CN202595329U

CN202595329U - 一种泡生法单晶炉的全角度视窗

Info

Publication number: CN202595329U
Application number: CN 201220102245
Authority: CN
Inventors: 王元斌; 邹宇琦; 曹凤凯; 刘献伟
Original assignee: SHANGHAI SKT OPTOELECTRONIC MATERIAL CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI SKT OPTOELECTRONIC MATERIAL CO Ltd
Priority date: 2012-03-19
Filing date: 2012-03-19
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2022-03-19

Abstract

本实用新型一种泡生法单晶炉的全角度视窗，其特征结构是：籽晶杆顶端通过炉盖中央的炉盖上凸口，再通过密封连接体与波纹管连接，实现了真空状态下通过波纹管对籽晶杆的控制；炉盖为上下平面的结构，在炉盖上设置三个视窗；三个视窗通过三个视窗筒体成阵列倾斜设置在炉盖上并高于炉盖的高度；视窗筒体的顶端通过密封圈安装石英玻璃；在三个视窗筒体下端的炉盖上设有三快受控制按钮控制的挡板：需要观察时，转开挡板通过视窗观察炉内情况，不需观察时，用挡板遮住视窗下端，其隔热作用能保护石英玻璃在高温下正常工作。本实用新型有利于清晰观察泡生法单晶炉内晶体的生长情况，有利于技术人员控制和及时调整，有利于长出优质的蓝宝石单晶体。

Description

一种泡生法单晶炉的全角度视窗

技术领域

本实用新型涉及人造蓝宝石技术领域，涉及蓝宝石单晶炉的设计与制造，具体的是一种泡生法单晶炉的全角度视窗。

背景技术

蓝宝石单晶炉是将氧化铝（Al₂O₃）块状原料或者蓝宝石籽晶制作成排列有序的蓝宝石晶体的重要设备。而蓝宝石晶体的稳定性好，其绝缘、透明、易导热、硬度高、耐磨等优点使之成为半导体GaN/Al₂O₃发光二极管（LED）、大规模集成电路SOI和SOS以及超导纳米结构薄膜重要的衬底材料，是大有发展前途的晶体材料。目前，LED得到了很好的开发和应用，成为一种节能环保、寿命长、多用途的环保光源，因此，蓝宝石晶体的发展将能够直接影响LED产业的发展。

在利用单晶炉人造蓝宝石单晶的过程中，需要通过炉体上的视窗观察蓝宝石单晶的生长过程，及时调整参数，生产高质量的蓝宝石单晶体。因此，如何能够全面地观察单晶炉内蓝宝石单晶完整的生成状况，成为生产者所关心的问题。

现有的单晶炉，炉体上的视窗采用的是双层石英玻璃，双层石英玻璃的中间设有冷却水循环系统。现有视窗结构的不足之处是：（1）双层石英玻璃中间水的流动会产生波纹，影响观察蓝宝石单晶完整生成的准确度；（2）由于蓝宝石单晶炉炉内的温度高达2100℃，一旦冷却水不均匀就会导致视窗玻璃的破碎；（3）视窗的里面是凹面结构，这不仅加工难度很大，而且可进行的视窗观察都是单侧观察，这就使视窗的观察有局限性，对籽晶下种操作的支持不够，使籽晶下种的操作不那么方便；（4）不能通过视窗充分了解炉内晶体生长的全部情况。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决上述问题，提供一种泡生法单晶炉的全角度视窗，它不仅结构简单、安装方便、能够在2100℃的高温下工作，而且能够全面观察单晶炉内蓝宝石单晶完整的生长过程，了解炉内整体的运行状况。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：

