一种大尺寸晶体生长用温场系统
技术领域
本发明涉及一种用于晶体生长的温场系统,具体地说是一种适用于熔点在2000℃以上的、有效维持结构稳定的大尺寸晶体生长用温场系统。
背景技术
随着社会经济以及科技的发展,各种宝石晶体的需求也越来越广泛。以蓝宝石晶体为例,近年来,随着红外技术、微电子技术、光电子技术的迅速发展,蓝宝石晶体凭借其独特的晶格结构、稳定的物化特性以及优异的光学、热学、力学性能,再加上可在接近2000℃高温的恶劣条件下工作的优势,正逐渐成为新一代半导体发光二极管(LED)主流的衬底材料,另外也是重要的红外窗口材料和当下智能手机面板和镜头以及智能手表表镜的首选材料,市场需求呈现爆发式增长态势,这也牵动了蓝宝石生长技术的快速发展,使之成为晶体生长领域的研究热点。
目前泡生法蓝宝石单晶的产量约占市场份额的70%以上,处于主流优势地位。随着可穿戴设备对蓝宝石材料需求的迅速增长,使蓝宝石晶体的生产企业从2010年开始急剧扩张,蓝宝石晶体级别也由原来的30kg级逐渐成熟到目前的60kg和80kg级别,但现有技术中,100kg级以上大尺寸蓝宝石晶体生长技术仍不成熟,良率较低。究其原因,蓝宝石晶体生长温度约为2050℃,温场系统的结构及其稳定性是保证蓝宝石晶体良率的关键,由于泡生法生长蓝宝石晶体的温场系统中大量使用钨钼材料,造价高,能耗较大,同时,由于蓝宝石晶体的生长过程中具有高温、高真空、生长周期长等特点,经常会导致钨、钼材料的挥发和变形,使温场系统出现严重变形或者拆装困难等问题,增加了生产及维护成本,缩短了温场系统的使用寿命,另外钨钼材料的挥发也严重影响温场的稳定性和对称性,可重复性差,造成蓝宝石晶体的良率低下和晶体质量的参差不齐,更不适宜进行100kg级以上大尺寸蓝宝石晶体的生产,严重制约了蓝宝石的产业化发展及市场应用的扩展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大尺寸晶体生长用温场系统,利用泡生法生长大尺寸晶体,能够有效提高温场系统的稳定性和使用寿命,可重复性好,大幅提高了晶体的良率和品质,适宜100kg级以上泡生法大尺寸晶体的产业化生产。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
一种大尺寸晶体生长用温场系统,包括吊筒、发热体、电极、坩埚、坩埚盖组件﹑底屏和顶屏,其中所述发热体、坩埚﹑底屏和顶屏均设置于所述吊筒中,且所述发热体设置于所述坩埚外侧,在所述吊筒上端设有电极,所述发热体与所述电极相连,所述坩埚盖组件设置于所述坩埚上,所述顶屏设置于所述坩埚盖组件的上侧,所述吊筒包括基座和筒壁,所述底屏设置于吊筒内的基座上,在所述吊筒的基座和筒壁内布满氧化锆制的结构支承件。
所述吊筒的基座中部设有一个底座,在所述底座上安装有一个支柱,所述支柱依次穿过所述底屏和发热体后与所述坩埚相抵。
所述支柱与所述底座间为螺纹连接,在所述支柱上端设有托盘,所述坩埚设置在所述托盘上。
所述吊筒的筒壁内侧依次设有不同材质的第一护筒和第二护筒,其中所述第一护筒为钼筒,所述第二护筒为钨筒。
所述发热体包括多根钨杆,每根钨杆均弯制成开口向上的U型,各根钨杆的开口端排列成环状并通过两个金属半环固定,所述两个金属半环分别与吊筒上端的不同的电极相连,所述各根钨杆的侧部由上至下等间距地设有多层加固金属环,每层加固金属环均包括两个半环。
所述发热体的底部等间距地设有多层加热层,每层加热层均包括多根交叉设置形成网状的钨杆。
所述坩埚盖组件包括单片坩埚盖和多层坩埚盖,在所述坩埚的上沿均布有多个隔垫,所述单片坩埚盖放置于隔垫上,所述多层坩埚盖放置于所述单片坩埚盖上。
所述多层坩埚盖包括多层等间距设置的盖屏,在每层盖屏的中心处均设有开孔,且每层盖屏的中心开孔直径由上到下依次减小,且所述多层坩埚盖的最下面的1~3层盖屏为钨层,其余层为钼层。
