CN102534809A - 晶体生长炉 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种晶体生长炉，包括炉底、炉体和炉盖，炉底与炉体之间，以及炉盖与炉体之间以可拆卸方式连接形成炉腔，其中，炉腔内具有坩埚、对坩埚中原料加热的发热体，构成发热体的发热部为围绕坩埚设置的金属网。通过本发明能够改善现有技术中蓝宝石晶体生长的热系统，提高蓝宝石晶体的生长质量。

Description

晶体生长炉

技术领域

本发明涉及晶体生长领域，具体而言涉及一种晶体生长炉。

背景技术

晶体生长中，可靠稳定的温度控制是相当关键的技术问题。现有技术通过在加热体的材质和结构、保温层的保温材料的材质和结构、坩埚的材质和结构、炉体的密封效果等方面的综合指标的协调和改善，优化晶体生长的温度场中的温度梯度区间，提高晶体的生长质量。这些现有技术无论在材质选用还是在结构设计方面，都存在温度控制方面的缺陷，致使晶体生长的质量受到影响，很难获得体积大、应用范围广的蓝宝石晶体。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种晶体生长炉，改善现有技术中蓝宝石晶体生长的热系统，提高蓝宝石晶体的生长质量。

为实现上述目的，本发明提供了一种晶体生长炉，包括炉底、炉体和炉盖，炉底与炉体之间，以及炉盖与炉体之间均以可拆卸方式连接形成炉腔，其中，炉腔内具有坩埚、对坩埚中原料加热的发热体，构成发热体的发热部为围绕所述坩埚设置的金属网。

优选地，编制金属网的金属丝为直径0.3mm的钨丝。

优选地，炉腔中还具有：保温屏，在炉体与金属网之间，围绕金属网并与炉体同轴设置；隔热屏，包括位于坩埚下方的下隔热屏、位于坩埚的坩埚盖上方的上隔热屏；其中，保温屏为金属片与高温陶瓷相间的层状叠加结构，金属片、高温陶瓷沿着炉体从内向外的径向方向依次设置。

优选地，金属片由钨片和/或钼片构成。

优选地，坩埚的材质为钨钼合金，其组分为30％(重量百分比)的钨和70％(重量百分比)的钼。

优选地，坩埚的底部具有支撑坩埚底部的钼管和钨棒，钨棒套设于钼管中并支撑于坩埚的底部中心位置处，其中，钨棒的直径为30mm，钼管的外径为坩埚的外径的2/3～3/4。

优选地，炉底与炉体之间，以及炉盖与炉体之间的连接部位以紫铜密封圈密封。

优选地，炉底具有构成螺旋形冷却循环水路的循环水导流板，炉底的材质为厚度40mm的不锈钢。

优选地，晶体生长炉还包括铜电极，发热部具有与铜电极螺纹连接的钨丝网发热电极。

优选地，晶体生长炉为蓝宝石晶体生长炉。

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)热系统的稳定性提高。本发明中发热体的发热部采用钨丝网编制的网状结构，与现有技术中经常使用的钨棒鸟笼结构以及其他合金的材质相比，由于发热体整体结构均匀不易发生断裂，且高温条件下发热性能稳定，因此具有更加良好的加热效果，能有效提高晶体生长的质量。此外，炉底和炉体之间的可拆卸安装方式，与现有技术的焊接方式相比，更易安装，有利于热部件的准确定位，可保证热系统的对称性。兼之，炉底采用的优质不锈钢板状材质以及其上的循环水路的螺旋线结构，充分保证了炉底的平整度，也有利于提高热系统在工作状态下的稳定性；

(2)保温屏的材质和结构保证了温度场的对称性。本发明的保温屏采用钨片和/或钼片与高温陶瓷相间的层状结构，有效降低了钨片和/或钼片的高温变形的几率，进而，在金属片和陶瓷片的相互作用下，减少了保温屏的整体变形的可能性，提高了温度场的对称性；并且，熔沸点较高的钨、钼材料，可在长期高温下保持对热辐射的反射效果，使得辐射到其上的大部分热量都能反射回去，因而具有很好的保温效果；

(3)密封系统的结构提高了热系统的热效率。本发明在炉底与炉体之间，以及炉盖与炉体之间的连接部位以紫铜密封圈密封，紫铜密封圈的漏率几近于零，与现有技术中的氟橡胶密封圈相比，不仅保证了良好的密封效果，还解决了密封圈材质老化的问题；