一种泡生法单晶炉的全角度视窗，含有炉体、坩埚、炉盖，在炉体内设置坩埚，在坩埚的中间设置籽晶杆，其特征在于，水冷籽晶杆顶端的密封通道包括设置在炉盖中央的炉盖上凸口、密封连接体和波纹管，所述炉盖上凸口通过密封连接体连接着波纹管，实现了真空状态下通过波纹管对籽晶杆的真空密封连接；所述炉盖的上下表面都为平面结构，在炉盖上设置三个视窗，即第一视窗、第二视窗、第三视窗和三个挡板控制按钮；所述的三个视窗通过三个视窗筒体，即第一视窗筒体、第二视窗筒体、第三视窗筒体密封连接在炉盖上并高于炉盖的平面：定义一垂面，所述垂面垂直于炉盖表面并通过炉盖的直径，所述视窗筒体的中心线位于所述垂面上并倾斜于炉盖表面，所述视窗筒体在其中心线与所述炉盖直径近圆心端形成一个120°～125°度的钝角，所述视窗筒体在其中心线与所述炉盖直径远圆心端形成一个55°～60°度的锐角，所述视窗筒体的中心线与炉盖上表面的交点到炉盖中心保持一定的距离，所述的三个视窗筒体成阵列设置在炉盖上；在所述的三个视窗筒体的顶端通过密封圈安装石英玻璃，使石英玻璃与炉体保持有一定的距离；通过所述的三个视窗能全角度地观察单晶炉炉体内的单晶生长区域；在所述三个视窗筒体下端连接的炉盖的下表面设有三快挡板，所述三快挡板对应所述的三个视窗筒体的位置并与所述的三个挡板控制按钮连接；所述的三快挡板受三个挡板控制按钮的控制：需要观察时，通过挡板控制按钮转开挡板即可通过视窗进行观察，不需要观察时，将挡板遮住视窗的下端起到隔热的效果，保护石英玻璃在高温下的工作状态。

可选的，所述的三个视窗，即第一视窗、第二视窗、第三视窗和所述三个视窗筒体，即第一视窗筒体、第二视窗筒体、第三视窗筒体采用圆形结构。

进一步，所述的石英玻璃与所述的三个视窗筒体，即第一视窗筒体、第二视窗筒体、第三视窗筒体在筒体的顶端与视窗筒体中轴线呈垂直状态密封安装。

可选的，所述的挡板为长椭圆型结构，一端为连轴端，另一端为开放活动端；所述开放活动端的旋转角度是固定的，可防止挡板过度旋转，影响视窗下端的密封效果。

可选的，所述的挡板为用金属钼材料制作的挡板。

本实用新型一种泡生法单晶炉的全角度视窗的积极效果是：

（1）在平面的炉盖上设计三个倾斜的全角度视窗，能清晰观察泡生法单晶炉内的情况，有利于技术人员对单晶炉的运行状况进行很好的把握，对晶体的生长参数做出最准确的调整，从而长出优质的蓝宝石单晶体。

（2）全角度视窗的下端平时用挡板挡住，挡板的隔热效果能保证石英玻璃在2100℃高温下的正常工作状态，可延长石英玻璃的使用效果和使用寿命。

（3）波纹管下端与炉盖凸出口的上端之间用密封连接体连接，实现了真空状态下对籽晶杆的密封。

（4）安装了本实用新型的全角度视窗的泡生法单晶炉的工作效率会更高。附图说明

附图1为本实用新型一种泡生法单晶炉的全角度视窗的结构示意图；

图中的标号分别为：

1、坩埚； 2、籽晶杆； 3、炉盖； 4、炉盖上凸口； 5、密封连接体；

6、波纹管； 71、第一视窗； 72、第二视窗； 73、第三视窗；

81、第一视窗筒体；82、第二视窗筒体；83、第三视窗筒体；9、挡板控制按钮。

附图2为实用新型一种泡生法单晶炉的全角度视窗的设计图。

具体实施方式

以下结合附图继续解释本实用新型一种泡生法单晶炉的全角度视窗的具体实施情况，但是，本实用新型的实施不限于以下的实施方式。

参见附图1，一种泡生法单晶炉的全角度视窗，含有炉体、坩埚1、炉盖3，炉体的基本结构同现有的泡生法单晶炉的结构。在坩埚1的中间设置籽晶杆2，籽晶杆2顶端连接在炉盖3中央的炉盖上凸口4上，所述炉盖上凸口4通过密封连接体5与波纹管6连接，可实现在真空状态下通过波纹管6对籽晶杆2的控制。

