CN103132135A - 一种高效新型蓝宝石晶体生长系统 - Google Patents

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本发明公开了一种高效新型蓝宝石晶体生长系统，包括炉壳，隔热层，发热体，钨坩埚，坩埚车，籽晶动作伺服机构，升降系统，称重系统，软件控制系统和安全保护系统，此种晶体生长系统生产效率高，节能明显，操作方便，使用安全，大大的降低了生产成本。

Description

一种高效新型蓝宝石晶体生长系统
技术领域
本发明属于LED照明领域蓝宝石衬底片的生产领域，是一种晶体生长设备。
背景技术
目前LED产业在国内蓬勃发展，LED器件的节能效果在如今的能源危机的情况下令各国为之投入了巨大的人力物力，同时各种加工设备设备应运而生。经过国内外几十年的发展历程，LED器件衬底片的技术基本上有了一个统一的认识，蓝宝石被认为是迄今为止最为经济适用的理想衬底材料。国内在2011年开始大规模的发展LED产业，大量引进国外知名厂家的蓝宝石晶体生长设备，但是技术队伍建设还远远落后于国外。目前国内的蓝宝石晶体生长设备有俄罗斯的KY法晶体生长系统(如欧米伽，阿派克斯，waterfall)，美国的HEM法(如GT公司的A向长晶HEM设备，ARC公司的C向长晶HEM设备)和改良KY法晶体生长系统(如TT公司的改良KY设备)。俄罗斯的KY设备造价低，单炉产量从20-80kg不等，单炉生产周期15-18天，生产效率低，设备稳定性存在问题，发热体容易损坏，设备操作对人员经验要求比较高，引进这种设备在短时间内很难稳定规模化生产。GT公司和ARC公司的HEM设备自动化程度高，对操作人员的经验要求比较低，但是GT设备使用石墨热场，一次性旋压钼坩埚，单炉产量虽然有100kg，单炉生产周期18天左右，生产成本仍然居高不下。ARC设备晶体生产效率低，单炉产量37kg左右，单炉生产周期18天左右，晶体质量存在问题，工艺还未成熟。TT设备结合俄罗斯设备和GT的设备，自动化程度相对较高，对人员的经验要求在很大程度上有所降低，但是设备造价昂贵，主要是因为发热体，隔热屏造价高昂，因此生产成本不够经济。如果使用上述设备进行LED蓝宝石衬底片的生产，生产成本居高不下，LED照明在民用照明领域很难普及。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种新型蓝宝石长晶炉加热系统，解决晶体生长设备成本高的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种高效新型蓝宝石晶体生长系统包括炉壳，隔热层，发热体，钨坩埚，坩埚车，籽晶动作伺服机构，升降系统，称重系统，软件控制系统和安全保护系统，其特征在于，所述炉壳包括主炉壳，上炉盖和下炉盖，所述隔热层包括侧保温层，上保温层和下保温层，所述发热体分为侧发热体和底部发热体，所述侧发热体使用钨杆，水冷电极，通过铜盘悬挂于炉壳电极桩上，所述钨坩埚为烧结坩埚，纯度99.95％，所述坩埚车采用电动叉车，并配有坩埚位置微调系统，可实现坩埚在水平面上的二维移动，移动行程为0-20cm，所述籽晶动作伺服机构包括籽晶升降系统伺服电机，籽晶升降丝杠，籽晶旋转电机，籽晶杆，止推轴承和波纹管，所述升降系统采用丝杠升降机构，并有限位器保证升降过程中的设备安全，所述称重系统使用压电称重传感器，所述软件控制系统分为电源控制，籽晶动作控制，观察窗视频显示和报警控制，所述安全保护系统由漏炉报警装置构成。
上述一种高效新型蓝宝石晶体生长系统，其特征在于，所述炉壳的主炉壳包括水冷不锈钢筒体，水冷电极桩和一个测温孔，测温装置为红外测温计，所述上炉盖包括籽晶升降机构，观察孔，籽晶室通孔，上炉盖冷却水管和水冷不锈钢炉盖，所述下炉盖包括电极桩，下炉盖冷却水管，水冷不锈钢炉盖和漏炉报警装置。
上述一种高效新型蓝宝石晶体生长系统，其特征在于，所述隔热层的侧保温层分为两块，共计10-20层，内部5-10层材质为钨，纯度99.95％，外部10-15层，材质为钼，纯度99.95％，通过悬挂件悬挂于主炉壳上，所述上保温层10-15层，放在侧保温层上面，无悬挂，置于上炉盖下面，所述下保温层10-15层，置于下炉盖上面，随升降机构一起升降。
上述一种高效新型蓝宝石晶体生长系统，其特征在于，所述侧发热体和底部发热体均采用三相星型接法供电，所述底部发热体使用螺旋型钨丝网发热体。
