CN106435712B - 一种炉腔可更换的晶体提拉炉 - Google Patents

Abstract

一种炉腔可更换的晶体提拉炉，包括炉腔、旋转提拉称重单元、保温热场和坩埚，保温热场置于炉腔内，坩埚置于保温热场中，旋转提拉称重单元置于炉腔上方，籽晶杆置于炉腔内，并与旋转提拉称重单元连接；炉腔包括上法兰盘、下法兰盘和腔体，腔体置于上法兰盘和下法兰盘之间，腔体内部或外围设置有加热装置，腔体与上法兰盘和下法兰盘之间均设置有密封装置。所述炉腔内设置有升降装置，升降装置固定在下法兰盘上，所述保温热场和坩埚置于该升降装置上。该晶体提拉炉的炉腔可以进行调整更换，可以适用于更多尺寸晶体的生长，结构简单，组装方便，便于维护，耗能低。此外，通过升级装置可使坩埚处于最佳温度场中，提高晶体生长效率和质量。

Description

一种炉腔可更换的晶体提拉炉

技术领域

本发明涉及一种根据坩埚大小可更换炉腔的提拉晶体炉，属于晶体生长设备技术领域。

背景技术

提拉法是一种从熔体中生长高质量单晶体的方法，其基本原理是原料在坩埚中加热溶化，缓慢将籽晶与熔体接触，通过精确控制温度和晶体拉速和转速，使得固液界面处熔体不断凝固而生长出晶体。该晶体生长方法下籽晶过程和晶体生长过程能够实时观察与控制，可以通过使用优质定向籽晶和缩颈技术，减少晶体缺陷，获得高质量晶体，生长速度较快，因此提拉法是一种能够应用于产业化的晶体生长方法，可用于生长激光晶体、压电晶体、电光晶体、闪烁晶体等重要的光电功能晶体。

中国专利文献CN103911655A公开的《一种晶体提拉装置》,包括晶升机构、提升平台和安装在提升平台上的称重传感器，还包括均为轴对称结构的晶转机构和称重吊篮，称重吊篮包括吊篮上平板和一端与吊篮上平板连接的吊篮连接杆，吊篮上平板与吊篮连接杆连接后形成轴对称结构，吊篮上平板安装在称重传感器的称重平面上，吊篮连接杆另一端向下穿过提升平台上的通孔与晶转机构连接，称重吊篮和晶转机构的几何对称轴同轴连接且该几何对称轴落于称重传感器的称重轴心上。

CN101660198公开的《一种高精度自动化光电晶体提拉炉》,包括炉体、设于炉体内装有熔融晶体的坩埚及用于提拉晶体的提拉杆，还包括对坩埚加热的加热模块及测温模块，能调节晶体提拉生长速度的提拉模块调节旋转速度的旋转模块，以及监控模块和控制模块。

CN101788790A公开的《用于自动化光电晶体提拉炉的PC机控制系统》，包括执行模块及通过智能PID算法控制执行模块的控制模块，该执行模块包括控制炉体温度的温度控制模块、控制晶体提拉速度的晶体提拉模块、控制晶体旋转速度的晶体旋转模块及对炉体内剩余晶体重量作监控的监控模块，该控制模块还连接有人机界面模块，该控制模块通过内置的扫描单元实时扫描各个执行模块的执行情况，并通过内置的信息记录单元自动记录执行信息，将执行信息传送至人机界面模块，该人机界面模块包括按照实验日期进行排列、并提供图形化查询的查看界面。

CN105717878A公开的《全数字化集散型闪烁晶体提拉炉控制系统》，包括上位机电脑、中频加热模块、称重模块及晶体生长控制模块，控制模块与称重模块进行通信以获取称重信号，控制模块与中频加热模块进行通信以设置功率值和读取中频参数，控制模块与上位机电脑进行通信以上传监测信号和接收操作命令，所有通信均采用数字化方式，大大提高了系统的控制精度。

