CN201411509Y - 一种用于生长300mm以上大尺寸蓝宝石的单晶炉炉体 - Google Patents

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杨鑫宏
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Abstract

本实用新型提供了一种用于生长300mm以上大尺寸蓝宝石的单晶炉炉体。它包括炉壳、炉底、炉盖、坩埚、支撑棒、发热体和保温结构，保温结构由坩埚盖、上隔热屏、下隔热屏、多层保温筒、保温填料、耐火砖、金属筒组成，本实用新型采用鸟笼结构钨发热体，有利于提供均匀稳定的温场，并保证其内部温度场分布为底部温度高于上端温度，边缘温度高于中心温度，轴向和径向温度梯度小，符合冷心放肩微量提拉法对于温场分布的要求。本实用新型采用冷心放肩微量提拉法，具有温场分布均匀稳定、轴向和径向温度梯度都比较小，保温效果好等特点。

Description

一种用于生长300mm以上大尺寸蓝宝石的单晶炉炉体
(一)技术领域
本实用新型涉及一种单晶炉的炉体结构，具体地说是一种用于采用冷心放肩微量提拉法生长300mm以上大尺寸蓝宝石的单晶炉的炉体结构。
(二)背景技术
我国自2003年开始提出“国家半导体照明工程”计划以来，目前已初步形成LED产品的规模化生产能力，但其重要的衬底材料—蓝宝石晶圆，尤其是大尺寸蓝宝石晶圆材料一直是制约该产业发展的瓶颈，亟待突破。由于其具有性能稳定、市场需求量大及产品附加值高等特点，光学级大尺寸蓝宝石材料同时也是微电子、航空航天、军工等领域急需的材料，成为近年国内外研究开发和产业化热点。
高品质、低成本的蓝宝石单晶生长技术是世界各国关注的难点和重点之一。从目前的技术水平来看，国际上能够产业化制造直径大于Φ200以上高品质蓝宝石衬底材料的只有俄罗斯Atlas和Monocrystal、美国Crystal System和Rubicon等四家公司，这几家公司在大尺寸蓝宝石晶体的生长技术和生长设备制造等方面已经十分成熟，领先其它国家至少10年以上。
我国在大尺寸蓝宝石单晶的制备方面与国外有较大的差距，尤其在专用设备上，由于温场设计不合理、保温效果差等问题，制备的晶体质量、成本很难满足使用要求，成为困扰相关产业发展的技术难题。
由于蓝宝石材料有着较强的军工应用背景需求，因此各国均将该项技术列为高度机密内容，相关研究报道仅仅局限在工艺角度，针对蓝宝石的特点和用途开发的专用设备及与之相配套的控制系统的报道仅仅限于原理角度。
(三)发明内容
本实用新型的目的在于提供一种采用冷心放肩微量提拉法，具有温场分布均匀稳定、轴向和径向温度梯度都比较小，保温效果好等特点的用于生长300mm以上大尺寸蓝宝石的单晶炉炉体。
本实用新型的目的是这样实现的：它包括炉壳、炉底、炉盖、坩埚、支撑棒、发热体和保温结构，保温结构包括坩埚盖、上隔热屏、下隔热屏、多层保温筒、保温填料、耐火砖和金属筒，坩埚通过支撑棒设置在炉底上，发热体设置在坩埚外围，坩埚盖设置在坩埚上，上隔热屏设置在坩埚盖上，耐火砖设置在炉底，下隔热屏设置在发热体下方，多层保温筒设置在金属筒内，多层保温筒与金属筒之间设置有保温填料。
本实用新型还有这样一些技术特征：
1、所述的炉壳、炉底和炉盖由2-10mm厚的不锈钢板制成，都采用中空结构，内部通冷却水；
2、所述的坩埚由金属钨制成，外径330-450mm，圆周壁厚5-15mm，底部厚度20-45mm；
3、所述的支撑棒由直径为50-300mm钼棒制成；
4、所述的发热体为鸟笼式结构，由直径为4-8mm钨棒制成，发热体顶端为2个铜半环；
5、所述的坩锅盖由3-8片厚度为1-3mm厚的钼片制成；
6、所述的上隔热屏由5-15片厚度为0.5-3mm厚的钼片制成，下隔热屏由10-20片厚度为0.5-3mm厚的钼片制成；
7、所述的多层保温筒由3-8层厚度为0.5-2mm钼片制成；
8、所述的保温填料一般使用氧化铝陶瓷；耐火砖使用氧化铝砖；金属筒一般由厚度为1-5mm的不锈钢板制成。
本实用新型的有益效果有：
1.本实用新型采用鸟笼结构钨发热体，有利于提供均匀稳定的温场，并保证其内部温度场分布为底部温度高于上端温度，边缘温度高于中心温度，轴向和径向温度梯度小，符合冷心放肩微量提拉法对于温场分布的要求。
2.本实用新型在高温区(I区)全部使用高熔点金属钨和钼，由于钨的熔点为3410℃，钼的熔点为2610℃，远高于蓝宝石晶体熔点2050℃，因此该炉体非常适合于蓝宝石晶体的生长；钨钼材料蒸气压低，高温下挥发速度小，而且其挥发物在抽真空时可以被抽至炉外，不会在晶体生长过程中进入系统，因而对蓝宝石晶体生长影响极小；坩埚直径大，可以用于生长直径大于300mm的蓝宝石单晶。
3.本实用新型使用氧化铝陶瓷填料和氧化铝耐火砖，有效地避免了晶体生长过程中引入杂质。
4.本实用新型在低温区使用不锈钢筒，有效地降低了设备成本。
5.本实用新型的炉壳、炉底和炉盖都采用中空结构，内部通冷却水，能够在炉体中心温度很高的情况下，有效地降低炉体低温区(II区)温度，防止发热体顶端的铜半环、不锈钢筒、炉壳、炉底以及炉盖等发生高温损毁。
结合冷心放肩微量提拉法生长大尺寸蓝宝石的要求，本实用新型炉体结构还应具备其它特点：其内部温度场分布为底部温度高于上端温度，边缘温度高于中心温度；当炉体内部中心温度达到2100℃时，炉体外部温度低于40℃。
(四)附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本实用新型作进一步的说明：
结合图1，本实施例包括炉壳7、炉底6、炉盖8、坩埚2、支撑棒4、发热体12和保温结构。而保温结构是由坩埚盖11、上隔热屏10、下隔热屏3、多层保温筒13、保温填料9、耐火砖5、金属筒1组成的。坩埚2通过支撑棒4设置在炉底6上，发热体12设置在坩埚2外围，保温结构包括坩埚盖11、上隔热屏10、下隔热屏3、多层保温筒13、保温填料9、耐火砖5和金属筒1，坩埚盖11设置在坩埚2上，上隔热屏10设置在坩埚盖11上，耐火砖5设置在炉底6，下隔热屏3设置在发热体12下方，多层保温筒13设置在金属筒1内，多层保温筒13与金属筒1之间设置有保温填料9。炉壳7、炉底6和炉盖8由5mm厚的不锈钢板制成的，都采用中空结构，内部通冷却水；坩埚2由金属钨制成，外径365mm，圆周壁厚15mm，底部厚度45mm；支撑棒4由直径为260mm钼棒制成；发热体12采用鸟笼式结构，由直径为5mm钨棒制成，发热体顶端为2个铜半环；坩锅盖11由8片厚度为3mm厚的钼片制成；上隔热屏10由15片厚度为2mm厚的钼片制成；下隔热屏3由20片厚度为2mm厚的钼片制成；多层保温筒13由6层厚度为1mm钼片制成；保温填料9使用氧化铝陶瓷；耐火砖5使用氧化铝砖；金属筒1由厚度为3mm的不锈钢板制成。本实施例炉体结构能够生长出直径为325mm的蓝宝石单晶。

