CN102828232A

CN102828232A - 三维蓝宝石晶体生长装置

Info

Publication number: CN102828232A
Application number: CN2012103614275A
Authority: CN
Inventors: 倪屹; 司继良
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-09-25
Filing date: 2012-09-25
Publication date: 2012-12-19

Abstract

本发明涉及一种三维蓝宝石晶体生长装置，在炉体的外壳上设有真空系统，在炉体内设有保温屏，在保温屏内固定有坩埚，在坩埚内底部设有籽晶槽，在坩埚的上方设有上方热电偶与上加热体，在坩埚的下方设有下热电偶与下加热体，在坩埚的左侧设有左热电偶与左加热体，在坩埚的右侧设有右热电偶与右加热体，在坩埚的前方设有前方热电偶与前方加热体，在坩埚的后方设有后方热电偶与后方加热体。本发明使得蓝宝石晶体在长宽高三个方向同时生长，从而提高了晶体的生长速度，更重要的是节约了能源消耗，降低了生产的时间、人力、物力成本，缩短了生产周期，提高了生产效率。

Description

三维蓝宝石晶体生长装置

技术领域

本发明涉及一种蓝宝石晶体生长装置，尤其是一种三维蓝宝石晶体生长装置。

背景技术

蓝宝石晶体具有硬度高（莫氏9级）、在紫外到中红外波段透过性能好、耐磨、抗腐蚀、很高的热导率、高温下抗形变能力强、极好的电气特性和介电特性等突出的特点，蓝宝石晶体不仅在传统钟表等行业中发挥着重要的作用，而且在诸如微电子及光电子、高级光学仪器等现代高科技工业中发挥着无可替代的作用，蓝宝石晶体是目前应用最为广泛的基础材料之一，尤其是微电子及光电子产业极为重要的基础材料。

蓝宝石晶体从熔体中生长的生长方式，由于其具有生长速率快，纯度高和晶体完整性好等特点，因而成为制备大尺寸和特定形状晶体的最常用的晶体生长方式。

目前可用来以熔体生长方式人工生长蓝宝石晶体的方法主要有泡生法焰、提拉法、导模法、热交换法、温度梯度法等。然而这些主流生长方法都存在生长周期长，工艺复杂，成本高的固有缺点且生长大尺寸蓝宝石晶体由于温度梯度控制较难而产生过大应力导致碎裂的问题。另外，由于以上工艺无法在C轴方向生长优质的蓝宝石晶体，因而用于LED衬底蓝宝石晶体成品还需要“陶棒”工序，普遍的圆柱形或梨形晶体陶棒率只有38％左右。

因此，研发出一种大尺寸，高利用率，短周期，低成本可用于LED衬底的优质蓝宝石晶体生长装置，成为本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种可以生长大尺寸的蓝宝石晶体、高利用率、短周期、低成本的三维蓝宝石晶体生长装置。

按照本发明提供的技术方案，所述三维蓝宝石晶体生长装置，包括炉体，在炉体的外壳上设有真空系统，在炉体内设有保温屏，在保温屏内固定有坩埚，在坩埚内底部设有籽晶槽，在坩埚的上方设有上方热电偶与上加热体，在坩埚的下方设有下热电偶与下加热体，在坩埚的左侧设有左热电偶与左加热体，在坩埚的右侧设有右热电偶与右加热体，在坩埚的前方设有前方热电偶与前方加热体，在坩埚的后方设有后方热电偶与后方加热体。

所述坩埚的上段为竖直设置的长方管体，坩埚的下段为楔面体，坩埚的上段下端部与坩埚的下段上端部相接。

本发明使得蓝宝石晶体在长宽高三个方向同时生长，从而提高了晶体的生长速度，更重要的是节约了能源消耗，降低了生产的时间、人力、物力成本，缩短了生产周期，提高了生产效率。另外，本发明设计生长的蓝宝石晶体为长方体状，所述晶体“陶棒”利用率非常高，相对于一般的圆柱状或梨状晶体约38％得棒率，长方体状的晶体得棒率达到了78％。

附图说明

图1是本发明的主视图。

图2是本发明的俯视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对发明进行进一步的详细说明，但并不因此限制本发明的内容。

如图所示，该三维蓝宝石晶体生长装置，包括炉体9，在炉体9的外壳上设有真空系统12，在炉体9内设有保温屏3，在保温屏3内固定有坩埚1，在坩埚1内底部设有籽晶槽2，在坩埚1的上方设有上方热电偶7与上加热体8，在坩埚1的下方设有下热电偶5与下加热体6，在坩埚1的左侧设有左热电偶13与左加热体14，在坩埚1的右侧设有右热电偶11与右加热体10，在坩埚1的前方设有前方热电偶15与前方加热体16，在坩埚1的后方设有后方热电偶17与后方加热体18。

