CN112501686A - 一种泡生法蓝宝石生长热场装置 - Google Patents

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何明珠
杭寅
张连翰
蔡双
朱影
潘世烈
赵兴俭
韦建
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    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
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Abstract

本发明公开了一种蓝宝石晶体生长炉的温场结构和设计，旨在提供一种性能更加优异的热场，应用于生长更大尺寸蓝宝石晶体，该装置主要包括炉体、坩埚、上反射屏、侧反射屏、加热器等主体部件。通过加热器、上反射屏、侧反射屏、坩埚及下反射屏的合理布局，使坩埚内温场呈现中心温度低、边缘温度高的连续分布，适合生长高质量、大尺寸的蓝宝石晶体。

Description

一种泡生法蓝宝石生长热场装置
技术领域
本发明涉及蓝宝石晶体生长装置，是一种泡生法蓝宝石热场装置，属于晶体制备的技术领域。
背景技术
蓝宝石晶体作为当前半导体照明行业的关键部件，是蓝光和白光LED的重要衬底材料，其大尺寸、高质量的生长制备是行业发展的基础。目前已有多种方法实现了蓝宝石晶体的生长制备，包括泡生法、热交换法、导模法、提拉法、坩埚下降法等。泡生法能够生长尺寸较大的蓝宝石晶体以及设备成本相对低廉，被业内认为是最适合大规模生产蓝宝石晶体的方法。现有的泡生法，如公开号为CN105088333A和专利号为CN205603721U的专利文件所述装置发热体均采用钨材料，编织成发热量上低下高的笼体结构；冷却装置采用水冷铜电极，加热器与侧反射屏、加热器与坩埚之间存在大量间隙，在真空条件下大量热辐射到水冷电极和炉盖上被水带走造成坩埚边缘温度低，炉内横向温度梯度小，而且蓝宝石晶体直径越大，此现象越明显。在这种温度场分布模式下，热量由原来主要通过籽晶杆热交换器导出转变为主要通过坩埚壁导出，坩埚壁自发形核倾向增大，而一旦达到自发形核的条件，则会从坩埚壁大量自发形核生长，原来从上部外加籽晶核心开始顺序向下的单晶生长模式转化为从坩埚壁向中心熔体多晶生长模式,从而导致单晶生长的彻底失败。
发明内容
针对蓝宝石晶体生长温场横向梯度小的问题，本发明为泡生法生长蓝宝石晶体热场提出了新的设计，目的在于提供一种径向温度梯度更加有优势的热场。
本发明的技术解决方案如下：
一种泡生法蓝宝石晶体生长炉热场装置，主要包括炉体、坩埚、加热器和保温部件，保温部件由采用钨或钼材料制备而成的多层金属板制成，包括上反射屏、侧反射屏和底反射屏；坩埚设置于半封闭的钨桶内，下部由坩埚托承接，支撑柱穿过底反射屏和加热器与坩埚托连接；位于上反射屏下部的钨电极与加热器上端相接并固定于侧反射屏上，整个炉体形成封闭结构。底座与底反射屏中间采用氧化铝空心球填充，加热器采用全钨焊接结构，钨电极、钨环和加热器通过真空焊接焊接在一起。
本发明提供的泡生法蓝宝石热场装置，加热器、上反射屏和侧反射屏间不存在开口的间隙，热量不易散出；使用钨环、钨电极替代传统的水冷型铜环铜电极结构，减少顶部热量的损失，改善顶部径向温度梯度；全钨真空焊接方式有效增强了保温效果；底部填充的氧化铝空心球具有较大的温场惯性，能够提高保温系统的稳定性。本发明炉内温场呈中心低边缘高的连续递增分布形式，可以避免晶体生长过程中，由于径向温度差造成的坩埚壁结晶的不良现象，适合生长高质量、大尺寸蓝宝石晶体。
附图说明
图1是现有技术中传统热场模拟图；
图2是本发明提供的热场模拟图；
图3是泡生法蓝宝石热场装置的示意图：
其中， 1是上反射屏，2是侧反射屏 ，3是坩埚盖， 4是钨桶， 5是加热器， 6是坩埚托 ，7是支撑柱， 8是底部反射屏， 9是氧化铝空心球， 10是底座 ，11是加热器电极，12是钨环；
图4是发热体示意图，其中13为发热体与电机连接处，14为发热体,15为支撑架。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本装置作进一步说明。
图1是现有技术中热场的模拟图。图中数据为坩埚中心到坩埚壁的温度分布。该现有技术中，在晶体生长初期，坩埚中心温度高于坩埚壁，直至晶体生长后期，坩埚中心温度低于坩埚壁温度。
图2是本发明的热场模拟图，图中可见，从生长初期开始，坩埚中心温度始终保持略低于坩埚壁温度的状态。
如图3所示，本发明包括炉体、坩埚、坩埚盖（3）、钨桶（4）、上反射屏（1）、侧反射屏（2）、底反射屏（8）和加热器（5）等主体部件，其中坩埚设置于钨桶（4）内，炉内底部设有支撑柱（7）。支撑柱（7）依次穿过底反射屏（8）和加热器（5）与坩埚托（6）相接，承接坩埚。反射屏由多层钨板等间距排列制成，上反射屏（1）与侧反射屏（2）不接触，钨电极(11)位于上反射屏（1）下部，并通过打孔将其固定在侧反射屏（2）上。钨电极（11）的一端与加热器（5）连接。底座（10）与底反射屏（8）中间采用氧化铝空心球（9）填充。加热器（5）采用全钨焊接结构，置于钨桶（4）内。钨电极（11）和钨环（12）发热体（5）通过真空焊接连接在一起。

Claims (4)

1.一种泡生法蓝宝石晶体生长炉热场装置，其特征在于主要包括炉体、坩埚、加热器和保温部件，保温部件由采用钨或钼材料制备而成的多层金属板制成，包括上反射屏（1）、侧反射屏（2）和底反射屏（8）；坩埚设置于半封闭的钨桶（4）内，下部由坩埚托（6）承接，支撑柱（7）穿过底反射屏（8）和加热器（5）与坩埚托（6）连接，上反射屏下部设有电极，与加热器（5）从侧面相接并固定于侧反射屏上，整个炉体形成封闭结构。
2.根据权利要求1所述的泡生法蓝宝石晶体生长炉热场装置，其特征在于上反射屏下部的电极为钨电极（11）。
3.根据权利要求1所述的泡生法蓝宝石晶体生长炉热场装置，底座（10）与底部反射屏（8）中间采用氧化铝空心球（9）填充。
4.根据权利要求1所述的泡生法蓝宝石晶体生长炉热场装置，加热器采用全钨焊接结构，钨电极（11）、钨环（12）和加热器（5）通过真空焊接连接在一起。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102851745A (zh) * 2012-09-26 2013-01-02 南京晶升能源设备有限公司 蓝宝石单晶炉分段式钨丝网加热器
CN204097602U (zh) * 2014-09-04 2015-01-14 南京晶升能源设备有限公司 用于蓝宝石单晶炉的铆接式钨板加热器
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RU2555481C1 (ru) * 2014-02-14 2015-07-10 Федеральное государственное унитарное предприятие Экспериментальный завод научного приборостроения со Специальным конструкторским бюро Российской академии наук Установка для выращивания монокристаллов сапфира методом киропулоса

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