CN102995114B - 大尺寸蓝宝石单晶生长炉用坩埚盖 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大尺寸蓝宝石单晶生长炉用坩埚盖，它采用圆形多层钼片制成，多层钼片上开有圆形中心孔，中心孔直径由上到下逐渐变小，多层钼片采用多组钼螺栓和配套钼螺母连接并固定，多层钼片间通过钼螺母隔开。本发明通过合理设计钼片层数、厚度、间距、中心孔尺寸分布等，有利于形成均匀稳定的温场，同时在合理控制成本的基础上，制得的坩埚盖具有一定的结构强度和较长的使用寿命。

Description

大尺寸蓝宝石单晶生长炉用坩埚盖

（一）技术领域

本发明属于大尺寸蓝宝石单晶生长炉技术，具体涉及大尺寸蓝宝石单晶的单晶炉用坩埚盖。

（二）背景技术

蓝宝石是一种氧化铝（Al₂O₃）单晶，属于六方晶系，其硬度很高，莫氏硬度为9，仅次于金刚石。它还具有耐腐蚀、耐高温、光学透过性好等优点，可以用在各种极端或特殊环境中作为窗口材料。另外，蓝宝石相较目前其它半导体衬底材料，具有较好的性价比，因此在半导体照明方面得到广泛应用。

随着精密微电子技术、半导体照明技术、航空航天、及红外军事装备等领域的不断发展对生长出蓝宝石晶锭的质量、尺寸提出了更高的要求。尤其是光学级大尺寸蓝宝石材料，由于其具有性能稳定、市场需求量大、综合利用率及产品附加值高等特点，成为近年国内外研究开发和产业化热点。低成本、高品质地生长大尺寸蓝宝石晶体是当前面临的迫切任务，其生长技术也成为世界各国关注的难点和重点之一。

蓝宝石晶体生长温度约为2050℃，在生长蓝宝石单晶，尤其是大尺寸蓝宝石单晶时,为保持炉内温度，控制合理的温度梯度，对保温系统的要求较为苛刻。保温结构包括坩埚盖、上下隔热屏、保温筒、保温填料需要等。由于蓝宝石单晶的生长温度高，因此，要求保温材料具有较高的机械和热负载能力。加强低温区的保温,控制温度梯度和高温区的过热温度,以保证晶体不开裂,生长界面稳定与熔体不局部成核结晶。

另外，生长高品质、高熔点的蓝宝石晶体，要求生长环境相对纯净。若采用低熔点材料保温，在高温生长环境下会挥发，并进入晶体内部。虽然部分杂质（例如炭杂质）可以通过退火工艺可以消除，但杂质取出后所留下的原子空位却无法消除，对晶体品质造成不良影响。

坩埚盖位于坩埚的上方，接受热辐射最多。坩埚盖上方设有上隔热屏，其外部即为普通不锈钢制作的炉盖。为保持炉内温度、防止过高的温度对炉壳造成损害，坩埚盖必须有很好的隔热效果。另外，坩埚盖上需要预留出籽晶插孔及观察窗的位置，坩埚盖的设计对于整个温场的控制非常重要，这就要求我们必须开发出符合生产要求的坩埚盖。

（三）发明内容

本发明的目的在于提供一种能够形成均匀稳定的温场，径向温度梯度分布合理的能够生长31kg以上大尺寸蓝宝石单晶的大尺寸蓝宝石单晶生长炉用坩埚盖。

本发明的目的是这样实现的：它采用圆形多层钼片1制成，多层钼片1上开有圆形中心孔4，中心孔直径由上到下逐渐变小。多层钼片采用多组钼螺栓2和配套钼螺母3连接并固定，多层钼片1间通过钼螺母3隔开。

本发明还有这样一些技术特征：

1、所述的多层钼片采用金属钼制成，钼片数量为5~10片，外径为250~400mm，最上层1~2片厚度为2~3mm，最下层1~2片厚度为3~5mm，中间层钼片厚度为1~2mm；

