CN109306519B - 一种携带备用籽晶的蓝宝石晶体生长炉及其引晶方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种携带备用籽晶的蓝宝石晶体生长炉，包括主炉腔、主炉腔正上方的副炉腔、副炉腔内的籽晶提拉系统以及控制系统，籽晶提拉系统包括旋转装置、主连杆的位置操纵装置、备用连接杆的位置操纵装置、上下行程机构、主连杆、主籽晶、备用连杆和备用籽晶；旋转装置设置在上下行程机构的顶端，旋转装置直线相对的两端分别设置有主连杆和主连杆上连接的主籽晶、以及备用连杆和备用连杆上连接的备用籽晶，主籽晶和备用籽晶可分别用于引晶。还提供了该携带备用籽晶的蓝宝石晶体生长炉的引晶方法。本发明的生长炉程序简单易操作、节省时间、节约能源，技术员的安全性较高、劳动强度较小，能够适用于多种型号的蓝宝石晶体生长炉。

Description

一种携带备用籽晶的蓝宝石晶体生长炉及其引晶方法

技术领域：

本发明涉及晶体生长设备领域，特别涉及一种携带备用籽晶的蓝宝石晶体生长炉及其引晶方法。

背景技术：

蓝宝石晶体生长炉是LED产业链中重要的晶体生长设备，该设备的核心作用是产生高温，将坩埚中的三氧化二铝原料熔化，利用引晶、降温等操作使原料发生晶相转变形成单晶。

目前，蓝宝石晶体生长用泡生法是比较适合生长大尺寸蓝宝石单晶的主流方法之一，该方法包括引晶工艺，引晶工艺的核心部件是籽晶。通常引晶工艺包括以下步骤：(1)设置熔融温度为2050℃和时间，直至三氧化二铝原料熔融形成熔体；(2)操作SL轴向下移动，使籽晶逐渐接近并停留在原料上表面合适的位置；(3)保持籽晶悬停适当时间；(4)设置SL轴向下或向上移动的速度和时间，直至籽晶下表面与三氧化二铝原料熔体表面接触适当；(5)设置接触时间，同时在籽晶杆内通入冷却水使籽晶端部的原料以籽晶为核心，开始在籽晶轴向下、径向四周的方向发生晶相转变。以上引晶工艺中的速度和时间等工艺参数需要由技术员进行判断、设置且保证准确和及时，因此，技术员的熟练程度、设备的进度和熔体状态等因素，均可能造成籽晶在引晶过程中融化过度或熔断从而无法使用，导致引晶工艺中断。

实际生产中，大多采用泡生法制造蓝宝石晶体，当遇到籽晶融化过度或熔断导致引晶工艺中断的情况时，只能停炉，经过冷却、开炉、重新安装籽晶、合炉、重新升温等工艺后，再重复引晶工艺。然而传统的泡生法在引晶时出现籽晶融化过度或熔断等异常情况，处理办法存在着浪费能源、人力、时间，严重影响生产进度等缺陷。

现有技术中有在晶体炉上设置副炉腔用于更换籽晶的方法，如CN205711032U公开的一种可在线更换籽晶的泡生法蓝宝石晶体生长炉，该晶体生长炉具有主炉腔和副炉腔，主炉腔和副炉腔之间设置电动挡板闸，副炉腔的使用方法是：当籽晶融化过度或熔断时，先打开电动挡板阀，将籽晶杆提升至副炉腔；关闭电动挡板阀，对副炉腔内进行冷却至室温，再更换新籽晶；打开电动挡板阀，缓慢下降籽晶、预热籽晶；最后重新开始引晶。然而，虽然设置了副炉腔，但是依然需要对副炉腔进行冷却、打开、重新安装籽晶、关闭副炉腔、抽真空等操作，对技术员而言，工作量也较大、操作要求也较高；更换籽晶时，晶体生长炉内部热场容易受电动挡板阀的开合影响，从而发生扰动，导致内部熔体的温度梯度发生变化，影响产品性能；在主炉体内温度高达2050℃的情况下，在顶部的副炉腔内更换籽晶，则对技术员的安全存在隐患。