所述顶屏包括多层单屏,每层单屏的中心分别设有直径相同的开孔;所述顶屏通过吊具吊装,所述吊具包括吊板和螺钉,螺钉安装在所述吊板上,顶屏设置于所述吊板下方并安装在所述螺钉上,所述吊板设置于吊筒上端的电极上,在吊板和电极之间设有绝缘垫块;所述电极安装在吊筒上端,在所述电极下侧设有电极保护屏。
所述底屏包括多层等间距设置的单屏,且所述底屏最上面的1~3层为钨层,其余层为钼层。
本发明的优点与积极效果为:
1、本发明在吊筒的基座和筒壁内使用了氧化锆材质的结构支承件对筒内进行保温,由于氧化锆热熔较钨钼材料大,温场惯性大,因此使得温度变化平缓,有利于减少晶体的热应力,提高晶体的良率和品质,适宜100kg级以上泡生法大尺寸晶体的生长,而且能够有效减少能耗,另外由于氧化锆处于低温区,挥发少,也有效减少了杂质挥发的影响。
2、本发明内在吊筒内侧依次设有第一护筒和第二护筒,所述第一护筒为钼筒,所述第二护筒为钨筒,双层护筒的设置有效减少温场系统变形,提高了整个温场系统的稳定性和使用寿命,降低生产及维护成本,可重复性好。
3、本发明的的坩埚盖组件包括单片坩埚盖和多层坩埚盖,其中所述多层坩埚盖包括多层等间距设置的盖屏,在每层盖屏的中心处均设有开孔,且每层盖屏的中心开孔直径由上到下依次减小,这样在坩埚盖组件的中心处便形成了一个由上至下直径不断缩小的圆孔,所述圆孔利于形成长晶生长所需的温度梯度,也便于观察。
4、本发明坩埚盖组件中的多层坩埚盖的最下面的1~3层盖屏为钨层,其余层为钼层,有效防止变形。
5、本发明底屏最上面的1~3层为钨层,其余层为钼层,有效防止变形。
附图说明
图1为本发明的结构示意图,
图2为图1中的A处放大示意图。
其中,1为基座底板,2为底座,3为吊筒,4为支柱,5为基座,6为基座顶板,7为第二护筒,8为第一护筒,9为底屏,10为筒壁,11为发热体,12为电极,13为电极保护屏,14为托盘,15为坩埚,16为隔垫,17为单片坩埚盖,18为多层坩埚盖,19为顶屏,20为连接件,21为连接件,22为吊具,23为侧板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1所示,本发明包括吊筒3、发热体11、电极12、坩埚15、坩埚盖组件﹑底屏9和顶屏19,其中所述发热体11、坩埚15﹑底屏9和顶屏19均设置于所述吊筒3中,且所述发热体11设置于所述坩埚15外侧,在所述吊筒3上端设有电极12,所述发热体11与所述电极12相连通电并给所述坩埚15加热,所述吊筒3包括基座5和筒壁10,所述底屏9设置于吊筒3内的基座5上,在所述吊筒3的基座5中部设有一个支柱4,所述支柱4依次穿过所述底屏9和发热体11后支承所述坩埚15,所述坩埚盖组件设置于所述坩埚15上,所述顶屏19设置于所述坩埚盖组件的上侧。在所述支柱4上端设有托盘14,所述坩埚15安装在所述托盘14上,本实施例中,所述坩埚15为钨坩埚,壁厚为10~30mm,底厚20~60mm,坩埚15内壁需抛光处理,所述支柱4和托盘14由纯钨或纯钼材料制成。
在所述吊筒3的基座5和筒壁10内充满氧化锆制成的结构支承件,如氧化锆制成的砖或碎料,如图1所示,所述基座5包括基座底板1、基座顶板6、侧板23和底座2,其中底座2设置在基座5中部用于支承所述支柱4,所述支柱4与所述底座2间为螺纹连接,在所述基座底板1、基座顶板6、侧板23和底座2之间的空腔内均匀布满氧化锆制成的砖或碎料。本实施例中,所述基座底板1和基座顶板6为钼板,侧板23为不锈钢板,所述底座2由纯钼材料制成,可以用来隔热和防变形,起到保护作用。
如图1所示,所述吊筒3的筒壁10包括护板、第一护筒8和第二护筒7,其中所述护板设置于筒壁10外侧,在筒壁10内侧设有第一护筒8,在所述护板和第一护筒8之间均匀布满氧化锆制成的结构支承件,如氧化锆制成的砖或碎料,在所述第一护筒8内侧设有第二护筒7,所述第一护筒8和第二护筒7为不同材质的护筒,其中所述第一护筒8为钼筒,所述第二护筒7为钨筒,不同材质的双层护筒设置能够有效减小温场系统变形,所述筒壁10外侧的护板为不锈钢板。