(4)坩埚结构提高了热系统的加热效果。本发明坩埚采用钨钼合金，坩埚支撑部件采用钨棒与钼管组合，利用了材质的一致性防止加热过程中发生不良的热传导，并且支撑部件的组合式结构，有效保证了坩埚的水平状态和稳固性。

附图说明

图1是本发明晶体生长炉的正面剖面图；

图2A示意性地示出了炉底的仰视图，示出了冷却水循环水路；

图2B是炉底的剖视图；

图3A是发热体的发热部的正面视图，示出发热部的网状结构；

图3B是发热体的正面剖视图；

图3C是发热体的俯视图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，应理解，下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对发明的限制。

现参见图1中所示的晶体生长炉，包括炉底14、炉体15和炉盖9，其中，炉底14与炉体15之间，以及炉盖9与炉体15之间以可拆卸方式连接在一起形成炉腔，连接部位以紫铜密封圈1作为密封结构。紫铜密封圈的漏率几近于零，与现有技术中的氟橡胶密封圈相比，不仅保证了良好的密封效果，还解决了密封圈材质老化的问题，有效提高了炉腔的真空度。

在炉腔中，具有盛装原料的坩埚7。本发明的坩埚7选用的材质为钨钼合金，其组分为30％(重量百分比)的钨和70％(重量百分比)的钼。在坩埚7的底部具有坩埚支撑结构，坩埚7的顶部具有坩埚盖13。其中，坩埚支撑结构包括支撑于坩埚底部中心位置的钨棒4和与钨棒4同轴的中空的钼管5。支撑结构选用的材质与坩埚7的材质组份一致，这种一致性可防止加热过程中发生不良的热传导导致的温度场控制方面的难度，提高了热系统的稳定性。钨棒4套设于钼管5中，钨棒4的优选直径为30mm，钼管5的优选外径(外部直径)为坩埚7的外径的2/3～3/4。如此，处于正中位置的钨棒4能承受较大的支撑力，而直径较大的钼管5则很大程度地扩大了支撑面积。支撑部件的组合式结构，有效保证了坩埚7始终处于水平状态并且增大了其稳固性

继续参见图1，在炉腔内坩埚7的四周，具有与炉体15同轴的保温屏，保温屏设置在炉体15与作为发热体之发热部(以下详述)的金属网之间。本发明的保温屏，为金属片12与高温陶瓷2相间的层状叠加结构，金属片12、高温陶瓷2沿着炉体15从内向外的径向方向依次设置。根据具体的温度场的要求，钨片和/或钼片与高温陶瓷2组成的层状结构可以有一层或多层。钨片和/或钼片在长期高温条件下会发生变形，而与高温陶瓷2以分层结构相结合后，有效地增加了保温屏的整体强度，降低了钨片和/或钼片的高温变形的几率，提高了温度场的对称性。进而，使用熔沸点较高的钨、钼材料，可在长期高温下保持对热辐射的反射效果，使得辐射到其上的大部分热量都能反射回去，因而具有很好的保温效果。

此外，炉腔内还具有隔热屏，包括位于坩埚7下方的下隔热屏3，和位于坩埚盖13上方的上隔热屏11。隔热屏和保温屏通过连接件连接在一起，形成将坩埚7容纳于其中的加热室16，加热室16中固定安装发热体。发热体在加热室16中释放热量，通过保温屏和隔热屏的作用将热量滞留在加热室16中，以实现对坩埚7内的原料的加热。

如图1中示出的发热体，由钨丝网发热电极17和发热部6两部分组成。此外，晶体生长炉还包括铜电极8。铜电极8的一端伸出炉盖9外部用于连接电源，另一端位于炉腔中与钨丝网发热电极17的一端连接，两者的连接方式优选为螺纹连接。钨丝网发热电极17的另一端与发热体的发热部6连接，发热体的发热部6位于加热室16内。通过连接件的固定作用，使钨丝网发热电极17的与发热部6连接的一端伸入至加热室16内，与铜电极8连接的另一端位于加热室16外。为了不影响加热室16的保温效果以及阻止电极向其他部件导电，固定钨丝网发热电极17的连接件采用高温陶瓷2和绝缘陶瓷10。

