CN201835006U

CN201835006U - 制造单晶锭的装置

Info

Publication number: CN201835006U
Application number: CN2010205929488U
Authority: CN
Inventors: 李园
Original assignee: 王楚雯
Priority date: 2010-11-01
Filing date: 2010-11-01
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2020-11-01

Abstract

本实用新型公开了一种制造单晶锭的装置，包括：主体；设置在主体内的坩埚；主加热器，所述主加热器设置在坩埚的四周；籽晶夹头，所述籽晶夹头位于所述坩埚之上用于夹持籽晶；热交换器，所述热交换器位于所述坩埚的顶部和籽晶夹头之间，所述籽晶夹头可升降地穿过所述热交换器且所述热交换器中通入冷却介质以对所述籽晶进行冷却；和第一保温部件，所述第一保温部件设置在所述热交换器与所述坩埚之间。根据本实用新型的制造单晶锭的装置，可以通过从主体之外将用于热交换的流体循环地通入到所述热交换器内来控制所述坩埚内的热交换，以控制所述部分熔化的籽晶和熔化的给料的定向凝固，从而实现了例如氦气的流体的充分利用。

Description

制造单晶锭的装置

技术领域

本实用新型涉及单晶锭制造领域，特别是涉及一种制造蓝宝石单晶锭的装置。

背景技术

在现有的利用泡生法制造蓝宝石单晶锭的装置中，由于蓝宝石给料在熔化过程中会产生微气泡。所产生的微气泡将沿着生长中的蓝宝石晶锭的外表面上浮。但是利用现有的制造蓝宝石单晶锭的装置中，蓝宝石晶锭的上部的生长速度较快，从而导致气泡上浮被已凝固的晶体阻挡，不易排出，从而导致蓝宝石单晶锭中易形成微小气泡及相关缺陷。

此外，在现有的制造蓝宝石单晶锭的装置中，也容易发生蓝宝石单晶锭与坩埚周边和底部相粘接的问题，从而给蓝宝石单晶锭的生长带来不利的影响。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型需要提供一种制造单晶锭的装置，所述装置可以改善例如蓝宝石的单晶锭的质量、且充分利用冷却流体的利用效率。

根据本实用新型的制造单晶锭的装置，包括：主体；设置在所述主体内的坩埚；主加热器，所述主加热器设置在所述坩埚的四周，用于熔化容纳在坩埚内的给料；籽晶夹头，所述籽晶夹头位于所述坩埚之上，用于夹持籽晶；热交换器，所述热交换器位于所述坩埚的顶部和籽晶夹头之间，所述籽晶夹头可升降地穿过所述热交换器且所述热交换器中通入冷却介质以对所述籽晶进行冷却；和第一保温部件，所述第一保温部件设置在所述热交换器与所述坩埚之间。

根据本实用新型的制造单晶锭的装置，通过利用所述热交换器，可以通过从主体之外将用于热交换的流体循环地通入到所述热交换器内来控制所述坩埚内的热交换，以控制所述部分熔化的籽晶和熔化的给料的定向凝固，从而实现了例如氦气的流体的充分利用。

另外，根据本实用新型上述实施例的制造单晶锭的装置还可以具有如下附加的技术特征：

根据本实用新型的一个实施例，第一保温部件为热反射屏和/或保温层。热反射屏用于将来自坩埚的热量反射回坩埚内节省能量，保温层也可以防止坩埚的热量被散逸。

根据本实用新型的一个实施例，所述第一保温部件之下设置有辅助加热器。辅助加热器可用于在形成单晶锭的初始阶段加热以防止单晶锭在横向方向上的过度生长，同时也为了防止局部过冷。即，通过控制该辅助加热器也可以控制单晶锭沿着横向方向的结晶速度。

根据本实用新型的一个实施例，所述第一保温部件和辅助加热器产生的温度场在晶体生长的初始阶段控制成使得朝向坩埚的侧壁的单晶生长速度小于沿着纵向向下的单晶生长速度。从而在晶体生长的初始阶段单晶锭横向生长少，有利于熔体中气泡的上浮排出，减少了晶体中的气泡及相关缺陷，实现了单晶锭的良好生长。

根据本实用新型的一个实施例，所述制造单晶锭的装置进一步包括：温控部件，所述温控部件设置在所述坩埚的底部中央。

其中，所述温控部件为温度可调节的加热器，以在形成单晶锭的过程加热以防止单晶锭粘接到坩埚的底部。

根据本实用新型的一个实施例，所述制造单晶锭的装置进一步包括：称重单元，所述称重单元连接至所述籽晶夹头，用于称取晶体的重量，所述温控部件和/或所述主加热器基于称重单元的检测结果被控制加热以防止单晶粘接到坩埚底部和/或侧壁、并在发生粘接时熔化粘接至所述坩埚的单晶。