上述用于晶体提拉的技术解决了晶体提拉生长及自动控制问题，但是目前晶体提拉炉主要存在以下问题：

1.目前采用厚重的不锈钢双层水冷炉壳结构，耗用大量的不锈钢材料，成本较高，不锈钢外壳还会感应产生大量的热量需要被冷却水带走，造成能源浪费。

2.不锈钢炉腔尺寸规格固定，用大炉腔的提拉炉生长小规格晶体时，耗能大，浪费能源。用小炉腔的提拉炉生长大规格晶体时，小炉腔无法使用。

发明内容

本发明针对现有晶体提拉炉存在的缺点，提供一种炉腔可更换、结构简单、维护方便，节省水电能源，设备成本低的带有坩埚升降功能的炉腔可更换的晶体提拉炉。该晶体提拉炉可用于生长硅酸钇镥(LYSO)、钽酸锂晶体(LiTaO₃，LT)、钇铝石榴石晶体(Y₃Al₃O₁₂，YAG)等光电功能晶体。

本发明的炉腔可更换的晶体提拉炉，采用以下技术方案：

该炉腔可更换的晶体提拉炉，包括炉腔、旋转提拉称重单元、保温热场和坩埚，保温热场置于炉腔内，坩埚置于保温热场中，旋转提拉称重单元置于炉腔上方，籽晶杆置于炉腔内，并与旋转提拉称重单元连接；炉腔包括上法兰盘、下法兰盘和腔体，腔体置于上法兰盘和下法兰盘之间，腔体内部或外围设置有加热装置，腔体与上法兰盘和下法兰盘之间均设置有密封装置。

所述炉腔内设置有升降装置，升降装置固定在下法兰盘上，所述保温热场和坩埚置于该升降装置上。该升降装置一方面可以方便的调整坩埚在温场中的相对位置，方便装炉操作，另一方面可以旋转坩埚，有利于特殊晶体生长要求。

所述腔体为透明腔体，以方便观察腔体内晶体生长情况。

所述腔体与上法兰盘和下法兰盘之间的密封装置，包括套装在腔体上部的上密封圈和套装在腔体下部的下密封圈，上密封圈通过上压环压在上法兰盘上，下密封圈通过下压环压在下法兰盘上。

所述加热装置可以是设置于腔体外围的感应加热线圈，或者是设置于腔体内部的电阻加热装置。

所述上法兰盘和下法兰盘内均设置有冷却空腔，上法兰盘上设置有与其内冷却空腔连通的上法兰冷却水进口和上法兰冷却水出口，下法兰盘上设置有与其冷却空腔连通的下法兰冷却水进口和下法兰冷却水出口。

所述上法兰盘和下法兰盘上均设置有接气口。通过接气口使腔体内处于真空状态，或通过控制进出气口气体流量，达到炉腔内处于流动气氛状态。

所述上法兰盘上设置有摄像机，用于实时监测腔体内晶体生长状态。

所述上法兰盘和下法兰盘上加工有呈同心圆分布的螺纹孔，以用于固定不同直径腔体上密封圈的所需的上压环或下压环。

所述上法兰盘和下法兰盘上加工有呈同心圆分布的定位槽，以将不同直径的腔体定位在定位槽中。

所述下法兰盘的底部设置有减震支腿，腔体外感应线圈外加不锈钢或铝制防护罩网。

根据实际生长晶体的尺寸，选择合适大小的腔体，将晶体多晶原料置于坩埚内，坩埚外部安放保温热场，将籽晶置于提拉杆上。腔体与上法兰盘和下法兰盘密封。通过升降装置带动坩埚升降，调整坩埚的位置，使坩埚处于最佳的温场位置。通过向腔体内通入惰性气体或对腔体抽真空，使腔体内形成适合晶体生长的环境，加热装置接通电源，通过向上法兰盘和下法兰盘内通入流动冷却水使其冷却。当坩埚加热到多晶原料熔点以上时，晶体多晶原料熔化成熔体状态，旋转提拉称重单元带动提拉杆，使得籽晶伸入到坩埚内的熔体中，然后通过旋转并向上提拉籽晶而实现晶体生长。

本发明中的炉腔可以根据生长晶体的尺寸进行调整更换，相比于固定尺寸的整体式不锈钢炉腔，可以适用于更多尺寸晶体的生长，结构简单，组装方便，便于维护，且能够大大降低成本，而且还可以减少水电能源消耗，耗能低。此外，通过升级装置可使坩埚处于最佳温度场中，提高晶体生长效率和质量。