2、所述的多层钼片上开有圆形中心孔，中心孔与上隔热屏圆形中心孔同心。中心孔直径从上到下逐渐缩小，最上层钼片圆形中心孔直径100~200mm，从上到下每层钼片中心孔直径比上一层小5~20mm；

3、所述的多层钼片用钼螺栓相连，钼片之间用高度为5~12mm的钼螺母隔开，6~10个钼螺栓均匀分布在距圆周10~20mm处；

4、所述的多层钼片从上至下，分别以2~5层为最上层，以相同方式用6~10个钼螺栓依次连结固定2~6层、3~6层、4~6层及5~6层钼片，相邻两层钼片之间同样用相应数量的钼螺母分隔钼片；

5、所述的钼螺栓相邻层交错分布，钼螺栓螺杆位于距上面一层钼片圆形中心孔圆周的5~10mm处。

本发明的有益效果在于：

1.由于在真空环境下主要以热辐射形式传热，通过调整钼片厚度、间距以及圆形中间孔尺寸，能够获得均匀稳定的温场，形成适合于31kg以上大尺寸蓝宝石生长的径向温度梯度，大大提高了大尺寸蓝宝石晶体质量。

2.晶体在2000℃左右的高温下生长，且生长时间长，坩埚盖下层所处区域温度最高，因此会有较多的钼挥发。采用上面1~2层钼片较厚、中间较薄、下面1~2层最后的结构，这样即可以保证坩埚盖具有一定的结构强度，同时又可以合理控制成本，延长整个坩埚盖的使用寿命。

3.由于多层钼片从上到下内部孔径逐渐减小，从上至下钼片，依次以其为最上层，用钼螺栓及螺母连接固定其下所有层，可以起到对钼片较好的定位支撑作用，防止钼片在反复加热冷却过程中的变形。这样既可以尽量减少内部温场的变化，又可以延长坩埚盖的使用寿命。

4.从下到上每层钼片圆形中心孔直径逐渐增大，形成一定的锥角，不但可以观察单晶炉内长晶过程，还可以使坩埚内熔体中心位置上方散热相对较快，形成冷心，有利于生长过程中的引晶。

综上所述，本发明能够提供生长高质量大尺寸蓝宝石单晶所需的温场条件，具有结构简单、使用寿命长，温场分布更合理等优点。因而本发明具有广阔的应用前景，该技术的推广应用能够创造出明显的社会效益和经济效益。

（四）附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为图1的剖视图。

（五）具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明：

结合图1-2，本实施例中坩埚盖采用圆形多层钼片1制成，多层钼片1上开有圆形中心孔4，中心孔直径由上到下逐渐变小。多层钼片1间采用钼螺栓2和配套钼螺母3连接并固定，多层钼片1间通过钼螺母3隔开。钼片外径为320mm，最上层钼片内径为260mm，向下每层钼片内径依次比上一层减小16mm；最上面2层钼片厚度2mm，最下面2层钼片厚度为4mm，中间4层钼片厚度为1mm；钼片之间用高度为10mm的钼螺母隔开，依次以1~5层为最上层，用钼螺栓连结其下所有钼片，中间用钼螺母分隔。每组分别有8个固定钼螺栓均匀分布在距圆周15mm处，螺栓直径5mm，长度为85mm，下层钼螺栓分布于上层钼螺栓中间位置。这种坩埚盖适合于能够生长重量为31公斤大尺寸蓝宝石单晶的单晶炉。

Claims (1)

1.一种大尺寸蓝宝石单晶生长炉用坩埚盖，其特征在于它采用圆形多层钼片制成，多层钼片上开有圆形中心孔，中心孔直径由上到下逐渐变小，多层钼片采用多组钼螺栓和配套钼螺母连接并固定，多层钼片间通过钼螺母隔开，多层钼片采用金属钼制成，从下到上每层钼片圆形中心孔直径逐渐增大，外径为250~400mm，最上层1~2片厚度为2~3mm，最下层1~2片厚度为3~5mm，中间层钼片厚度为1~2mm，圆形中心孔与上隔热屏圆形中心孔同心，最上层钼片圆形中心孔直径100~200mm，从上到下每层钼片中心孔直径比上一层小大于5、小于等于20mm。