根据本实用新型的一个实施例，所述制造单晶锭的装置进一步包括：第二保温部件，所述第二保温部件设置在所述主加热器与所述主体之间；第三保温部件，所述第三保温部件设在所述坩埚底部与所述主体之间。

可选地，所述第二保温部件为热反射屏和/或保温层，以及所述第三保温部件为热反射屏和/或保温层。其中热反射屏可以将从坩埚和加热器辐射出来的热量反射回去；保温层也可以防止坩埚的热量被散逸，以防止晶体内部形成过大的温度梯度，从而使得在结晶过程中，单晶锭不会与坩埚的内壁粘接，晶体的内应力也得到控制。

其中，所述热反射屏由钨、钼、钨钼合金或石墨形成，所述保温层由保温碳毡形成。

根据本实用新型的一个实施例，所述冷却介质为水或者氦气。

根据本实用新型的一个实施例，所述主加热器由钨、钼、钨钼合金或石墨形成。

根据本实用新型的一个实施例，所述单晶锭为蓝宝石晶锭。

根据本实用新型的制造单晶锭的装置，通过第一保温部件和辅助加热器在晶体生长的初始阶段形成控制晶体纵向生长速度高于横向生长速度的温度梯度场，且通过温控部件防止单晶锭粘接到坩埚的底部，从而实现了所述单晶锭的良好生长，减少了晶体中的气泡，提高了所述蓝宝石单晶锭的质量，并提取方便。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本实用新型的一个实施例的制造单晶锭的装置的结构示意图；以及

图2是图1中坩埚内生长单晶锭的部分结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型而不是要求本实用新型必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

下面将参照附图来描述根据本实用新型实施例的制造单晶锭的装置，其中图1是根据本实用新型的一个实施例的制造单晶锭的装置的结构示意图。此外，在下述中将以制造蓝宝石单晶锭为例，来描述制造单晶锭的装置。

但是，需要说明的是，本实用新型的制造单晶锭的装置也可以利用制造其他类型的单晶，例如硅单晶、氧化物(如钇铝石榴石YAG等)单晶等，此处只是出于示例的目的，而不是为了限制本实用新型的保护范围。

如图1-图2所示，根据本实用新型实施例的制造单晶锭的装置，包括主体1、坩埚2、主加热器3、籽晶夹头4、热交换器5和第一保温部件71，其中坩埚2设置在主体1内。

主加热器3设置在坩埚2的四周，用于熔化容纳在坩埚2内的给料。籽晶夹头4位于坩埚2之上，用于夹持籽晶。热交换器5位于坩埚2的顶部和籽晶夹头4之间，籽晶穿过热交换器5且热交换器5中通入冷却介质以对籽晶进行冷却。可选地，冷却介质为水或者氦气。

在上述的制造蓝宝石单晶锭的装置100中，主体1、坩埚2等可以形成为圆柱体形，但是需要说明的是，主体1、坩埚2等也可以形成为其他的形状，例如长方体形等，此处只是出于说明的目的，而不是为了限制本实用新型的保护范围。可以理解的是，主体1内可以容纳有多个主加热器3。

由此，通过利用热交换器5，可以通过从主体1之外将用于热交换的冷却介质例如水或氦气循环地通入到热交换器5内来控制坩埚2内的热交换，以控制部分熔化的籽晶和熔化的给料的定向凝固，并实现了例如水或氦气的冷却介质的充分利用。

在本实用新型的一个实施例中，第一保温部件71设置在热交换器5和坩埚2的顶部之间。可选地，第一保温部件71为热反射屏，如图1和图2所示，热反射屏7用于将来自坩埚2的热量反射回坩埚2内节省能量。当然，第一保温部件71也可以为保温层，以防止坩埚的热量被散逸。进一步地，在热交换器5的热交换作用和第一保温部件71的保温作用的共同影响下，坩埚内熔体的横向温度梯度小，从而使得如图2中所示的单晶锭沿着横向方向的结晶速度小于沿着纵向方向的结晶速度，所述单晶锭在结晶的初始阶段大致沿着竖直的方向生长，即在晶体生长的初始阶段单晶锭横向生长少，熔体中的气泡可以方便地沿着单晶锭的外表面上浮并排出坩埚，因此提高了所结晶的单晶锭的质量。