上述一种高效新型蓝宝石晶体生长系统，其特征在于，所述钨坩埚外径300-400mm，厚度10-20mm，高度400-500mm。
本发明的优点在于：此种晶体生长系统生产效率高，节能明显，操作方便，使用安全，大大的降低了生产成本。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是蓝宝石晶体生长系统整体示意图。
图2是控制界面示意图。
图3是侧部隔热层示意图。
图4是上炉盖示意图。
图5是下炉盖示意图。
具体实施方式
图1所示的晶体生长系统包括炉壳，隔热层，发热体，钨坩埚15，坩埚车，籽晶动作伺服机构，升降系统，称重系统4，软件控制系统和安全保护系统12。炉壳包括主炉壳27，上炉盖17和下炉盖10。主炉壳27为水冷炉壳，其冷却水管路与下炉盖10和上炉盖17独立，主炉壳27包括水冷不锈钢筒体，6个水冷电极桩，主炉壳27的侧面，留有一个测温孔8，可用红外测温仪进行炉温的经验值监控。图4所示，上炉盖17上有籽晶升降机构2，观察孔21，籽晶室通孔22和上炉盖冷却水管23，在观察孔21上可装配CCD相机，将信号引入工控计算机界面，方便操作者观察，降低操作人员的劳动强度。图5所示，下炉盖包括3个电极桩24，下炉盖冷却水管23，水冷不锈钢炉盖和漏炉报警装置12。隔热层包括侧隔热层28，上隔热层7和下隔热层11，图3所示，侧隔热层有两部分构成，内侧隔热层30的5-10层是用纯钨材质，纯度99.95％，外侧隔热层31的10-15层使用钼材质，纯度99.95％，因内侧隔热层30承受的温度较高，容易损坏，而外部基本上没有损坏，使用复合式隔热层结构，可以方便的更换内侧隔热层30，大大的降低了耗材成本。侧隔热层28通过悬挂件悬挂于主炉壳27上，上隔热层7为10-15层，放在侧保温层上面，无悬挂，置于上炉盖17下面，下隔热层11为10-15层，置于下炉盖10上面，随升降机构一起升降。发热体分为侧发热体14和底部发热体9，侧发热体14使用钨杆，水冷电极，侧发热体14电极爪穿过侧隔热层28，通过铜盘悬挂于炉壳电极桩16上，底部发热体9通过支架放于下炉盖10上，侧部发热体14和底部发热体9均采用三相星型接法供电，底部发热体9使用使用螺旋型钨丝网发热体，双发热体可实现晶体生长温度梯度的灵活控制，对于操作人员的培训相当便利。钨坩埚15为烧结坩埚，纯度99.95％，外径300-400mm，厚度10-20mm，高度400-500mm，通过坩埚支架13置于下炉盖10上，为盛装原料的容器。坩埚车采用电动叉车，并配有坩埚位置微调系统，可实现坩埚15在水平面上的二维移动，坩埚车移动行程为0-20cm。籽晶伺服机构包括籽晶升降系统伺服电机1，籽晶升降丝杠2，籽晶旋转电机3，籽晶杆18，止推轴承5和波纹管6，籽晶升降系统行程0-500mm，升降速率0-10000mm/h，籽晶旋转速率0-100rpm。升降系统采用丝杠升降机构，并有限位器保证升降过程中的设备安全。称重系统4为压电称重传感器，称重范围0-200kg，称重精度0.01g。软件控制系统分为电源控制，籽晶动作控制，观察窗视频显示和报警控制，图2所示，控制系统显示界面包括电源参数控制和显示，籽晶动作参数控制和显示，称重数值显示和视频界面显示。其中电源参数控制为功率控制，调节量为功率值，显示量为两组发热体的三相电压电流数值。籽晶动作参数控制调节量为籽晶升降速率，转速，显示量为籽晶当前位置，籽晶升降速率和转速。称重数值显示为当前的晶体重量和晶体增长率，单位分别为g和g/h，视频显示系统显示引晶阶段晶体的生长状况。安全保护系统12由漏炉报警装置构成，其结构为压电陶瓷环29和导引线组成，压电陶瓷环29置于底部隔热层11上部，围绕底部发热体9一圈，在坩埚15发生破裂，高温熔体流出时，压电陶瓷环29会发出电信号，切断控制电源，保证设备和人员安全。
在晶体生长开始时，侧发热体14上加载50-100kw的功率，底部发热体9上加载20-50kw的功率，是氧化铝原料熔化为熔体19，然后下降籽晶，同时旋转，下降速率为20-500mm/h，晶体20旋转速率为0-50rpm，当籽晶接触熔体19液面时，停止下降，转速保持5-20rpm，同时调节功率，使得熔体19在籽晶表面结晶，然后开始提拉，同时旋转，拉速0-30mm/h，转速0-20rpm，通过工控机上的重量数值进一步调节两个发热体上的功率，使得熔体19逐渐生长为晶体20。当重量达到500g以上后，投入自动运行模式，停止提拉和旋转，由工控机进行PID闭环控制，完成晶体20生长。