发明内容：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种携带备用籽晶的蓝宝石晶体生长炉，程序简单，且易操作，安全性较高、劳动强度较小。

为解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种携带备用籽晶的蓝宝石晶体生长炉，包括主炉腔、主炉腔正上方的副炉腔、副炉腔内的籽晶提拉系统以及控制系统，其中：

籽晶提拉系统包括旋转装置、主连杆的位置操纵装置、备用连接杆的位置操纵装置、上下行程机构、主连杆、主籽晶、备用连杆和备用籽晶；旋转装置设置在上下行程机构的顶端，旋转装置直线相对的两端分别设置有主连杆和主连杆上连接的主籽晶、以及备用连杆和备用连杆上连接的备用籽晶，主籽晶和备用籽晶可分别用于引晶。

主连杆的位置操纵装置与备用连接杆的位置操纵装置分别安装在主连杆与备用连杆上，用于操纵旋转装置的移动与旋转。

上述控制系统连接于副炉腔内的籽晶提拉系统上，用于输入和记录籽晶提拉系统的距离和重量等数据。

进一步地，上述主炉腔与副炉腔之间还设置有密封控制装置，密封控制装置用于将主炉腔与副炉腔进行密封隔离。

优选地，上述主炉腔与副炉腔之间的密封控制装置采用两瓣式旋转密封结构。即两瓣式旋转密封结构为气动或电动。

进一步地，上述上下行程机构为丝杠。

进一步地，上述旋转装置为行星轮模式驱动。

进一步地，上述主连杆的位置操纵装置与备用连接杆的位置操纵装置均由齿轮齿条结构啮合或者皮带与锁死机构配合构成。

上述携带备用籽晶的晶体生长炉的引晶方法，包括以下步骤：

S1：先将旋转装置水平固定，依次安装主籽晶、备用籽晶，调整主籽晶下端所在平面与备用籽晶下端所在平面的高度差，同时将控制系统的距离和重量数据清零；

S2：操纵备用连杆的位置操纵装置使旋转装置进行旋转，设置旋转参数为逆时针、90°，直至主籽晶进入主炉腔的入口；

S3：操纵上下行程机构，使籽晶提拉系统整体向下垂直移动，直至主籽晶移动到主炉腔内的合适位置；

S4：继续操纵上下行程机构，使主籽晶的端部在主炉腔内发生融化和结晶的交替变化。

步骤S1中所述调整主籽晶下端所在平面与备用籽晶下端所在平面的高度差为小于0.2cm。

本发明还提供了另一种携带备用籽晶的晶体生长炉的引晶方法，包括以下步骤：

S1：操纵上下行程机构，使籽晶提拉系统整体向上垂直移动，直至主籽晶离开主炉腔并停留在副炉腔内；

S2：操纵主连杆的位置操纵装置使旋转装置进行旋转，设置旋转参数为顺时针、180°，直至主籽晶与备用籽晶的上下相对位置发生交换；

S3：调整主连杆的位置操纵装置、备用连杆的位置操纵装置、备用连杆、主籽晶和备用籽晶的重心，使之全部位于同一垂直的轴线上；

S4：操纵上下行程机构，使籽晶提拉系统整体向下垂直移动，直至备用籽晶移动到主炉腔内的合适位置；

S5：继续操纵上下行程机构，对备用籽晶在主炉腔内的位置进行微调，直至备用籽晶的端部在主炉腔内发生融化和结晶的交替变化。

本发明的有益效果在于：

本发明携带备用籽晶的蓝宝石晶体生长炉在引晶阶段出现籽晶融化过度或熔断的情况时，通过操纵旋转装置和位置操作装置等使主籽晶与备用籽晶发生位置交换，即可重新开始引晶，不需要对主炉腔和副炉腔进行冷却、开炉和重新升温等操作，因此，与现有技术相比，本发明的生长炉程序简单易操作、节省时间、节约能源，技术员的安全性较高、劳动强度较小，能够适用于多种型号的蓝宝石晶体生长炉。