附图说明

图1是本发明炉腔可更换的晶体提拉炉结构示意图。

其中：1.上法兰盘，2.上法兰冷却水进口，3.CCD摄像机，4.旋转提拉称重单元，5.上接气口，6.上密封圈，7.上压环，8.上法兰冷却水出口，9.腔体，10.籽晶杆，11.保温热场，12.坩埚，13.感应线圈，14.下法兰盘，15.下法兰冷却水进口，16.下压环，17.下密封圈，18.下接气口，19.升降装置，20.托架，21.减震支腿，22.下法兰冷却水出口，23.防护网罩。

具体实施方式

本发明为炉腔可更换的晶体提拉炉，其结构如图1所示。与现有提拉炉一样也包括炉腔、旋转提拉称重单元4、保温热场11和坩埚12，保温热场11置于腔体内，坩埚12(如贵金属铱金或铂金坩埚、石墨坩埚、钨钼坩埚等)置于保温热场11中，保温热场11为晶体生长提供需要的热场，采用氧化锆、氧化铝、石墨或碳毡等保温材料。旋转提拉上称重单元4置于炉腔上方，籽晶杆10置于炉腔内，并与旋转提拉称重单元4连接。旋转提拉称重单元4采用现有通用结构，设置有高精度称重传感器、提拉执行机构和旋转执行机构。满足晶体生长精确提拉和稳定转动。但是，本发明中的炉腔是与现有提拉炉中的整体炉腔结构不同，可拆卸组装成不同容积。

本发明中的炉腔包括上法兰盘1、下法兰盘14和腔体9，腔体9置于上法兰盘1和下法兰盘14之间，腔体9与上法兰盘1和下法兰盘14之间均设置有密封装置。腔体9的材质为石英玻璃或其它非金属材质，选用透明的石英玻璃可以清楚地观察腔体9内晶体生长情况。

腔体9的上部外侧套装有上密封圈6，上密封圈6通过上压环7压在上法兰盘1上，上压环7通过螺钉固定在上法兰盘1上(上法兰盘1上的螺纹孔是盲孔)。腔体9的下部外侧套装有下密封圈17，下密封圈17通过下压环16压在下法兰盘14上，下压环16通过螺钉固定在下法兰盘14上(下法兰盘14上的螺纹孔是盲孔)。

腔体9内部或外围设置加热装置13。加热装置13可以是设置于腔体9外围的感应加热线圈，以感应加热方式对坩埚12加热。针对玻璃炉腔的直径，需要更换不同的感应加热线圈。加热装置13也可以是位于腔体9内部的电阻加热装置，加热电极通过下法兰盘14引出。

通过控制电源功率大小，使坩埚12温度升高来融化晶体原料。电源可以采用高稳定度感应电源或直流电源，通过数字通讯接口和控制系统连接，实现功率的实时动态调节。

上法兰盘1内设置有冷却空腔，上法兰盘1上设置有与其冷却空腔连通的上法兰冷却水进口2和上法兰冷却水出口8。上法兰盘1上还设置有上接气口5和CCD摄像机3。CCD摄像机3用于实时监测腔体9内晶体生长状态。下法兰盘14内也设置有冷却空腔，下法兰盘14上设置有与其冷却空腔连通的下法兰冷却水进口15和下法兰冷却水出口22。下法兰盘14上还设置有下接气口18。上接气口5和下接气口18一个用于向腔体9内通入气体，一个用于排除气体。可在通入惰性气体的接气口上连接流量计，以控制进气量，炉腔内达到流动气氛状态。也可通过上接气口5和下接气口18接入真空获得系统，获得生长需要的真空度。

上法兰盘1与下法兰盘14之间可以根据生长晶体的尺寸更换不同直径规格的腔体，通过更换腔体改变炉腔直径。只需将固定在上法兰盘1上的上压环7和下法兰盘14上的下压环16，拿掉上法兰盘1，即可取下腔体9。在下法兰盘14上安放另一直径的腔体，再用相应的密封圈和压环密封，然后该腔体上放置上法兰盘1并安装相应的密封圈和压环，即可更换完成。

为便于更换腔体，上法兰盘1和下法兰盘14上加工有呈同心圆分布的螺纹孔，以用于固定不同直径腔体9上密封圈的所需的上压环或下压环。也可在上法兰盘1和下法兰盘14上加工有呈同心圆分布的定位槽，以将不同直径的腔体9定位在相应的定位槽中。也可以根据不同腔体9的尺寸相应地对上下法兰盘进行更换。

