CN103147126A - 蓝宝石单晶制造用冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及蓝宝石单晶制造用冷却装置。本发明的蓝宝石单晶制造用冷却装置，其包括形成有位于内部底面固定有籽晶结晶的坩埚下部、向固定有籽晶结晶的部位供应冷媒的供应管，把冷却坩埚下部的冷媒排出的冷媒排出管的冷媒循环部；由连接冷媒供应管的入口和冷媒排出管出口的内部管，环抱所述内部管、内部有冷媒循环的外部管形成双重管结构的第1冷却部；内部形成有装放所述第1冷却部的冷却槽，填充有冷却水的第2冷却部。

Description

蓝宝石单晶制造用冷却装置

技术领域

本发明涉及蓝宝石单晶制造用冷却装置，尤其涉及循环利用对坩埚内的籽晶进行冷却的冷媒，降低成本的同时，让冷却过程中的冷媒所受热冲击最小化，可防止冷媒体积、流量、速度急剧变化的蓝宝石单晶制造用冷却装置。

背景技术

随着电子技术的日新月异，显示器领域对光学、物理性能优秀的蓝宝石单晶的需求急剧增长。以氧化铝单晶为主成分的蓝宝石单晶，其透光性和散热性优秀，是对这两项指标要求很高的背投电视或LCD模块基板的核心素材，还作为蓝色LED基板应用广泛。

但蓝宝石在晶体结构上具有异相性，在长晶时容易发生裂纹，存在一些技术难关。为了得到大小和质量满足要求的蓝宝石单晶，业界对各种长晶方法进行不断研究。

现有的长晶方法有焰熔法（Verneuil Method），布里奇曼法(Bridgman)，定边膜喂法（EFG; Edge-Defined Film-Feed Growth），乔克拉尔斯基法(Czochralski Method)，热交换法（HEM, Heat Exchange Method）。

焰熔法让氧化铝粉末经过氧气-氢气火焰，使之熔化，把溶液滴到籽晶（Seed）上，并让结晶旋转下降，获得结晶。这一方法可以让结晶容易成长，其成本也很低廉，但结晶成长过程中所受热冲击非常高，容易发生裂纹，从质量和大小方面只适合于手表玻璃和装饰用途，很难他用。

乔克拉尔斯基法(Czochralski Method)具有可以自由调节直径，长度长，生产效率高等优点，但对于蓝宝石单晶等脆弱的材料来说，长晶过程中的高温度梯度、结晶旋转上升时拉单晶机产生的震动、芯部的应力集中，直接限制单晶的直径，其成长轴方向被限制。

定边膜喂法（EFG; Edge-Defined Film-Feed Growth）与乔克拉尔斯基法类似，虽然可以有效地按所愿形状长晶，但结晶的表面存在很多缺陷，结晶生产效率不高。而从原理层面，降低缺陷对于该工艺来说几乎不可能。

热交换法（HEM, Heat Exchange Method）在温度均匀的高温部下端部分、设置热交换器、精密控制温度。因此，在长晶的过程中温度梯度非常稳定，而且没必要为了固化、移动结晶本身，是直径和质量方面可以获得最好效果的长晶方式。但作为热交换媒介、使用高价氦气，并用完后废弃。因此，制造成本过高。

为了解决这一问题，有些技术方案展示了用水代替高价氦气的方案。但水流过籽晶下端的高温部（约2000摄氏度）时，从液态汽化到气态，产生剧烈的体积膨胀、由此发生震动，导致结晶出现双晶或裂纹等严重缺陷，很难得到高质量的单晶。而且无法直接控制高温部的温度等，存在很多问题点。

韩国专利公开第2002-56247号展示了这种用水的技术方案。但该现有技术在籽晶下端设置黑铅材料热交换部，在其下部设置水冷的铜棒，对黑铅材料热交换部的温度进行控制，以此对籽晶下端的温度进行控制。而籽晶下端的温度与水冷铜棒的温度之间有相当大的偏差，很难进行精密的温度控制，很难得到高质量单晶。

现有技术1.韩国注册专利第10-0573525号

现有技术2.韩国公开专利第10-2002-56247号

发明内容

本发明是鉴于如上所述现有技术的问题而提出的，其目的在于提供一种循环使用对设置于坩埚内部的籽晶进行冷却的冷媒，降低制造成本的同时，让冷却过程中的冷媒所受热冲击最小化，可防止冷媒体积、流量、速度急剧变化的蓝宝石单晶制造用冷却装置。

本发明的另一目的在于提供一种蓝宝石单晶制造用冷却装置，稳定地冷却氦气，防止其急剧收缩或循环速度发生变化。

本发明的另一目的在于提供一种蓝宝石单晶制造用冷却装置，分别检测供应到冷却部的已加热的氦气温度和由冷却部排出的已冷却氦气温度，根据检测值调节冷却水的流量，让氦气的供应温度维持在一定值。