所述炉盖3的上下表面都为平面结构，在炉盖3上设置三个视窗，即第一视窗71、第二视窗72、第三视窗73和三个挡板控制按钮9。所述的三个视窗通过三个视窗筒体，即第一视窗筒体81、第二视窗筒体82和第三视窗筒体83密封连接在炉盖3上并高于炉盖3的平面。实施时可先定义一垂面：所述垂面垂直于炉盖3表面并通过炉盖3的直径，所述视窗筒体的中心线位于所述垂面上并倾斜于炉盖3表面，所述视窗筒体在其中心线与所述炉盖3直径近圆心端形成一个120°～125°度的钝角，所述视窗筒体在其中心线与所述炉盖直径远圆心端形成一个55°～60°度的锐角，所述视窗筒体的中心线与炉盖3上表面的交点到炉盖3中心保持一定的距离，将所述的三个视窗筒体成阵列设置炉盖3上（三个视窗筒体具体设置的计算方法在下面介绍图2时再详细叙述）。所述的三个视窗和所述的三个视窗筒体可采用圆形结构。在所述的三个视窗筒体的顶端通过密封圈安装石英玻璃，使石英玻璃能通过密封圈与炉体保持一定的距离。

将石英玻璃与三个视窗筒体在筒体的顶端与视窗筒体中轴线呈垂直状态密封安装。这样，通过三个视窗上的石英玻璃，即通过第一视窗71、第二视窗72和第三视窗73上的石英玻璃就能全角度地观察单晶炉炉体内的单晶生长区域。

为保证石英玻璃在高温下的正常工作，本实用新型在所述的三个视窗筒体下端连接炉盖3的下表面上设置了三块挡板（图中未示）。所述三块挡板的设置位置对应所述的三个视窗筒体的位置并与所述的三个挡板控制按钮9连接。

所述挡板应采取用金属钼材料制作的挡板，它们能有效地抵御高温。所述挡板可设计成长椭圆型结构，其凸起的一端为连轴端，与挡板控制按钮9连接；其另一端为开放活动端，应将所述开放活动端的旋转角度设置成固定的，以防止挡板的过度旋转而影响视窗下端的密封效果。

所述的三块挡板受三个挡板控制按钮9的控制：需要观察时，通过挡板控制按钮9转开挡板即可通过视窗进行观察：所述的三块挡板能一个一个分开打开，这样，能更好地对未进行观察的视窗上的石英玻璃进行保护。不需要观察时，将挡板遮住视窗的下端起隔热保护的作用，保护石英玻璃在2100℃高温下的正常工作状态，也可延长石英玻璃的使用效果和使用寿命。

在本实施例中，虽然挡板与视窗之间没有密封结构，但是，由于炉体内部已经是真空状况，所以挡板的打开和关闭不会影响炉内气压的变化。注意：挡板在不观察时必须关闭！因为2100℃的高温肯定会影响全角度视窗上石英玻璃的寿命和密封效果。

参见附图2。附图2为本实用新型一种泡生法单晶炉的全角度视窗的设计图，图中的标号分别为：D为所要观察的坩埚1的直径；d 为视窗通道的内直径；H为所要观察的坩埚1的高度；h1为视窗距离炉盖3表面的高度；h2为炉盖3距离坩埚口的距离；θ为视窗的倾斜角度；L为视窗通道中心与炉盖3上表面的交点到炉盖中心的距离（确定视窗的位置）。

所述的三个视窗筒体，即第一视窗筒体81、第二视窗筒体82和第三视窗筒体83采用夹角精确设计，可在炉盖3上方通过视窗全角度对泡生法单晶炉内进行观察，有利于全面、大范围观察蓝宝石单晶的生长情况，有利于对单晶炉内的运行状况和晶体的生长参数做出准确的判定，对蓝宝石单晶生长的操作更为有利。

所述视窗通道直径的临界值可由公式（1）计算得到，

（1）；

所述视窗通道位置的临界距离可由公式（2）计算得到，

Figure 2012201022451100002DEST_PATH_IMAGE006

（2）；

所述视窗通道倾斜的临界角度可由公式（3）计算得到，

Figure 2012201022451100002DEST_PATH_IMAGE008

（3）。

在本实用新型的具体实施中可以设定：

d ≥ 视窗通道直径临界值，

L ≤视窗通道位置的临界距离，

θ ≥视窗通道倾斜的临界角度，

设：H = 500mm； D = 250mm； h1 = 80mm； h2 = 600mm；

则可以计算出：d = 29.413mm； L = 275mm； θ= 55.6^o。

当然，在具体的泡生法单晶炉全角度视窗的设计中，可根据单晶炉的直径、高度等具体情况在合理的范围内对视窗的角度和位置进行具体的设计与调整，按实际使用的坩埚1的尺寸及坩埚1的位置进行具体的计算和设计。