上法兰盘1与下法兰盘14也可以根据不同腔体9的尺寸相应的进行更换。法兰上可以设置多个标准气体、密封接口以及电极。

本发明中还设置有升降装置19。该升降装置19设置于下法兰盘14上，用于坩埚12的升降，以使坩埚12处于最佳的温度场中。升降装置19上连接有托架20，保温热场11和坩埚12置于托架20上。升降装置19可以采用丝杠升降机构、电动推杆等任何手动或电动的升降装置。该升降装置19一方面可以方便的调整坩埚12在温场中的相对位置，方便装炉操作，另一方面可以旋转坩埚12，有利于特殊晶体生长要求。

此外，下法兰盘14的底部设置有减震支腿21，下法兰盘14的外围设置有防护网23，将操作人员隔离在感应加热线圈外边，保证人员安全。

上述提拉炉，用于硅酸钇镥(LYSO)或钽酸锂晶体(LiTaO₃，LT)或铌酸锂晶体(LiNbO₃，LN)或钇铝石榴石晶体(Y₃Al₃O₁₂，YAG)晶体生长，具体生长过程如下所述。

根据实际生长晶体的尺寸，选择合适大小的玻璃腔体9，将生长硅酸钇镥(LYSO)或钽酸锂晶体(LiTaO₃，LT)或铌酸锂晶体(LiNbO₃，LN)或钇铝石榴石晶体(Y₃Al₃O₁₂，YAG)的多晶原料置于坩埚12内，坩埚12外部安放保温热场11，将籽晶置于提拉杆10上。腔体9与上法兰盘1和下法兰盘14密封，通过向上法兰盘1和下法兰盘14内采用流动冷却水使其冷却，保护密封圈和不锈钢法兰盘不会过热失效。通过升降装置19带动坩埚12升降，调整坩埚12的位置，使坩埚12处于最佳的温场位置。通过上接气口5向腔体9内通入惰性气体，通过上接气口5上的流量计控制进气量。也可对腔体抽真空，使腔体内形成适合晶体生长的环境。加热装置13接通电源，该电源可采用高稳定度感应电源或电阻加热电源，通过控制系统连接，实现功率的实时动态调节。

当坩埚加热到多晶原料熔点以上时，晶体多晶原料熔化成熔体状态，旋转提拉称重单元4带动提拉杆10，使得籽晶伸入到坩埚12内的熔体中，然后通过旋转并向上提拉籽晶而实现晶体生长。加热功率或温度控制、旋转提拉控制可通过计算机实时在线监控，实现晶体生长自动控制。

通过CCD摄像机3实时监测腔体9内晶体生长状态，通过CCD采集实时图像，实时记录晶体生长过程，在计算机上显示，可以直观的观察记录晶体生长的实时状态。

Claims (3)

1.一种炉腔可更换的晶体提拉炉，包括炉腔、旋转提拉称重单元、保温热场和坩埚，保温热场置于炉腔内，坩埚置于保温热场中，旋转提拉称重单元置于炉腔上方，籽晶杆置于炉腔内，并与旋转提拉称重单元连接；其特征是：炉腔包括上法兰盘、下法兰盘和腔体，腔体置于上法兰盘和下法兰盘之间，腔体内部或外围设置有加热装置，腔体与上法兰盘和下法兰盘之间均设置有密封装置；

所述腔体与上法兰盘和下法兰盘之间的密封装置，包括套装在腔体上部的上密封圈和套装在腔体下部的下密封圈，上密封圈通过上压环压在上法兰盘上，下密封圈通过下压环压在下法兰盘上；

所述上法兰盘和下法兰盘上加工有呈同心圆分布的螺纹孔或所述上法兰盘和下法兰盘上加工有呈同心圆分布的定位槽。

2.根据权利要求1所述的炉腔可更换的晶体提拉炉，其特征是：所述上法兰盘和下法兰盘内均设置有冷却空腔，上法兰盘上设置有与其内冷却空腔连通的上法兰冷却水进口和上法兰冷却水出口，下法兰盘上设置有与其冷却空腔连通的下法兰冷却水进口和下法兰冷却水出口。

3.根据权利要求1所述的炉腔可更换的晶体提拉炉，其特征是：所述上法兰盘和下法兰盘上均设置有接气口，可使腔体内处于真空状态，或通过控制气体流量，达到炉腔内处于流动气氛状态。