本发明的另一目的在于提供一种蓝宝石单晶制造用冷却装置，在冷媒供应管和冷媒排出管的连接部位、在冷媒排出管的端部内侧角部形成曲面部，防止冷媒流动方向改变的部位出现乱流。

为了达到如上所述的目的，本发明的蓝宝石单晶制造用冷却装置包括形成有位于内部底面固定有籽晶结晶的坩埚下部、向固定有籽晶结晶的部位供应冷媒的供应管，把冷却坩埚下部的冷媒排出的冷媒排出管的冷媒循环部；由连接冷媒供应管的入口和冷媒排出管出口的内部管，环抱所述内部管、内部有冷媒循环的外部管形成双重管结构的第1冷却部；内部形成有装放所述第1冷却部的冷却槽，填充有冷却水的第2冷却部。

冷媒供应管和冷媒排出管的连接部具有双重管结构，位于外侧的冷媒排出管的端部闭口，位于该冷媒排出管内部的冷媒供应管端部开放、并与冷媒排出管端部相隔一定间距，而在冷媒排出管闭口的端部内侧边缘、形成有曲面部。

还包括设置在第1冷却部的内部管两端部，检测供应侧冷媒和排出侧冷媒温度的温度传感器。

还包括根据所述温度传感器所测的温度，对供向第1冷却部外部管的冷却水供应量进行调节的控制部。

还包括位于所述第1冷却部的冷却水入口侧，根据控制部的控制信号，对冷却水的供应量进行调节的供应泵。

本发明的有益效果是循环使用对设置于坩埚内部的籽晶进行冷却的冷媒，可降低制造成本的同时，让冷却过程中的冷媒所受热冲击最小化，可防止冷媒体积、流量、速度急剧变化。

另外，本发明可以稳定地冷却氦气，可防止其急剧收缩或循环速度发生变化。

另外，本发明分别检测供应到冷却部的已加热的氦气温度和由冷却部排出的已冷却氦气温度，根据检测值调节冷却水的流量，可让氦气的供应温度维持在一定值。

另外，本发明在冷媒供应管和冷媒排出管的连接部位、在冷媒排出管的端部内侧角部形成曲面部，可以防止冷媒流动方向改变的部位出现乱流。

附图说明

图1为本发明蓝宝石单晶制造用冷却装置剖面示意图。

图2为图1的“A”部分放大剖面示意图。

图3为本发明蓝宝石单晶制造用冷却装置控制图。

*符号说明*

110：冷媒循环部              111：冷媒供应管

112：冷媒排出管              113：连接部

113a：曲面部                    120：第1冷却部

121：内部管                      122：外部管

123、123’：温度传感器    124：供应泵

130：第2冷却部               131：冷却槽

132：冷却装置                  140：控制部

D：坩埚                            S：籽晶

具体实施方式

在此，参照附图，对本发明第1实施例的蓝宝石单晶制造用冷却装置进行详细说明。

进入说明之前，对具有同一结构的部分，使用同一符号，在第1实施例中进行说明，而在其他实施例中，对与第1实施例不同的部分进行说明。

图1为本发明蓝宝石单晶制造用冷却装置剖面示意图。图2为图1的“A”部分放大剖面示意图。

如图所示，本发明的蓝宝石单晶制造用冷却装置包括内部有氦气等冷媒循环的冷媒循环部110，与冷媒循环部110连接、对冷媒进行冷却的第1冷却部120及第2冷却部130，温度传感器123、123’，供应泵124，控制部140。

冷媒循环部110形成有位于内部底面固定有籽晶S结晶的坩埚D下部、向固定有籽晶S结晶的部位供应氦气He等冷媒的冷媒供应管111，与冷媒供应管111连接、把冷却坩埚D下部后的冷媒排出的冷媒排出管112。冷媒供应管111和冷媒排出管112的连接部113具有双重管结构。在该双重管结构连接部113，位于外侧的冷媒排出管112的端部闭口，而位于冷媒排出管112内部的冷媒供应管111的端部开放、与冷媒排出管112的端部相隔一段间距。在冷媒排出管112闭口端部的内侧边缘部位，形成有曲面部113a。

第1冷却部120具有由连接冷媒供应管111的入口和冷媒排出管112出口的内部管121，环抱所述第1管的外侧、内部循环冷却水（DeIonize water）的外部管122形成的双重管结构。在外部管122的冷却水入口、设有调节冷却水供应量的供应泵124，在内部管的冷媒流入口和冷媒流出口、分别设有检测冷媒温度的温度传感器123、123’。

第2冷却部130形成有以填充油冷却水的状态、装放第1冷却部120的冷却槽131，把冷却槽131的冷却水、按设定温度冷却的冷却装置132。这种第2冷却部130可以具有类似深冷器(Chiller)的结构。