在本实用新型的另一个实施例中，在第一保温部件71之下设置有辅助加热器8。如图1和图2所示，辅助加热器8可用于在单晶生长的初始阶段加热，以防止单晶锭在生长的初始阶段于横向方向上的过度生长，同时也为了防止局部过冷。即，通过控制该辅助加热器8也可以控制单晶锭沿着横向方向的结晶速度。在本实用新型的其中一些示例中，辅助加热器产生的温度场在单晶生长的初始阶段可控制成使得朝向坩埚2的侧壁的单晶生长速度较大幅度地小于沿着纵向向下的单晶生长速度，生成的晶体形状如图2所示，这种晶体形状非常有利于熔体中气泡的上浮排出，从而提升了单晶锭的质量。待晶体的底部生长接近坩埚底部时，进入单晶生长的中后期，逐渐降低辅助加热器8的功率直至停止加热，使得晶体的横向生长逐渐缓慢进行，从而实现了单晶锭的良好生长。

温控部件6设置在坩埚2的底部中央，在本实用新型的一个实施例中，温控部件6可为温度可调的电阻加热器，以在形成单晶锭的过程加热以防止单晶锭粘接到坩埚2的底部。

在本实用新型的一个实施例中，制造单晶锭的装置进一步包括称重单元，称重单元9连接至籽晶夹头4，用于称取晶体的重量，并根据称重结果控制温控部件6和主加热器3的加热，根据晶体重量的变化调整温控部件6和主加热器3的加热功率，使坩埚底部和侧壁保持适当的温度梯度，并防止籽晶粘接至坩埚2的底部和侧壁。在单晶锭结晶的过程中若粘接至坩埚2的底部或侧壁上时，该称重单元9便可检测到晶体重量的突然变化，从而触发控制信号，使得温控部件6和/或主加热器3基于检测结果被控制加热对坩埚进行加热，以熔化被粘接到坩埚2的单晶。在本实用新型的一个示例中，称重单元9设在主体1外，例如在籽晶夹头4的纵向正上方。而在本实用新型的另一个示例中，称重单元9也可设在主体1内坩埚2的上方，例如设在籽晶夹头4的纵向正上方。

在本实用新型的一个实施例中，制造单晶锭的装置进一步包括第二保温部件72和第三保温部件73，如图1所示。第二保温部件72设置在主加热器3与主体1之间，也就是说，第二保温部件72围绕在主加热器3的外围。第三保温部件73设在坩埚2底部与主体1之间。

在本实用新型的一个示例中，第二保温部件72和第三保温部件73可为热反射屏。热反射屏可用于反射坩埚2和主加热器3向外辐射的热量，其中热反射屏与坩埚2和主加热器3的外表面分开预定的距离，该热反射屏可以将从坩埚2和加热器辐射出来的热量反射回去。

在本实用新型的另一个示例中，第二保温部件72和第三保温部件73可为保温层，用于对坩埚2的侧壁和底部进行保温，从而使得在结晶过程中、单晶锭不会与坩埚的底部粘接。此外，该保温层也可以防止坩埚2的热量被散逸，以防止晶体内部形成过大的温度梯度。

当然，本实用新型并不限于此。可以理解的是，第二保温部件72和第三保温部件73并不必须是同样的热反射屏或是保温层，在本实用新型的其中一些示例中，第二保温部件72可为围绕在坩埚2四周的热反射屏来反射从坩埚辐射出的热量，而第三保温部件73可为保温层防止坩埚底部散逸出的热量。当然，在本实用新型的另外一些示例中，第二保温部件72可为围绕在坩埚2四周的保温层，而第三保温部件73可为热反射屏。进一步可以理解的是，第二保温部件72和第三保温部件73还可以是结合后的热反射屏和保温层。

在上述描述中提到的热反射屏可由钨、钨钼合金或石墨形成，保温层由保温碳毡形成。

在本实用新型的一些实施例中，籽晶夹头4在引晶阶段的旋转速度为5-10rpm，其提升速度为0.01-0.4毫米/小时，在籽晶的结晶过程中，籽晶夹头逐渐由快到慢地向上提升，从而可使单晶锭形成更均匀且沿纵向的单晶生长质量更好。

