和含氫氣體，其中氯基氣體的流量控制在2-20cc/min，含氫氣體的流量控制在2-20cc/min，惰性氣體的流速為50cc/min-500cc/min,且三者的流速比為1: 1:60-100。氯基氣體在高溫下與碳和B反應(yīng)，生成氣體物質(zhì)(三氯化硼)，從而去除生長(zhǎng)過(guò)程中的硼。同時(shí)氯基氣體能將T1、Cr等離子從低價(jià)態(tài)氧化成高價(jià)態(tài)，減少T1、Cr等離子形成的P型摻雜物。通入一定量的含氫氣體，控制生長(zhǎng)溫度，可以鈍化生長(zhǎng)界面，抑止氮元素參與生長(zhǎng)，N在前期就去除了吸附引入，而通入含氫氣體可以防止保溫材料中少量N參入生長(zhǎng)，從而得到無(wú)色碳化硅寶石。系統(tǒng)保持溫度在1800?2300°C，這個(gè)溫度能夠生長(zhǎng)出4H晶體碳化硅，而高于低于這個(gè)溫度可能會(huì)出多型，導(dǎo)致不是晶體，而有顏色。另外保持反應(yīng)時(shí)間為40?100h，在這個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)能夠長(zhǎng)出我們需要的晶體厚度。氯基氣體，含氫氣體，惰性氣體三者的流速比為1:1:60-100，低了可能部分氣體不能完全起到反應(yīng)的作用，高了的話可能有點(diǎn)浪費(fèi)。
[0029]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0030]I,這種方法可以有效的減少致色離子，從而獲得無(wú)色碳化硅寶石。
[0031]2，這種方法有減輕碳化硅晶體中的碳包裹體作用。在去除B元素過(guò)程中，硼與碳與氯氣反應(yīng)，這樣就減少部分C，從而在后期減少了碳包裹體的形成。
[0032]3，可以減輕晶體中的氮含量，提高晶體質(zhì)量。
【附圖說(shuō)明】
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[0033]圖1是本發(fā)明裝置的主視圖；
[0034]圖2為圖1的俯視圖；
[0035]圖中，1、大氣隔離室，2、出氣口接口 1，3、支架，4、滑塊，5、感應(yīng)線圈，6、雙層石英管，7、上密封法蘭，8、出氣口接口 11，9、生長(zhǎng)室，10、密封墊，11、進(jìn)氣口接口 III，12、下密封法蘭，13、出氣口接口 IV，14、加熱裝置，15、過(guò)渡室，16、右密封法蘭，17、托盤，18、進(jìn)氣口接口 V，19、左密封法蘭，20、進(jìn)氣口接口 VI，21、滾珠絲桿，