CN215856449U - 一种蓝宝石热场结构 - Google Patents

Abstract

本申请提供的蓝宝石热场结构，包括热场结构本体、主加热器和副加热器，热场结构本体内部设置有用于盛放籽晶的坩埚；在热场结构本体内，主加热器以环绕的形式设置在坩埚的外围，主加热器的外围设置有保温层，保温层包括内保温层和外保温层，副加热器设置在内保温层和外保温层之间的空腔中。本申请的技术方案中主加热器构建长晶热场梯度，并通过将原有的保温层结构替换为保温层加副加热器的结构设计，在提供保温性能的同时可以通过副加热器提供辅助热场梯度。通过主副加热器的协同作用，可以满足大公斤级晶体生长的热场梯度，提高蓝宝石热场结构的经济适用性能。

Description

一种蓝宝石热场结构

技术领域

本申请涉及蓝宝石单晶生长的技术领域，尤其涉及一种蓝宝石热场结构。

背景技术

在蓝宝石热场体系结构中，侧保温作为形成热场轴向和底部径向梯度的最基础组成部件，同时承担节能降耗的最基础部件，通过精心的设计各组成部件从而形成一个较密封的几何腔室，进而提供蓝宝石在2000℃以上的最佳长晶环境。

现有石墨热场蓝宝石单晶炉的侧保温通常由石墨硬毡及软毡套合组成，由于炉体内部的高温以及特殊的温度场分布，随着泡生法技术的革新，晶体重量逐步增大至目前的400kg以上，相关技术中，随着晶体直径的增大，将侧保温屏按照原始结构的直径方向直接放大，从而为较大的晶体重量提供满足其生长环境的需求。

然而，随着晶体直径的增大，通过目前的侧保温设计直接进行直径方向的简单放大方式，难以构建适合大公斤级晶体生长的热场梯度，且随着侧保温直径的增加，导热增强，长晶能耗增加，使得经济性变差。

实用新型内容

本申请提供了一种蓝宝石热场结构，以解决传统蓝宝石热场结构，由于不能构建适合大公斤级晶体生长的热场梯度，导热增强，长晶能耗增加，使得经济性变差的问题。

本申请解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

一种蓝宝石热场结构，包括热场结构本体、主加热器和副加热器，所述热场结构本体内部设置有用于盛放籽晶的坩埚；

在所述热场结构本体内，所述主加热器以环绕的形式设置在所述坩埚的外围，所述主加热器的外围设置有保温层，所述保温层包括内保温层和外保温层，所述副加热器设置在所述内保温层和外保温层之间的空腔中。

作为一种实施方式，所述主加热器和副加热器顶部不等高错落设置；

所述主加热器顶部靠近所述热场结构本体的顶面设置；

所述副加热器底部靠近所述热场结构本体的底面设置。

作为一种实施方式，所述副加热器为筒状结构，且沿筒壁的轴向两端设置相互错开的轴向开槽结构，所述轴向开槽结构沿筒壁周向均匀分布，相邻轴向开槽结构之间的加热片宽度保持一致。

作为一种实施方式，所述副加热器沿筒壁的轴向两端设置温度梯度，且所述副加热器的底部温度大于顶部温度。

作为一种实施方式，所述热场结构本体还包括坩埚支撑轴，所述坩埚支撑轴设置在所述热场结构本体的中轴线上；

所述保温层的外围套设有炉桶，所述炉桶与设置在所述热场结构本体底部的炉底盘连接，所述炉底盘与所述坩埚通过所述坩埚支撑轴支撑连接；

所述热场结构本体还包括上炉盖，所述上炉盖设置在所述热场结构本体，并与所述炉桶连接。

作为一种实施方式，所述坩埚与所述坩埚支撑轴之间设置有坩埚托盘，所述坩埚顶部设置有坩埚盖板。

作为一种实施方式，所述热场结构本体内部设置若干保温结构，包括顶部保温层、底部保温层以及侧上保温层；

所述底部保温层，围绕所述坩埚支撑轴设置在所述炉底盘的底面上，且位于所述保温层的底部；

所述侧上保温层，围绕所述坩埚结构设置在所述保温层的顶端；

所述顶部保温层，设置在所述上炉盖的底部，且位于所述侧上保温层的顶端。

作为一种实施方式，所述保温层为石墨硬毡或氧化锆砖的硬质结构材质。

本申请提供的技术方案包括以下有益技术效果：

由以上技术方案可知，本申请提供的蓝宝石热场结构，包括热场结构本体、主加热器和副加热器，热场结构本体内部设置有用于盛放籽晶的坩埚；在热场结构本体内，主加热器以环绕的形式设置在坩埚的外围，主加热器的外围设置有保温层，保温层包括内保温层和外保温层，副加热器设置在内保温层和外保温层之间的空腔中。本申请的技术方案中主加热器构建长晶热场梯度，并通过将原有的保温层结构替换为保温层加副加热器的结构设计，在提供保温性能的同时可以通过副加热器提供辅助热场梯度。通过主副加热器的协同作用，可以满足大公斤级晶体生长的热场梯度，提高蓝宝石热场结构的经济适用性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种蓝宝石热场结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种副加热器平面结构示意图；

