CN103205804A - 一种蓝宝石单晶炉底部保温结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种蓝宝石单晶炉底部保温结构。它包括氧化锆保温层和钼隔热屏，氧化锆保温层由氧化锆纤维烧结制得的氧化锆纤维砖组接而成，置于钼隔热屏上层，钼隔热屏由多层钼片制成，氧化锆保温层与钼隔热屏间由氧化锆纤维砖组接的陶瓷环分隔，多层钼片由钼螺栓和钼螺母组接及固定。本发明解决了传统泡生法单晶炉中使用的钼下隔热屏结构在高温环境下使用过程中容易变形，温场不够合理，温度调节难控制等问题。

Description

一种蓝宝石单晶炉底部保温结构

（一）技术领域 

本发明涉及一种晶体生长炉中的热场结构，具体涉及一种冷心放肩微量提拉法生长蓝宝石的单晶炉中的底部保温结构。

（二）背景技术 

蓝宝石单晶作为目前广泛采用的蓝光GaN半导体衬底片，具有外延技术成熟、器件质量好、可在高温下保持稳定及机械强度高，易于操作等优点，成为目前综合性能最好的GaN基蓝白光LED半导体衬底材料。蓝宝石单晶的制备技术包括焰熔法、提拉法、泡生法、坩埚下降法、导模法、热交换法等，其中泡生法已经过产业化证明是最适合生长大尺寸高品质蓝宝石单晶的方法。

晶体生长系统主要包括控制系统、真空系统、加热体、冷却系统和保温系统等。生长出高品质蓝宝石单晶的前提条件是必须有合理的温场设计，只有温场合理，才有可能有效控制晶体径向和轴向的温度梯度，生长出形状理想、内部缺陷少的高品质蓝宝石单晶。温场受加热系统、保温系统及冷却系统综合因素的影响。保温系统主要为隔热屏，隔热屏一般采用多层耐高温金属板（如钨、钼等），其作用在于隔热、减少热损失，提高热利用率，同时保证炉内温场均匀。保温材料选择和结构设计合理，既可以有效存储热量，保证生长单晶所需的温度梯度，又可以将多余热量及时散出，使温度调整更加容易。 

（三）发明内容 

本发明的目的在于提供一种以解决传统泡生法单晶炉中使用的钼下隔热屏结构在高温环境下使用过程中容易变形，温场不够合理，温度调节难控制等问题的蓝宝石单晶炉底部保温结构。

本发明的目的是这样实现的：它包括氧化锆保温层和钼隔热屏，氧化锆保温层由氧化锆纤维烧结制得的氧化锆纤维砖组接而成，置于钼隔热屏上层，钼隔热屏由多层钼片制成，氧化锆保温层与钼隔热屏间由氧化锆纤维砖组接的陶瓷环分隔，多层钼片由钼螺栓和钼螺母组接及固定。 

本发明还有这样一些特征： 

1、所述的氧化锆保温层为由2~8块扇形氧化锆纤维砖拼接的圆形块体，氧化锆保温层直径350~550mm，厚度10~50mm。

2、所述的氧化锆保温层中间设置有比坩埚支撑棒直径大0.5~2mm的圆孔，外径比氧化锆保温层侧面最内层直径小0.5~2mm。 

3、所述的氧化锆保温层中相邻氧化锆纤维砖间由2~5组相配合的半圆形定位凹槽与定位突起固定，定位凹槽与定位突起半径5~15mm。 

4、所述的钼隔热屏由5~15层钼片组成，钼片外径350~550mm，内径比坩埚支撑棒直径大0.5~2mm，钼片厚度0.5~3mm，间距5~12mm。 

5、所述的氧化锆保温层与钼隔热屏间分隔用陶瓷环为2~4个，陶瓷环在氧化锆保温层径向上均匀分布。 

6、所述的陶瓷环同样由2~8个氧化锆纤维砖环瓣组成，陶瓷环宽度10~50mm，厚度10~30mm。 

7、所述的陶瓷环的氧化锆纤维砖环瓣的拼接缝位于氧化锆保温层中氧化锆纤维砖的中间。 

本发明的有益效果有： 

1.  氧化锆具有使用温度高（最高使用温度可达2200℃）、导热系数小（在金属氧化物当中导热系数最低）、抗氧化、高温下不易挥发、无污染等一系列优良特性，是一种高性能的隔热材料，在超高温隔热应用方面具有独特优势。氧化锆纤维砖还具有良好的机械性能和精确的几何尺寸。

2.  本发明采用氧化锆纤维砖制成单晶炉底部保温结构替代与靠近发热体的部分传统钼隔热屏，可避免钼隔热屏在高温区的挥发而对发热体、籽晶夹等内部结构造成的影响，并避免了晶体生长过程中引入杂质。 