现参见图3A，本发明的发热部6采用金属丝编制成的网状结构，优选使用直径0.3mm的钨丝编制。与现有技术中经常使用的钨棒鸟笼结构以及其他合金的材质相比，本发明所采用的钨丝网，整体结构均匀不易发生断裂，且高温条件下发热性能稳定，因此具有更加良好的加热效果，能有效提高晶体生长的质量。图3B为发热部6与钨丝网发热电极17连接在一起时的正面剖视图，图3C是发热部6与钨丝网发热电极17连接在一起时的俯视图，图中示出的圆孔18是用于与铜电极8连接的螺纹孔。

以下参见图2A和图2B。炉底14的材质选用厚度40mm的不锈钢板。由于不锈钢的熔点低于蓝宝石晶体的原料的熔点，因此，尽管有保温屏和下隔热屏的隔热，为了保证炉底14的安全，仍需在炉底14设置冷却循环水路。本发明采用的冷却循环水路，如图2A和图2B所示，为由中心点向外部扩散的螺旋形。图中示出的进水口19位于炉底14的中心，出水口20位于炉底14的外缘，从进水口19到出水口20之间的螺旋形水路由循环水导流板21限定成型。在炉底14的底部设置有密封槽22，其作用在于安装所述紫铜密封圈。整个炉底14由加工中心加工而成，充分保证了炉底的平整度。此外，炉底14和炉体15之间的可拆卸安装方式，与现有技术的焊接方式相比，更易安装，有利于热部件的准确定位，可保证热系统的对称性。因此，本发明的炉底14的结构有效提高了热系统在工作状态下的稳定性。

作为一种优选方式，本发明上述参见附图描述的晶体生长炉可用以生长蓝宝石晶体、其他单一组分高温氧化物晶体等，在此情形下，本发明的晶体生长炉为蓝宝石晶体生长炉。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种晶体生长炉，包括炉底(14)、炉体(15)和炉盖(9)，其特征在于：

所述炉底(14)与炉体(15)之间，以及所述炉盖(9)与炉体(15)之间均以可拆卸方式连接形成炉腔，

其中，所述炉腔内具有坩埚(7)、对所述坩埚(7)中原料加热的发热体，构成所述发热体的发热部(6)为围绕所述坩埚(7)设置的金属网。

2.根据权利要求1所述的晶体生长炉，其特征在于，编制所述金属网的金属丝为直径0.3mm的钨丝。

3.根据权利要求1-2任一项所述的晶体生长炉，其特征在于，所述炉腔中还具有：

保温屏，在所述炉体(15)与所述金属网之间，围绕所述金属网并与所述炉体(15)同轴设置；

隔热屏，包括位于所述坩埚(7)下方的下隔热屏(3)、位于所述坩埚(7)的坩埚盖(13)上方的上隔热屏(11)；

其中，所述保温屏为金属片(12)与高温陶瓷(2)相间的层状叠加结构，所述金属片(12)、高温陶瓷(2)沿着所述炉体(15)从内向外的径向方向依次设置。

4.根据权利要求3所述的晶体生长炉，其特征在于，所述金属片由钨片和/或钼片构成。

5.根据权利要求4所述的晶体生长炉，其特征在于，所述坩埚(7)的材质为钨钼合金，其组分为30％的钨和70％的钼。

6.根据权利要求5所述的晶体生长炉，其特征在于，所述坩埚(7)的底部具有支撑所述坩埚底部的钼管(5)和钨棒(4)，所述钨棒(4)套设于所述钼管(5)中并支撑于所述坩埚(7)的底部中心位置处，

其中，所述钨棒(4)的直径为30mm，所述钼管(5)的外径为所述坩埚(7)的外径的2/3～3/4。

7.根据权利要求6所述的晶体生长炉，其特征在于，所述炉底(14)与所述炉体(15)之间，以及所述炉盖(9)与所述炉体(15)之间的连接部位以紫铜密封圈(1)密封。

8.根据权利要求7所述的晶体生长炉，其特征在于，所述炉底(14)具有构成螺旋形冷却循环水路的循环水导流板(21)，所述炉底(14)的材质为厚度40mm的不锈钢。

9.根据权利要求8所述的晶体生长炉，其特征在于，所述晶体生长炉还包括铜电极(8)，所述发热部(6)具有与所述铜电极(8)螺纹连接的钨丝网发热电极(17)。

10.根据权利要求9所述的晶体生长炉，其特征在于，所述的晶体生长炉为蓝宝石晶体生长炉。

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