图3为图2中副加热器立体结构示意图；

图4为本申请实施例提供的另一种副加热器平面结构示意图；

图5为图4中副加热器立体结构示意图。

附图标记说明：

1-热场结构本体，2-主加热器，3-副加热器，31-轴向开槽结构，32加热片，311-轴向上开口槽，312-轴向下开口槽，4-坩埚，5-保温层，51-内保温层，52-外保温层，6-坩埚支撑轴，7-炉桶，8-炉底盘，9-坩埚托盘，10-坩埚盖板，11-顶部保温层，12-底部保温层，13-侧上保温层，14-上炉盖，3111-周向第一开槽；3112-周向第二开槽；3113-周向第三开槽；3114-周向第四开槽。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

现有石墨热场蓝宝石单晶炉的侧保温通常由石墨硬毡及软毡套合组成，由于炉体内部的高温以及特殊的温度场分布，随着泡生法技术的革新，晶体重量逐步增大至目前的400kg以上，相关技术中，随着晶体直径的增大，采用的技术改进为将侧保温屏按照原始结构的直径方向直接放大，从而为较大的晶体重量提供满足其生长环境的需求。

然而，随着晶体直径的增大，通过目前的侧保温设计直接进行直径方向的简单放大方式，一方面难以构建适合大公斤级晶体生长的热场梯度，另一方面，随着侧保温直径的增加，导热增强，长晶能耗增加，使得经济性变差。

基于上述问题，请参考附图1，附图1所示为本申请实施例提供一种蓝宝石热场结构示意图，如图1所示，本申请实施例提供的蓝宝石热场结构包括热场结构本体1、主加热器2和副加热器3，热场结构本体1内部设置有用于盛放籽晶的坩埚4；

在热场结构本体1内，主加热器2以环绕的形式设置在坩埚4的外围，主加热器2的外围设置有保温层5，保温层5包括内保温层51和外保温层52，副加热器3设置在内保温层51和外保温层52之间的空腔中。

相较于传统蓝宝石热场结构而言，本申请实施例提供的蓝宝石热场结构中，通过主加热器构建长晶热场梯度，并通过将原有的保温层结构替换为保温层加副加热器的结构设计，将副加热器3设置在内保温层51和外保温层52之间的空腔中，从而使得在提供保温性能的同时可以通过副加热器提供辅助热场梯度。本申请实施例中的技术方案通过主副加热器的协同作用，可以满足大公斤级晶体生长的热场梯度，提高蓝宝石热场结构的经济适用性能。

作为一种实施方式，主加热器2和副加热器3顶部不等高错落设置；具体的，如图1中所示的蓝宝石热场结构，主加热器2顶部靠近热场结构本体1的顶面设置；副加热器3底部靠近热场结构本体1的底面设置。

以上，主副加热器的不等高错落设置，特别地，副加热器3上下位置地移动，可以实现侧屏内部高低温区的变化，从而实现热场梯度的灵活调整，进而达到生长优质晶体所需的更加合理的温度梯度。

作为一种实施方式，请参考附图2和附图3，附图2为本申请实施例提供的一种副加热器平面结构示意图，附图3为本申请实施例提供的一种副加热器立体结构示意图，其中，如图2和图3所示，副加热器3为筒状结构，且沿筒壁的轴向两端设置相互错开的轴向开槽结构31，轴向开槽结构31沿筒壁周向均匀分布，相邻开槽之间的加热片32宽度保持一致。在筒状主体的筒壁上沿圆周方向，均匀的设置有轴向开槽结构31，轴向开槽结构31的设置方向与筒状主体的轴向一致，轴向开槽结构31包括轴向上开口槽311和轴向下开口槽312，轴向上开口槽311的一端与筒状主体顶端相连通，轴向下开口槽312的一端与筒状主体底端相连通，轴向上开口槽311与轴向下开口槽312交替设置，两者之间形成周向加热片32，每个周向加热片32的宽度W均相同，即，任意相邻的两个轴向开槽结构31之间的距离相等，每个轴向开槽结构31的长度H均相同，即，任意的轴向上开口槽311的长度H相等，任意的轴向下开口槽312的长度H相等，且任意两者的长度也相等，每个轴向开槽结构31的宽度L1也相同，即，任意的轴向上开口槽311的宽度L1相等，任意的轴向下开口槽312的宽度L1相等，且任意两者的宽度相等。轴向开口槽之间的距离W、轴向开口槽的长度H和宽度L1分别均相等的设置，可以使加热器在圆周方向的发热是均匀的，即，加热器在任意圆周方向产生的热量是相同的，T1端与T2端的温度保持一致。