以上所述仅为本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本实用新型的保护范围内。

Claims

1. 一种泡生法单晶炉的全角度视窗，含有炉体、坩埚（1）、炉盖（3），在炉体内设置坩埚（1），在坩埚（1）的中间设置籽晶杆（3），其特征在于，水冷籽晶杆（3）顶端的密封通道包括设置在炉盖（3）中央的炉盖上凸口（4）、密封连接体（5）和波纹管（6），所述炉盖上凸口（4）通过密封连接体（5）连接着波纹管（6），实现了真空状态下通过波纹管（6）对籽晶杆（2）的真空密封连接；所述炉盖（3）的上下表面都为平面结构，在炉盖（3）上设置三个视窗，即第一视窗（71）、第二视窗（72）、第三视窗（73）和三个挡板控制按钮（9）；所述的三个视窗通过三个视窗筒体，即第一视窗筒体（81）、第二视窗筒体（82）、第三视窗筒体（83）密封连接在炉盖（3）上并高于炉盖（3）的平面：定义一垂面，所述垂面垂直于炉盖（3）表面并通过炉盖（3）的直径，所述视窗筒体的中心线位于所述垂面上并倾斜于炉盖（3）表面，所述视窗筒体在其中心线与所述炉盖（3）直径近圆心端形成一个120°～125°度的钝角，所述视窗筒体在其中心线与所述炉盖直径远圆心端形成一个55°～60°度的锐角，所述视窗筒体的中心线与炉盖（3）上表面的交点到炉盖（3）中心保持一定的距离，所述的三个视窗筒体成阵列设置在炉盖上；在所述的三个视窗筒体的顶端通过密封圈安装石英玻璃，使石英玻璃与炉体保持有一定的距离；通过所述的三个视窗能全角度地观察单晶炉炉体内的单晶生长区域；在所述三个视窗筒体下端连接的炉盖（3）的下表面设有三快挡板，所述三快挡板对应所述的三个视窗筒体的位置并与所述的三个挡板控制按钮（9）连接；所述的三快挡板受三个挡板控制按钮（9）的控制：需要观察时，通过挡板控制按钮（9）转开挡板即可通过视窗进行观察，不需要观察时，将挡板遮住视窗的下端起到隔热的效果，保护石英玻璃在高温下的工作状态。

2. 根据权利要求1所述的一种泡生法单晶炉的全角度视窗，其特征在于，所述视窗筒体的中心线与炉盖（3）上表面的交点到炉盖（3）中心保持的距离是由以下公式计算得到的：

所述视窗通道直径的计算公式为：

Figure 2012201022451100001DEST_PATH_IMAGE002

；

所述视窗通道临界位置的计算公式为：

；

所述视窗通道倾斜角度的计算公式为：

；

式中：

D为坩埚（1）的直径；

d 为视窗通道的内直径；

H为坩埚（1）的高度；

h1为视窗距离炉盖（3）表面的高度；

h2为炉盖（3）距离坩埚口的距离；

θ为视窗的倾斜角度；

L为视窗通道中心与炉盖（3）上表面的交点到炉盖中心的距离。

3. 根据权利要求1所述的一种泡生法单晶炉的全角度视窗，其特征在于，所述的三个视窗，即第一视窗（71）、第二视窗（72）、第三视窗（73）和所述三个视窗筒体，即第一视窗筒体（81）、第二视窗筒体（82）、第三视窗筒体（83）采用圆形结构。

4. 根据权利要求1或3所述的一种泡生法单晶炉的全角度视窗，其特征在于，所述的石英玻璃与所述的三个视窗筒体，即第一视窗筒体（81）、第二视窗筒体（82）、第三视窗筒体（83）在筒体的顶端与视窗筒体中轴线呈垂直状态密封安装。

5. 根据权利要求1所述的一种泡生法单晶炉的全角度视窗，其特征在于，所述的挡板为长椭圆型结构，一端为连轴端，另一端为开放活动端；所述开放活动端的旋转角度是固定的，可防止挡板过度旋转，影响视窗下端的密封效果。

6. 根据权利要求5所述的一种泡生法单晶炉的全角度视窗，其特征在于，所述的挡板为用金属钼材料制作的挡板。