Claims (9)

1、一种用于生长300mm以上大尺寸蓝宝石的单晶炉炉体，它包括炉壳、炉底、炉盖、坩埚、支撑棒、发热体和保温结构，坩埚通过支撑棒设置在炉底上，发热体设置在坩埚外围，其特征在于保温结构包括坩埚盖、上隔热屏、下隔热屏、多层保温筒、保温填料、耐火砖和金属筒，坩埚盖设置在坩埚上，上隔热屏设置在坩埚盖上，耐火砖设置在炉底，下隔热屏设置在发热体下方，多层保温筒设置在金属筒内，多层保温筒与金属筒之间设置有保温填料。
2、根据权利要求1所述的一种用于生长300mm以上大尺寸蓝宝石的单晶炉炉体，其特征在于所述的炉壳、炉底和炉盖由2-10mm厚的不锈钢板制成，都采用中空结构，内部通冷却水。
3、根据权利要求2所述的一种用于生长300mm以上大尺寸蓝宝石的单晶炉炉体，其特征在于所述的坩埚由金属钨制成，外径330-450mm，圆周壁厚5-15mm，底部厚度20-45mm。
4、根据权利要求3所述的一种用于生长300mm以上大尺寸蓝宝石的单晶炉炉体，其特征在于所述的支撑棒由直径为50-300mm钼棒制成。
5、根据权利要求4所述的一种用于生长300mm以上大尺寸蓝宝石的单晶炉炉体，其特征在于所述的发热体为鸟笼式结构，由直径为4-8mm钨棒制成，发热体顶端为2个铜半环。
6、根据权利要求5所述的一种用于生长300mm以上大尺寸蓝宝石的单晶炉炉体，其特征在于所述的坩锅盖由3-8片厚度为1-3mm厚的钼片制成。
7、根据权利要求6所述的一种用于生长300mm以上大尺寸蓝宝石的单晶炉炉体，其特征在于所述的上隔热屏由5-15片厚度为0.5-3mm厚的钼片制成，下隔热屏由10-20片厚度为0.5-3mm厚的钼片制成。
8、根据权利要求7所述的一种用于生长300mm以上大尺寸蓝宝石的单晶炉炉体，其特征在于所述的多层保温筒由3-8层厚度为0.5-2mm钼片制成。
9、根据权利要求8所述的一种用于生长300mm以上大尺寸蓝宝石的单晶炉炉体，其特征在于所述的保温填料一般使用氧化铝陶瓷，耐火砖使用氧化铝砖，金属筒一般由厚度为1-5mm的不锈钢板制成。
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