所述坩埚1的上段为竖直设置的长方管体，坩埚1的上段对应的坩埚1内部空间为晶体生长室4，坩埚1的下段为楔面体，坩埚1的上段下端部与坩埚1的下段上端部相接。

如图1所示，坩埚1为异形长方体状，埚体1的下部是长方形籽晶槽2，往上连接晶体生长室4的部分，坩埚1呈“倒金字塔“型是为了减少晶体生长初期孪晶与多晶的产生使得晶体开裂，而晶体生长室4呈长方体状。以坩埚1为中心的六面分别有六块加热体：下加热体6、上加热体8、右加热体10、左加热体14、前方加热体16与后方加热体18以及六个热电偶：下热电偶5、上方热电偶7、右热电偶11、左热电偶13、前方热电偶15与后方热电偶17，而包围上述加热器的是密封的保温屏3，保温屏3的作用是减少热损耗并稳定热场。最外围是不锈钢炉体9及其侧面连接真空系统12。

图2是三维加热器的俯视图，系统拥有六个可独立完成操作的加热体，实际加热时分为三组：上下，左右及前后。以前后组为例，操作时通过分别控制前加热体16与后加热体18的功率大小使得前后方向上产生了合适的温度梯度以供晶体生长，期间利用前方热电偶15与后方热电偶17对温度进行实时监控以保证热场稳定，晶体有序生长。其余两组同理，而三组有效的组合起来就可以实现了晶体的三维生长。整个过程保温屏与加热体共同提供了一个均匀稳定的热场，而六个热电偶起到了实时监控的作用以保证热场的稳定性。

实施例1

用上述的长方体状立体三维的蓝宝石晶体生长装置进行蓝宝石晶体的生长。坩埚的壁厚3mm，宽度120mm，高150mm，长度为150mm。坩埚籽晶槽深度为5mm，宽度为15mm，长度为40mm。将原料装入底部已安置好上述规格籽晶的坩埚中，并调整好坩埚的位置。待装炉完成后，开启真空系统12，当炉体9内真空度达到2×10^-3Pa后，开启加热装置包括上下左右前后六个方向至1500℃，保持恒温3小时至真空度再次达到2×10^-3Pa后，继续升温至下热电偶5的测量温度达2060℃、而右热电偶11、左热电偶13、前方热电偶15、后方热电偶17与上方热电偶7的测量温度达2080~2100℃，恒温3小时待原料全部熔化并保持籽晶与熔体熔接后启动程序调整各组加热体的功率大小使坩埚在立体空间的三个维度上产生合适的温度梯度，当加热体的温度以0.15℃/分的速度下降时开始晶体的立体三维生长。1880℃以后经过50小时冷却到常温，取出蓝宝石晶体，获得宽120mm、长度150mm、高度120mm完全没有类似气泡、双晶、裂纹等内部缺陷的蓝宝石晶体。

实施例2

本实施例中所使用的晶体生长装置与实施例1相同，使用了壁厚2mm，宽155mm，高170mm，长度为300mm。籽晶槽深度为5mm，宽度为20mm，长度为120mm。将原料装入底部已安置好上述规格籽晶的坩埚中，并调整好坩埚的位置。待装炉完成后，开启真空系统12，当炉体9内真空度达到2×10^-3Pa后，开启加热装置包括上下左右前后六个方向至1500℃，保持恒温3小时至真空度再次达到2×10^-3Pa后，继续升温至炉内下热电偶5的测量温度达2060℃、而中部右热电偶11、左热电偶13、前方热电偶15、后方热电偶17与上方热电偶7测量温度达2080~2100℃，恒温4小时待原料全部熔化并保持籽晶与熔体熔接后启动程序调整各组加热体的功率大小使坩埚在立体空间的三个维度上产生合适的温度梯度，当加热体的温度以0.15℃/分的速度下降时开始晶体的立体三维生长。1880℃以后经过60小时冷却到常温，取出蓝宝石晶体，获得宽155mm、长度300mm、高度160mm完全没有类似气泡、双晶、裂纹等内部缺陷的蓝宝石晶体。

实施例2中的蓝宝石晶体大小比实施例1增加了3倍，其大小虽然增加了而整个晶体生长过程所需要的时间几乎等同于实施例1。而且所获得的蓝宝石晶体完整透明、无类似气泡、双晶、裂纹等内部的缺陷。

Claims

1.一种三维蓝宝石晶体生长装置，其特征是：包括炉体（9），在炉体（9）的外壳上设有真空系统（12），在炉体（9）内设有保温屏（3），在保温屏（3）内固定有坩埚（1），在坩埚（1）内底部设有籽晶槽（2），在坩埚（1）的上方设有上方热电偶（7）与上加热体（8），在坩埚（1）的下方设有下热电偶（5）与下加热体（6），在坩埚（1）的左侧设有左热电偶（13）与左加热体（14），在坩埚（1）的右侧设有右热电偶（11）与右加热体（10），在坩埚（1）的前方设有前方热电偶（15）与前方加热体（16），在坩埚（1）的后方设有后方热电偶（17）与后方加热体（18）。

2.如权利要求1所述的三维蓝宝石晶体生长装置，其特征是：所述坩埚（1）的上段为竖直设置的长方管体，坩埚（1）的下段为楔面体，坩埚（1）的上段下端部与坩埚（1）的下段上端部相接。