3.   本发明中氧化锆保温层由若干块氧化锆纤维砖拼接而成，可避免传统钼隔热屏由于加热、冷却过程中产生的较大热胀冷缩而引起变形，进而带来失效的问题。 

4.  本发明中采用的氧化锆纤维砖具有耐高温、抗氧化的优点，可以有效的延长隔热屏的使用寿命。 

5.  本发明中采用的氧化锆纤维砖导热系数小，可有效保持炉内温度，保温效果好。 

6.  本发明采用氧化锆纤维砖制成单晶炉底部保温结构替代与靠近发热体的部分传统钼隔热屏，即可利用材料本身优异的保温特性，又可以避免单层氧化锆保温层导热过慢的问题，延续保温层的调温敏感性。 

 7.  本发明采用氧化锆纤维砖制成单晶炉底部保温结构替代与靠近发热体的部分传统钼隔热屏，有利于形成均匀稳定的温场，温度调节容易，保证合理的径向和轴向的温度梯度，符合冷心放肩微量提拉法对温场分布的要求。 

8.  本发明采用氧化锆纤维砖制成单晶炉底部保温结构由于其优异的隔热保温特性，热量流失少，进而减少了生长所需用电量，较传统钼隔热屏节能10~20%。 

本发明是在前期授权专利号ZL200920100239.0中公布的冷心放肩微量提拉法蓝宝石单晶生长炉保温结构的基础上，旨在提供一种更加易于调节温场并建立合理温度梯度，形成下部保温性能相对优于上部保温性能，从而形成更加均匀的轴向温度梯度的蓝宝石单晶炉（单晶生长炉）的底部保温结构，以解决传统泡生法单晶炉中使用的钼隔热屏结构在高温环境下使用过程中容易变形，温场不够合理，温度调节难控制等问题。 

（四）附图说明 

图1为本发明结构示意图；

图2-图4为氧化锆保温层结构示意图；

图5-图7为陶瓷环结构示意图。

（五）具体实施方式 

下面结合附图对本发明进行详细说明。

结合图1，本实施例示例的是冷心放肩微量提拉法蓝宝石单晶炉底部保温结构，该结构主要包括两部分，上部为氧化锆纤维砖组成的氧化锆保温层1，下部为多层钼片组成的钼隔热屏。结合图2-图4，氧化锆保温层由四块外径D2=350mm，内径D1=61mm的氧化锆纤维砖拼接的高度h1为10mm的中空圆形块体。相邻氧化锆纤维砖之间在径向均匀排布3组相配合的半径为R1=5mm和R2=5.2mm的半圆形定位突起与定位凹槽。氧化锆保温层与钼隔热屏之间设置有用于分隔的两个氧化锆陶瓷环2，陶瓷环结构如图5-图7所示，陶瓷环厚度h2为10mm，内径分别为75mm和130mm，每个陶瓷环的拼接缝位于氧化锆保温层的中部。钼隔热屏3由6层外径350mm，内径61mm，厚度1mm的钼片组成，钼隔热屏用钼螺栓和钼螺母分隔固定。本实施例底部保温结构适用于生长重量为31公斤大尺寸蓝宝石单晶的单晶炉。  

Claims (8)

1.一种蓝宝石单晶炉底部保温结构，其特征在于它包括氧化锆保温层和钼隔热屏，氧化锆保温层由氧化锆纤维烧结制得的氧化锆纤维砖组接而成，置于钼隔热屏上层，钼隔热屏由多层钼片制成，氧化锆保温层与钼隔热屏间由氧化锆纤维砖组接的陶瓷环分隔，多层钼片由钼螺栓和钼螺母组接及固定。

2.根据权利要求1所述的一种蓝宝石单晶炉底部保温结构，其特征在于所述的氧化锆保温层为由2~8块扇形氧化锆纤维砖拼接的圆形块体，氧化锆保温层直径350~550mm，厚度10~50mm。

3.根据权利要求2所述的一种蓝宝石单晶炉底部保温结构，其特征在于所述的氧化锆保温层中间设置有比坩埚支撑棒直径大0.5~2mm的圆孔，外径比氧化锆保温层侧面最内层直径小0.5~2mm。

4.根据权利要求3所述的一种蓝宝石单晶炉底部保温结构，其特征在于所述的氧化锆保温层中相邻氧化锆纤维砖间由2~5组相配合的半圆形定位凹槽与定位突起固定，定位凹槽与定位突起半径5~15mm。

5.根据权利要求4所述的一种蓝宝石单晶炉底部保温结构，其特征在于所述的钼隔热屏由5~15层钼片组成，钼片外径350~550mm，内径比坩埚支撑棒直径大0.5~2mm，钼片厚度0.5~3mm，间距5~12mm。

6.根据权利要求5所述的一种蓝宝石单晶炉底部保温结构，其特征在于所述的氧化锆保温层与钼隔热屏间分隔用陶瓷环为2~4个，陶瓷环在氧化锆保温层径向上均匀分布。

7.根据权利要求6所述的一种蓝宝石单晶炉底部保温结构，其特征在于所述的陶瓷环同样由2~8个氧化锆纤维砖环瓣组成，陶瓷环宽度10~50mm，厚度10~30mm。

8.根据权利要求7所述的一种蓝宝石单晶炉底部保温结构，其特征在于所述的陶瓷环的氧化锆纤维砖环瓣的拼接缝位于氧化锆保温层中氧化锆纤维砖的中间。

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