附图说明：

图1是本发明携带备用籽晶的蓝宝石晶体生长炉的结构示意图；

图2是本发明携带备用籽晶的蓝宝石晶体生长炉启用主籽晶的运动状态示意图；

图3是本发明携带备用籽晶的蓝宝石晶体生长炉正在使用主籽晶引晶的状态示意图；

图4是本发明携带备用籽晶的蓝宝石晶体生长炉使用主籽晶引晶失败后恢复初始位置的状态示意图；

图5是本发明携带备用籽晶的蓝宝石晶体生长炉启用备用籽晶的运动状态示意图；

图6是本发明携带备用籽晶的蓝宝石晶体生长炉已启用备用籽晶进行引晶操作的状态示意图；

图7是本发明携带备用籽晶的蓝宝石晶体生长炉已启用密封控制装置的结构示意图；

图中：1-旋转装置，2-主连杆的位置操纵装置，3-上下行程机构，4-主连杆，5-主籽晶，6-副炉腔，7-主炉腔，8-备用连杆，9-备用籽晶，10-备用连杆的位置操纵装置，11-密封控制装置。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明的携带备用籽晶的蓝宝石晶体生长炉，包括主炉腔7、主炉腔7正上方的副炉腔6、副炉腔6内的籽晶提拉系统以及控制系统，其中：籽晶提拉系统包括旋转装置1、主连杆的位置操纵装置2、备用连接杆的位置操纵装置10、上下行程机构3、主连杆4、主籽晶5、备用连杆8和备用籽晶9；旋转装置1设置在上下行程机构3的顶端，旋转装置1直线相对的两端分别设置有主连杆4和主连杆4上连接的主籽晶5、以及备用连杆8和备用连杆8上连接的备用籽晶9，主籽5晶和备用籽晶9可分别用于引晶；主连杆的位置操纵装置2与备用连接杆的位置操纵装置10分别安装在主连杆4与备用连杆8上，用于操纵旋转装置1的移动与旋转；控制系统连接于副炉腔6内的籽晶提拉系统上，用于输入和记录籽晶提拉系统的距离和重量等数据。

实施例1

上述携带备用籽晶的蓝宝石晶体生长炉的引晶方法，步骤如下：

第一步，如图1所示：引晶开始前，将旋转装置1设定为水平固定，并安装好主籽晶5和备用籽晶9，调整主籽晶5下端所在平面与备用籽晶9下端所在平面的高度差小于0.2cm，以保证引晶时主籽晶5上下移动距离的设定值与实际移动值的误差在可控范围内，方便主籽晶5与备用籽晶9的交换使用，同时将控制系统的距离和重量等数据清零；

第二步，如图2、图3所示：引晶开始时，用备用连杆4的位置操纵装置10操纵旋转装置1进行旋转，设置旋转参数为逆时针、90°，在旋转过程中，主连杆的位置操纵装置2进行向外的平行移动，同时带动主连杆4和主籽晶5以匀速向上下行程机构3的左下方移动，以便保证主籽晶5与备用籽晶9的连杆不发生碰撞，直至主籽晶5进入主炉腔7的入口；

第三步，操纵上下行程机构3，使旋转装置1、主连杆4、主籽晶5、备用连杆8和备用籽晶9整体向下垂直移动，直至主籽晶5移动到主炉腔7内原料上方的合适位置时，开始引晶；

第四步，继续操纵上下行程机构3，对主籽晶5与原料上表面之间的距离进行微调，同时控制微调的时间和速度，使主籽晶5靠近原料的端部发生融化和结晶的交替变化，该端部成为晶体生长的核心，晶体开始沿籽晶轴向向下、径向四周的方向生长，引晶结束。

以上实施例1的方法与现有技术的主要不同之处在于：主连杆4和主籽晶5先后发生了向外平移、向左下方平移、向下垂直移动等动作，而现有技术中只发生了垂直向下的移动。由此可见，使用本发明的携带备用籽晶的蓝宝石晶体生长炉携带备用籽晶时，籽晶提拉系统既能保证主籽晶5和主连杆4的运行轨迹符合设计要求，还能满足提拉系统的强度指标和速度精度。