Claims (5)

1.一种高效新型蓝宝石晶体生长系统包括炉壳，隔热层，发热体，钨坩埚，坩埚车，籽晶动作伺服机构，升降系统，称重系统，软件控制系统和安全保护系统，其特征在于，所述炉壳包括主炉壳，上炉盖和下炉盖，所述隔热层包括侧保温层，上保温层和下保温层，所述发热体分为侧发热体和底部发热体，所述侧发热体使用钨杆，水冷电极，通过铜盘悬挂于炉壳电极桩上，所述钨坩埚为烧结坩埚，纯度99.95％，所述坩埚车采用电动叉车，并配有坩埚位置微调系统，可实现坩埚在水平面上的二维移动，移动行程为0-20cm，所述籽晶动作伺服机构包括籽晶升降系统伺服电机，籽晶升降丝杠，籽晶旋转电机，籽晶杆，止推轴承和波纹管，所述升降系统采用丝杠升降机构，并有限位器保证升降过程中的设备安全，所述称重系统使用压电称重传感器，所述软件控制系统分为电源控制，籽晶动作控制，观察窗视频显示和报警控制，所述安全保护系统由漏炉报警装置构成。
2.根据权利1所述一种高效新型蓝宝石晶体生长系统，其特征在于，所述炉壳的主炉壳包括水冷不锈钢筒体，水冷电极桩和一个测温孔，测温装置为红外测温计，所述上炉盖包括籽晶升降机构，观察孔，籽晶室通孔，上炉盖冷却水管和水冷不锈钢炉盖，所述下炉盖包括电极桩，下炉盖冷却水管，水冷不锈钢炉盖和漏炉报警装置。
3.根据权利1所述一种高效新型蓝宝石晶体生长系统，其特征在于，所述隔热层的侧保温层分为两块，共计10-20层，内部5-10层材质为钨，纯度99.95％，外部10-15层，材质为钼，纯度99.95％，通过悬挂件悬挂于主炉壳上，所述上保温层10-15层，放在侧保温层上面，无悬挂，置于上炉盖下面，所述下保温层10-15层，置于下炉盖上面，随升降机构一起升降。
4.根据权利1所述一种高效新型蓝宝石晶体生长系统，其特征在于，所述侧发热体和底部发热体均采用三相星型接法供电，所述底部发热体使用螺旋型钨丝网发热体。
5.根据权利1所述一种高效新型蓝宝石晶体生长系统，其特征在于，所述钨坩埚外径300-400mm，厚度10-20mm，高度400-500mm。
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