控制部140按温度传感器123、123’的温度检测值，向第1冷却部120的供应泵124传达控制信号，调节冷却水的供应量，让第1冷却部120内部管121出口排出的冷媒温度保持一定值。

下面，对本发明蓝宝石单晶制造用冷却装置第1实施例的工作原理进行说明。

如图1所示，形成于冷媒循环部110的冷媒供应管111和冷媒排出管112一端部的连接部113位于内部底面固定有籽晶S的坩埚D下部。冷媒供应管111的另一端部连接在第1冷却部120内部管121的出口侧，冷媒排出管112的另一端部连接在第1冷却部120内部管121的入口侧。

第1冷却部120具有双重管结构，在内部管121内部循环着冷媒，在外部管122内部循环着冷却水，以来回弯曲或螺旋结构，安装在第2冷却部130冷却槽131内部。

在第1冷却部120内部管121的入口侧和出口侧，分别设有温度传感器123、123’，分别检测流入内部管121的冷媒温度和，从内部管121流出的冷媒温度。

在外部管122的入口侧，设有可控制供应量的供应泵124，向外部管122供应冷却水。

第2冷却部130的内部装放有第1冷却部120，并填充油冷却水。第2冷却部130通过未图示的冷却装置132调节冷却槽131内部的冷却水温度。

特别是，在内部有氦气等冷媒流过的内部管121外侧、设置循环冷却水的外部管122，对冷媒进行冷却的同时，让外部管122位于冷却槽131内部，让流过外部管122时与冷媒进行热交换的冷却水被冷却槽131内部的冷却水冷却，从而外部管122内部的冷却水与冷媒连续进行热交换，最大限度地降低冷媒的热冲击，可以稳定地冷却冷媒，并可以最大限度地缩小用于冷却的管道长度。

如图2所示，位于坩埚D下部的冷媒循环部110冷媒供应管111和冷媒排出管112的连接部113，具有冷媒排出管112端部闭口、冷媒供应管111插入到冷媒排出管112内部中央的双重管结构。而冷媒供应管111的端部与冷媒排出管112端部内侧相隔一定间距，让冷媒供应管111端部供应的冷媒想冷媒排出管112的内侧端部排出。

这里，形成于冷媒排出管112闭口端部内侧边缘部位的曲面部113a让流过该部位的冷媒柔顺地改变流动方向，让冷媒顺畅循环，可以防止冷媒发生乱流，可以提高热交换效率。

图3为本发明蓝宝石单晶制造用冷却装置控制图。如图所示，控制部140接收由设置在第1冷却部120内部管121入口和出口的温度传感器123、123’发送的冷媒流入温度和冷媒流出温度后，根据这些温度对第1冷却部120的供应泵124进行控制，调节供应给第1冷却部120外部管122的冷却水流量，进行初步温度控制。同时，控制部140通过第2冷却部130的冷却装置132，对冷却槽131内部的冷却水温度进行调节，进行2次温度控制。

本发明的权力不受限于上面的实施例。在本发明的权利要求范围内，可以有很多实施例。对于具有本行业基础知识的人来说，可以很容易变更本发明，提出属于本发明权力范围内的其他实施例。

Claims (5)

1.一种蓝宝石单晶制造用冷却装置，其特征在于：

包括形成有位于内部底面固定有籽晶结晶的坩埚下部、向固定有籽晶结晶的部位供应冷媒的供应管，把冷却坩埚下部的冷媒排出的冷媒排出管的冷媒循环部；由连接冷媒供应管的入口和冷媒排出管出口的内部管，环抱所述 内部管、内部有冷媒循环的外部管形成双重管结构的第1冷却部；内部形成有装放所述第1冷却部的冷却槽，填充有冷却水的第2冷却部。

2.根据权利要求1所述的蓝宝石单晶制造用冷却装置，其特征在于：

冷媒供应管和冷媒排出管的连接部具有双重管结构，位于外侧的冷媒排出管的端部闭口，位于该冷媒排出管内部的冷媒供应管端部开放、并与冷媒排出管端部相隔一定间距，而在冷媒排出管闭口的端部内侧边缘、形成有曲面部。

3.根据权利要求1或2所述的蓝宝石单晶制造用冷却装置，其特征在于：

还包括设置在第1冷却部的内部管两端部，检测供应侧冷媒和排出侧冷媒温度的温度传感器。

4.根据权利要求3所述的蓝宝石单晶制造用冷却装置，其特征在于：

还包括根据所述温度传感器所测的温度，对供向第1冷却部外部管的冷却水供应量进行调节的控制部。

5.根据权利要求4所述的蓝宝石单晶制造用冷却装置，其特征在于：

还包括位于所述第1冷却部的冷却水入口侧，根据控制部的控制信号，对冷却水的供应量进行调节的供应泵。

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