实施例2

上述实施例1中第四步所述的“端部发生融化和结晶交替变化”的情况没有满足设定条件，如籽晶融化过度或者熔断，此时即需要启用备用籽晶，为引晶失败的情况。如图4至图6所示，本实施方式为本发明携带备用籽晶的蓝宝石晶体生长炉启用备用籽晶的方法，具体步骤如下：

第一步，操作上下行程机构3，控制旋转装置1、主连杆4、主籽晶5、备用连杆8和备用籽晶9整体向上垂直移动，直至主籽晶5离开主炉腔7并使之停留在主炉腔7上方的副炉腔6内；

第二步，用主连杆8的位置操纵装置2操纵旋转装置1进行旋转，设置旋转参数为顺时针、180°，在旋转过程中，备用连杆8的位置操纵装置10进行向内的平行移动，同时主连杆4和主籽晶5相对匀速地向上下行程机构3的左上方移动，以便在备用籽晶9的备用连杆8与主籽晶5的主连杆4之间不发生碰撞的情况下，主籽晶5与备用籽晶9的上下相对位置发生交换；

第三步，调整籽晶提拉系统的重心位置，即保证从上到下的下述部件的重心位于同一轴线上：主连杆的位置操纵装置2、备用连杆的位置操纵装置10、主连杆4、备用连杆8、主籽晶5、备用籽晶9；

第四步，操纵上下行程机构3，使旋转装置1、备用连杆8、备用籽晶9、主连杆4和主籽晶5整体向下垂直移动，直至备用籽晶9移动到主炉腔7内原料上方的合适位置时，开始引晶；

第五步，继续操纵上下行程机构3，对备用籽晶9与原料上表面之间的距离进行微调，同时控制微调的时间和速度，使备用籽晶9靠近熔融的三氧化二铝原料的端部发生融化和结晶变化，该端部成为晶体生长的核心，晶体开始沿备用籽晶9轴向向下、径向四周的方向生长；同时，根据控制系统记录的距离和重量等数据，对第五步的微调时间和速度再次进行调整，直至引晶成功。

以上实施例2的方法启用备用籽晶9重新引晶的过程中，不需要对主炉腔7和副炉腔6进行降温、开炉、合炉和抽真空等操作，全程均利用控制系统进行操作和调整，程序简单易操作、节省时间、节约能源，技术员的安全性较高、劳动强度较小。

实施例3

如图7所示，在上述实施例2的基础上进一步增加了主炉腔7与副炉腔6之间的密封控制装置11，该装置的主要作用是保证主籽晶5和备用籽晶9的工作空间各自完全独立，分别使用主籽晶5和备用籽晶9引晶时，都能对控制系统清零操作。

实际启用备用籽晶9的实施过程中，主籽晶5和备用籽晶9的位置交换后，可以利用密封控制装置11将主炉腔7与副炉腔6进行密封隔离，然后清除控制系统上的历史距离和重量数据并设为初始值，最终实现引晶时不需要或减少微调动作，提高引晶成功率。

对以上实施例3的携带备用籽晶的蓝宝石晶体生长炉作进一步说明，其中上下行程机构3可以为丝杠；主炉腔与副炉腔之间的密封控制装置11可以是气动或电动的两瓣式旋转密封结构，密封控制装置11由控制系统进行手动控制。同时，旋转装置1可以采用行星轮模式驱动；：主连杆的位置操纵装置2和备用连杆的位置操纵装置10可以是齿轮齿条结构啮合组成，也可以是皮带与锁死机构配合组成。

Claims (10)

1.一种携带备用籽晶的蓝宝石晶体生长炉，包括主炉腔(7)、主炉腔(7)正上方的副炉腔(6)、副炉腔(6)内的籽晶提拉系统以及控制系统，其特征在于：所述籽晶提拉系统包括旋转装置(1)、主连杆的位置操纵装置(2)、备用连接杆的位置操纵装置(10)、上下行程机构(3)、主连杆(4)、主籽晶(5)、备用连杆(8)和备用籽晶(9)；所述旋转装置(1)设置在上下行程机构(3)的顶端，旋转装置(1)直线相对的两端分别设置有主连杆(4)和主连杆(4)上连接的主籽晶(5)、以及备用连杆(8)和备用连杆(8)上连接的备用籽晶(9)，主籽晶(5)和备用籽晶(9)分别用于引晶；所述主连杆的位置操纵装置(2)与备用连接杆的位置操纵装置(10)分别安装在主连杆(4)与备用连杆(8)上，用于操纵旋转装置(1)的移动与旋转；所述控制系统连接于副炉腔(6)内的籽晶提拉系统上，用于输入和记录籽晶提拉系统的距离和重量数据。

