CN103046136B - 一种大规格尺寸蓝宝石炉底部加热器结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大规格尺寸蓝宝石炉底部加热器结构，采用双螺旋钨丝作为发热元，并通过支撑结构支撑固定。与现有技术中钨制网带提供的均匀热场结构相比，本发明实施例提供的大规格尺寸蓝宝石炉底部加热器结构，采用双螺旋钨丝作为底部加热器的发热元使用，其优势是较小的长度能提供比较大的电阻值，同时具有相当的柔韧度，并能在较小的空间能进行弯曲，使其能够根据热场需要加工成适应的形状，产生比较理想的径向和轴向温度梯度，为大规格尺寸蓝宝石晶体生长创造有利的热场条件；另一方面，与钨制网带相比有相当大的价格优势，更重要的是加工制作容易。

Description

一种大规格尺寸蓝宝石炉底部加热器结构

技术领域

本发明涉及蓝宝石长晶设备技术领域，特别涉及一种大规格尺寸蓝宝石炉底部加热器结构。

背景技术

目前，蓝宝石衬底企业和LED外延厂商的应用都以2英寸和4英寸为主衬底，随着LED的应用越来越广泛，国内外外延厂商逐渐引入4英寸及6英寸外延生产工艺和设备，4英寸和6英寸蓝宝石衬底将促进成本的大幅度降低，对大尺寸蓝宝石衬底的需求也将迅速升温，从而促进大规格尺寸蓝宝石晶体生长炉市场需求激增。

在晶体的生长过程中，需要一定的轴向温度梯度和径向温度梯度，而传统的蓝宝石泡生炉只能满足小规格尺寸蓝宝石晶体的生长，而晶体直径一旦超过350mm之后，所需要的温度梯度仅仅靠单一的加热器已经很难形成比较可靠且理想的温度梯度，导致晶体的良率及品质比较低，所以在大规格的蓝宝石炉的结构中双加热器或者多加热器结构就变的不可或缺；而在这双加热器或者多加热器结构中，底部加热器在形成理想的温度梯度及理想的温场过程中，显得最为关键。在晶体生长过程中，通过控制底部加热器在不同生长阶段的功率，形成晶体在不同生长阶段所需的温度梯度。另外由于蓝宝石炉温场底部的空间及结构的限制，要设计出一个合理的底部加热器，将关系到蓝宝石生长炉的成败。

目前，世界上已经开发出带底部加热器的蓝宝石炉仅有美国ThermalTechnologyLLC公司（简称TT），采用了钨制网带底部加热器，采用几条钨制网带作为发热体，均匀的分布于蓝宝石炉温场的底部。

现有技术主要有以下的关键性缺点：晶体的径向和轴向温度梯度不理想；另一方面，钨制网带发热体价格昂贵，制造成本较高，且加工制造较为复杂。

因此，针对上述情况，如何改进蓝宝石炉底部加热器的结构，使其能够产生比较理想的径向和径向温度梯度，为大规格尺寸蓝宝石晶体生长创造有利的热场条件，同时降低制造成本，方便加工制造，成为本领域技术人员亟待解决的重要技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种大规格尺寸蓝宝石炉底部加热器结构，能够产生比较理想的径向和轴向温度梯度，为大规格尺寸蓝宝石晶体生长创造有利的热场条件，同时制造成本降低，加工制造较为容易。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种大规格尺寸蓝宝石炉底部加热器结构，采用双螺旋钨丝作为发热元，并通过支撑结构支撑固定。