根据本实用新型的一个实施例，所述主加热器3由钨、钼、钨钼合金或石墨形成。

下面将参照图1-图2来简单描述制造蓝宝石单晶锭的过程。

首先将蓝宝石多晶给料放入到坩埚中，并对主体1内抽真空，然后利用主加热器3进行化料。化料完成后，进入引晶阶段，此时籽晶穿过热交换器5，进入熔体，实现籽晶部分熔化。此时将流体通入到热交换器5内，且流体的流速在化料阶段控制成保持所述籽晶被部分熔化，并使籽晶夹头4以5-10rpm的速度旋转，且逐渐向上提升，以控制籽晶的引晶过程。

引晶完成后开始晶体的定向凝固生长，在晶体生长的初始阶段，辅助加热器的温度场可控制成使得朝向坩埚2的侧壁的单晶生长速度远小于沿着纵向的单晶生长速度，同时通过温控部件6在形成单晶锭的过程加热以防止单晶锭纵向生长到粘接至坩埚2的底部。待晶体的底部生长接近坩埚底部时，进入单晶生长的中后期，此时逐渐降低辅助加热器8的功率直至停止加热，使得晶体的横向生长逐渐缓慢进行，从而实现了单晶锭的良好生长。

单晶锭完成后，保温以降低晶体内应力，然后缓慢冷却出炉。

如上所述，根据本实用新型的制造单晶锭的装置，通过利用所述热交换器5，可以通过从主体1之外将用于热交换的流体循环地通入到所述热交换器5内来控制所述坩埚2内的热交换，以控制所述部分熔化的籽晶和熔化的给料的定向凝固，从而实现了例如氦气的流体的充分利用。此外，通过辅助加热器形成控制晶体纵向生长速度高于横向生长速度的温度梯度场，且通过温控部件防止单晶锭粘接到坩埚2的底部，从而实现了所述单晶锭的良好生长，提高了所述蓝宝石单晶锭的质量，并提取方便。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种制造单晶锭的装置，其特征在于，包括：

主体；

设置在所述主体内的坩埚；

主加热器，所述主加热器设置在所述坩埚的四周，用于熔化容纳在坩埚内的给料；

籽晶夹头，所述籽晶夹头位于所述坩埚之上，用于夹持籽晶；

热交换器，所述热交换器位于所述坩埚的顶部和籽晶夹头之间，所述籽晶夹头可升降地穿过所述热交换器且所述热交换器中通入冷却介质以对所述籽晶进行冷却；和

第一保温部件，所述第一保温部件设置在所述热交换器与所述坩埚之间。

2.根据权利要求1所述的制造单晶锭的装置，其特征在于，第一保温部件为热反射屏和/或保温层。

3.根据权利要求2所述的制造单晶锭的装置，其特征在于，所述第一保温部件之下设置有辅助加热器。

4.根据权利要求3所述的制造单晶锭的装置，其特征在于，所述辅助加热器产生的温度场在晶体生长的初始阶段控制成使得朝向坩埚的侧壁的单晶生长速度小于沿着纵向向下的单晶生长速度。

5.根据权利要求1所述的制造单晶锭的装置，其特征在于，进一步包括：

温控部件，所述温控部件设置在所述坩埚的底部中央。

6.根据权利要求5所述的制造单晶锭的装置，其特征在于，所述温控部件为温度可调节的加热器。

7.根据权利要求5所述的制造单晶锭的装置，其特征在于，进一步包括：

称重单元，所述称重单元连接至所述籽晶夹头，用于称取晶体的重量，所述温控部件和/或所述主加热器基于称重单元的检测结果被控制加热以防止单晶粘接到坩埚底部和/或侧壁、并在发生粘接时熔化粘接至所述坩埚的单晶。

8.根据权利要求1所述的制造单晶锭的装置，其特征在于，进一步包括：

第二保温部件，所述第二保温部件设置在所述主加热器与所述主体之间；

第三保温部件，所述第三保温部件设在所述坩埚底部与所述主体之间。

9.根据权利要求8所述的制造单晶锭的装置，其特征在于，所述第二保温部件为热反射屏和/或保温层，以及

所述第三保温部件为热反射屏和/或保温层。

10.根据权利要求2或9所述的制造单晶锭的装置，其特征在于，所述热反射屏由钨、钼、钨钼合金或石墨形成，所述保温层由保温碳毡形成。

11.根据权利要求1所述的制造单晶锭的装置，其特征在于，所述冷却介质为水或者氦气。

12.根据权利要求1所述的制造单晶锭的装置，其特征在于，所述主加热器由钨、钨钼合金或石墨形成。

13.根据权利要求1所述的制造单晶锭的装置，其特征在于，所述单晶锭为蓝宝石晶锭。