2.根据权利要求1所述的携带备用籽晶的蓝宝石晶体生长炉，其特征在于：所述主炉腔(7)与副炉腔(6)之间设置有密封控制装置(11)，其用于将主炉腔(7)与副炉腔(6)进行密封隔离。

3.根据权利要求2所述的携带备用籽晶的蓝宝石晶体生长炉，其特征在于：所述主炉腔(7)与副炉腔(6)之间的密封控制装置(11)采用两瓣式旋转密封结构。

4.根据权利要求3所述的携带备用籽晶的蓝宝石晶体生长炉，其特征在于：所述两瓣式旋转密封结构为气动或电动。

5.根据权利要求1所述的携带备用籽晶的蓝宝石晶体生长炉，其特征在于：所述上下行程机构(3)为丝杠。

6.根据权利要求1所述的携带备用籽晶的蓝宝石晶体生长炉，其特征在于：所述旋转装置(1)为行星轮模式驱动。

7.根据权利要求1所述的携带备用籽晶的蓝宝石晶体生长炉，其特征在于：所述主连杆的位置操纵装置(2)与备用连接杆的位置操纵装置(10)均由齿轮齿条结构啮合或者皮带与锁死机构配合构成。

8.如权利要求1至7中任一权利要求所述的携带备用籽晶的蓝宝石晶体生长炉，其特征在于：所述携带备用籽晶的蓝宝石晶体生长炉的引晶方法，包括以下步骤：

S1：先将旋转装置(1)水平固定，依次安装主籽晶(5)、备用籽晶(9)，调整主籽晶(5)下端所在平面与备用籽晶(9)下端所在平面的高度差，同时将控制系统的距离和重量数据清零；

S2：操纵备用连杆的位置操纵装置(10)使旋转装置(1)进行旋转，设置旋转参数为逆时针、90°，直至主籽晶(5)进入主炉腔(7)的入口；

S3：操纵上下行程机构(3)，使籽晶提拉系统整体向下垂直移动，直至主籽晶(5)移动到主炉腔(7)内的合适位置；

S4：继续操纵上下行程机构(3)，使主籽晶(5)的端部在主炉腔(7)内发生融化和结晶的交替变化。

9.根据权利要求8所述的携带备用籽晶的蓝宝石晶体生长炉，其特征在于：步骤S1中所述调整主籽晶(5)下端所在平面与备用籽晶(9)下端所在平面的高度差小于0.2cm。

10.根据权利要求8所述的携带备用籽晶的蓝宝石晶体生长炉，其特征在于：包括以下步骤：

S1：操纵上下行程机构(3)，使籽晶提拉系统整体向上垂直移动，直至主籽晶(5)离开主炉腔(7)并停留在副炉腔(6)内；

S2：操纵主连杆的位置操纵装置(2)使旋转装置(1)进行旋转，设置旋转参数为顺时针、180°，直至主籽晶(5)与备用籽晶(9)的上下相对位置发生交换；

S3：调整主连杆的位置操纵装置(2)、备用连杆的位置操纵装置(10)、备用连杆(8)、主籽晶(5)和备用籽晶(9)的重心，使之全部位于同一垂直的轴线上；

S4：操纵上下行程机构(3)，使籽晶提拉系统整体向下垂直移动，直至备用籽晶(9)移动到主炉腔(7)内的合适位置；

S5：继续操纵上下行程机构(3)，对备用籽晶(9)在主炉腔(7)内的位置进行微调，直至备用籽晶(9)的端部在主炉腔(7)内发生融化和结晶的交替变化。

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