优选的，所述双螺旋钨丝构成多个同心的发热环。

优选的，所述双螺旋钨丝的截径、中径、螺距、长度以及所述发热环的直径具体为通过热场分析软件CGSIM软件进行模拟分析计算确定。

优选的，所述双螺旋钨丝和电极板之间通过双螺旋连接螺丝连接。

优选的，所述支撑结构具体为设置在所述双螺旋钨丝底部的U型支撑钨棒，并通过细钨丝进行捆绑固定。

优选的，所述U型支撑钨棒位于下保温钼屏的部分套设有U型支撑钨棒绝缘套。

优选的，所述U型支撑钨棒的底部插入绝缘圈，固定在所述底部支撑固定板上。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供的大规格尺寸蓝宝石炉底部加热器结构，采用双螺旋钨丝作为底部加热器的发热元使用，其优势是较小的长度能提供比较大的电阻值，同时具有相当的柔韧度，并能在较小的空间能进行弯曲，使其能够根据热场需要进行排布，产生比较理想的径向和轴向温度梯度，为大规格尺寸蓝宝石晶体生长创造有利的热场条件；另一方面，与钨制网带相比有相当大的价格优势，更重要的是加工制作容易。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的双螺旋钨丝的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的底部加热器的正视图；

图3为本发明实施例提供的底部加热器的俯视图。

其中，1为双螺旋钨丝，2为U型支撑钨棒，3为下保温钼屏，4为电极板，5为绝缘圈，6为底部支撑固定板，7为U型支撑钨棒绝缘套，8为双螺旋连接螺丝。

具体实施方式

本发明公开了一种大规格尺寸蓝宝石炉底部加热器结构，能够产生比较理想的径向和轴向温度梯度，为大规格尺寸蓝宝石晶体生长创造有利的热场条件，同时制造成本降低，加工制造较为容易。

为了便于理解，现将本发明涉及到的技术术语解释如下：

双螺旋钨丝：是采用直径0.6~2mm的双股钨丝，采用一定的螺距及中径，绕制而成。

底部加热器：在蓝宝石炉钨制坩埚底部增加一种发热装置，以产生一定的温场的加热装置。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1、图2和图3，图1为本发明实施例提供的双螺旋钨丝的结构示意图；图2为本发明实施例提供的底部加热器的正视图；图3为本发明实施例提供的底部加热器的俯视图。

本发明实施例提供的大规格尺寸蓝宝石炉底部加热器结构，其核心改进点在于，采用双螺旋钨丝1作为发热元，螺旋状钨丝是采用双股钨丝根据一定的螺距及中径绕制而成的，其结构如图1所示，并通过支撑结构支撑固定。

与现有技术中钨制网带提供的均匀热场结构相比，本发明实施例提供的大规格尺寸蓝宝石炉底部加热器结构，采用双螺旋钨丝1作为底部加热器的发热元使用，其优势是较小的长度能提供比较大的电阻值，同时具有相当的柔韧度，并能在较小的空间能进行弯曲，使其能够根据热场需要加工成适应的形状，产生比较理想的径向和轴向温度梯度，为大规格尺寸蓝宝石晶体生长创造有利的热场条件；另一方面，与钨制网带相比有相当大的价格优势，更重要的是加工制作容易。

根据待加工蓝宝石晶体的结构以及加工工艺要求的不同，其所需要的热场条件也不尽相同。在本实施例中，针对于圆柱形晶体及其筒状坩埚，双螺旋钨丝1具体为构成多个同心的发热，以在径向上提供合理的温度梯度。

进一步的，双螺旋钨丝1的截径、中径、螺距、长度以及发热环的直径具体为通过热场分析软件CGSIM软件进行模拟分析计算确定。

双螺旋钨丝1的截径、中径、螺距及长度尺寸是由所需要的加热功率及该直径的双螺旋钨丝1所需要的电压及发热达到的最大温度决定。通过所需要的加热功率计算出设计功率，由设计功率及加热电压计算出所需要的电阻丝的电阻值；并根据所需要加热的直径及分布进而推算出所需要的双螺旋钨丝1的截径、中径、螺距、长度以及分布圆的直径，计算完毕之后，把设计所需要的参数输入热场模拟软件，进行模拟分析其是否合理，并进行优化，最终通过实际的试验检测出底部热场的温度梯度及分布的合理性。