如图1所示,在所述坩埚15的外侧设有呈鸟笼状的发热体11,所述发热体11包括多根钨杆,每根钨杆均弯制成开口向上的U型,沿着所述发热体11的轴向看去,所述各根钨杆同轴设置且等角度分布,这样各根钨杆的开口端便排列成环状并分别通过两个金属半环固定,本实施例中,所述金属半环为铜半环,在各根钨杆的侧部由上至下等间距地设有多层加固金属环,每层加固金属环均包括两个半环,且两个半环分别与钨杆开口端不同的金属半环同侧,本实施例中,每层加固金属环包括两个钨制半环,为了增大发热量并形成长晶所需的温度梯度,在所述发热体11的底部等间距地设有多层加热层,每层加热层均包括多根交叉设置形成网状的钨杆。本实施例中,所述发热体11包括20~50根直径为3~15mm的钨杆,所述加固金属环的层数为3~8层,在发热体11内的底部设置2~5层加热层,所述坩埚15外壁与发热体11保持5~30mm的等间距。
所述电极12安装在吊筒3上端,所述发热体11开口端的两个金属半环分别与吊筒3上端的不同的电极12相连通电,在所述电极12下侧设有电极保护屏13,本实施例中,所述电极12为铜电极,所述电极保护屏13为钼材质。
如图1~2所示,所述坩埚盖组件包括单片坩埚盖17和多层坩埚盖18,在所述坩埚15的上沿均布有多个隔垫16,所述单片坩埚盖17放置于隔垫16上,所述多层坩埚盖18放置于所述单片坩埚盖17上,其中所述单片坩埚盖17为中心开孔的板状,所述单片坩埚盖17和隔垫16均由纯钨材料制成。如图2所示,所述多层坩埚盖18包括多层等间距设置的盖屏和连接件20,各层盖屏均焊接在所述连接件20上,在每层盖屏的中心处均设有开孔,且如图1所示,每层盖屏的中心开孔直径由上到下依次减小,这样在坩埚盖组件的中心处便形成了一个由上至下直径不断缩小的圆孔,所述圆孔利于形成长晶生长所需的温度梯度,也便于观察,所述多层坩埚盖18最下面的盖屏的中心孔直径应不小于所述单片坩埚盖17的直径,另外为防止变形,所述多层坩埚盖18的最下面的1~3层盖屏为钨层,其余层为钼层。本实施例中,在所述坩埚15的上沿设有2~10个隔垫16,所述单片坩埚盖17的厚度为2~10mm,所述多层坩埚盖18的各层盖屏等间距设置,间距为2~15mm,每层盖屏的厚度为0.5~3mm。
如图1所示,所述顶屏19位于发热体11上端的中心位置,所述顶屏19包括多层单屏,每层单屏的中心分别设有直径相同的开孔,本实施例中,各层单屏均由纯钨或纯钼材料制成。如图1所示,所述顶屏19通过吊具22吊装,所述吊具22包括吊板和螺钉,螺钉安装在所述吊板上,顶屏19设置于所述吊板下方并安装在所述螺钉上,所述吊板设置于吊筒3上端的电极12上,在吊板和电极12之间设有绝缘垫块以防止导电,本实施例中,所述吊具22的吊板为不锈钢板,吊具22的螺钉为纯钼材料制成的螺钉,所述绝缘垫块为氧化铝或石英垫块。
如图1所示,所述底屏9设置于所述吊筒3内的基座5上,所述底屏9包括多层等间距设置的单屏和连接件21,各层单屏均焊接在所述连接件21上,为防止变形,所述底屏9最上面的1~3层为钨层,其余层为钼层,本实施例中,所述底屏9的单屏层数为1~30层,其中最上面的1~3层钨层的厚度为1~5mm,其余钼层的厚度为0.5~3mm,相邻两层单屏之间保持2~10mm的等间距。
本发明的工作原理为:
如图1~2所示,坩埚15设置于发热体11内,所述发热体11与电极12相连通电给坩埚15加热,所述坩埚盖组件设置于所述坩埚15上,在所述坩埚盖组件的中部设有由上至下直径不断缩小的圆孔,既利于形成长晶生长所需的温度梯度,也便于观察,在所述吊筒3的基座5和筒壁3内均设有氧化锆材质的砖或碎料对筒内进行保温,在筒壁3内侧还依次设有不同材料的第一护筒8和第二护筒7,进一步防止设备变形,提高设备使用寿命。