钨制的电极板4主要是用来把外部的电力引入到双螺旋钨丝1，提供发热所需要的电力。在本实施例中，双螺旋钨丝1和电极板4之间通过双螺旋连接螺丝8连接，来保证在高温下两者之间连接良好可靠。

作为优选，支撑结构具体为设置在双螺旋钨丝1底部的U型支撑钨棒2，并通过细钨丝进行捆绑固定。该U型支撑钨棒2用来支撑双螺旋钨丝1在发热状态下的受热下垂，以防止双螺旋钨丝1在高温下变形和移动，保证双螺旋钨丝1的分布圆周保持不变。

下保温钼屏3主要是用来起到对底部的保温作用。如图2和图3所示，U型支撑钨棒2位于下保温钼屏3的部分套设有U型支撑钨棒绝缘套7，将U型支撑钨棒2和下保温钼屏3分隔开，起到绝缘作用。

为了进一步优化上述的技术方案，U型支撑钨棒2的底部插入绝缘圈5，固定在底部支撑固定板6上。上述绝缘圈5主要用来隔开U型钨支撑棒2和蓝宝石炉体的连接，使U型支撑钨棒2和底部支撑固定板6之间绝缘。

在实际设计的过程中，可以根据需要对底部加热器的结构进行相应的调整：

通过热场分析软件CGSIM软件进行模拟，模拟出底部所需要的功率及温度梯度，并计算出所需要的功率，然后进行功率分配；根据底部所需要温区大小对双螺旋钨丝1的分布直径进行规划；然后通过功率计分布直径计算出所需要的双螺旋钨丝1的参数：如截径、中径、螺距、长度以及发热环的直径等；

根据双螺旋钨丝1的力学性能计算出其在发热状态下需要的U型支撑钨棒2的数量，控制双螺旋钨丝1在高温下下垂变形在允许的范围内；

根据加热功率计双螺旋钨丝1的直径，计算出发热温度（约2300摄氏度），双螺旋钨丝1发热所需的电压、电流参数；

根据所需要的双螺旋钨丝1发热温度下，所需要的总电流，计算出电极板4的尺寸；

以上参数计算确认完毕之后，可进行底部加热器结构的构建。

综上所述，本发明实施例提供的大规格尺寸蓝宝石炉底部加热器结构，使用不同直径、长度不一的双螺旋钨丝1，构造出直径不一的发热环，并辅以支撑结构，从而产生理想的径向温度梯度，对大尺寸蓝宝石晶体的生长将带来有益的因素，从而打开大规格蓝宝石炉温场及结构的技术瓶颈。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种大规格尺寸蓝宝石炉底部加热器结构，其特征在于，采用双螺旋钨丝(1)作为发热元，并通过支撑结构支撑固定；所述双螺旋钨丝(1)构成多个同心的发热环。

2.根据权利要求1所述的大规格尺寸蓝宝石炉底部加热器结构，其特征在于，所述双螺旋钨丝(1)的截径、中径、螺距、长度以及所述发热环的直径具体为通过热场分析软件CGSIM软件进行模拟分析计算确定。

3.根据权利要求1或2所述的大规格尺寸蓝宝石炉底部加热器结构，其特征在于，所述双螺旋钨丝(1)和电极板(4)之间通过双螺旋连接螺丝(8)连接。

4.根据权利要求3所述的大规格尺寸蓝宝石炉底部加热器结构，其特征在于，所述支撑结构具体为设置在所述双螺旋钨丝(1)底部的U型支撑钨棒(2)，并通过细钨丝进行捆绑固定。

5.根据权利要求4所述的大规格尺寸蓝宝石炉底部加热器结构，其特征在于，所述U型支撑钨棒(2)位于下保温钼屏(3)的部分套设有U型支撑钨棒绝缘套(7)。

6.根据权利要求5所述的大规格尺寸蓝宝石炉底部加热器结构，其特征在于，所述U型支撑钨棒(2)的底部插入绝缘圈(5)，固定在底部支撑固定板(6)上。