作为另一种实现方式，请参考附图4和附图5，附图4为本申请实施例提供的另一种副加热器平面结构示意图，附图5为本申请实施例提供的另一种副加热器立体结构示意图。为了实现副加热器3沿筒壁的轴向两端设置温度梯度，且副加热器3的底部温度大于顶部温度，即T2大于T1，本申请实施例提供的另一种副加热器，如图4和图5所示，同样的，副加热器3为筒状结构，在筒状主体的筒壁上设置轴向开槽结构31，即，沿筒状主体的轴向方向，在筒壁上均匀、交替设置轴向上开口槽311和轴向下开口槽312，本申请实施例的每个轴向开口槽的长度H1均相等，宽度L2也均相等，且相邻的两个轴向开口槽之间的距离相等，这样的设置可以保证加热器在任意周向方向产生的热量相同；与图2和图3中的不同的是，在副加热器的筒状主体的筒壁上增加了沿筒壁周向设置的周向开槽，其设置方向与轴向开口槽的设置方向相互垂直。周向开槽在筒状主体的筒壁上呈层状设置，即，同一层的周向开槽位于筒壁与轴线垂直的筒壁横截面上，每一层的周向开槽具有相同的数量，且每一层的周向开槽均匀分布在筒壁的同一横截面上，即，每一层的任意相邻的两个周向开槽之间的距离相等，不同层的周口开槽沿周向错开一定的角度，周向开槽与轴向开口槽相交，且周向开槽被轴向开槽分成长度相等的两部分，任意周向开槽的宽度L3可相等，也可不相等，任意周向开槽的长度H2可相等，也可不相等，如图4和图5所示的，由位于同一筒壁横截面的周向第一开槽3111组成的第一层周向开槽，由位于同一筒壁横截面的周向第二开槽3112组成的第二层周向开槽，由位于同一筒壁横截面的周向第三开槽3113组成的第三层周向开槽，由位于同一筒壁横截面的周向第四开槽3114组成的第四层周向开槽，相邻的每层周向开槽的距离可以相等，也可以不相等，即，第一层周向开槽与筒状主体底端之间的距离W1，第一层周向开槽与第二层周向开槽之间的距离W2，第二层周向开槽与第三层周向开槽之间的距离W3，第三层周向开槽与第四层周向开槽之间的距离W4，第四层周向开槽与筒状主体顶端之间的距离W5，这五个距离可以相等，也可以根据需要选择合适的数值，周向开槽的层数也可以根据需要选择不同的数量，轴向开口槽和周向开槽的形状可以选择矩形开槽、梯形开槽、锥形开槽、弧形开槽等不同形状的开槽。

在图4与图5提供的副加热器结构中，主要通过控制相邻两层周向开槽之间的距离和周向开槽与相邻的筒状主体端面之间的距离、周向开槽的长度、周向开槽的宽度，以及副加热器厚度来实现电阻的合理设计，进而控制副加热器的加热性能，本申请实施例提供的副加热器的结构设计可以实现副加热器的筒状主体底端的温度大于或等于筒状主体顶端的温度，在热场体系中，可自身实现温差设计，形成合理的热场梯度。

具体的，根据电阻计算公式：R＝ρL/S，式中：R为电阻，ρ为电阻率，L为通流长度，S为通流截面积，本申请实施例中选择W1≤W2≤W3≤W4≤W5，W1为第一层周向开槽与筒状主体底端之间的距离，W2为第一层周向开槽与第二层周向开槽之间的距离，W3为第二层周向开槽与第三层周向开槽之间的距离，W4为第三层周向开槽与第四层周向开槽之间的距离，W5为第四层周向开槽与筒状主体顶端之间的距离，随着每层周向开槽之间的距离依次增大，通流截面积S也依次增大，则相应的电阻依次减小，在同一个副加热器中，单位长度内电流I一致，相应的发热量根据公式：Q＝I²R，式中：R为电阻，I为单位长度内电流，可知，筒状主体底端处的发热量最大，筒状主体顶端处的发热量最小，进而在副加热器的轴向方向实现相应的温度差。

根据实际的使用需要，本申请实施例提供的副加热器可以选择不同的相邻两层周向开槽结构之间的距离、周向开槽的宽度、周向开槽的数量、轴向开口槽的宽度、长度、数量等，实现副加热器不同部分产生不同的热量，进而可以在副加热器的轴向方向产生梯度热场。

在该种副加热器3可实现沿筒壁的轴向两端设置温度梯度，在不移动副加热器3的情况下，同样可以实现侧屏内部高低温区的变化，从而实现热场梯度的灵活调整，进而达到生长优质晶体所需的更加合理的温度梯度。

作为一种实施方式，热场结构本体1还包括坩埚支撑轴6，坩埚支撑轴6设置在热场结构本体1的中轴线上；

保温层5的外围套设有炉桶7，炉桶7与设置在热场结构本体1底部的炉底盘8连接，炉底盘8与坩埚4通过坩埚支撑轴6支撑连接；

热场结构本体1还包括上炉盖14，上炉盖14设置在热场结构本体1，并与炉桶7连接。

作为一种实施方式，坩埚4与坩埚支撑轴6之间设置有坩埚托盘9，坩埚4顶部设置有坩埚盖板10。

作为一种实施方式，热场结构本体1内部设置若干保温结构，包括顶部保温层11、底部保温层12以及侧上保温层13；底部保温层12，围绕坩埚支撑轴6设置在炉底盘8的底面上，且位于保温层5的底部；侧上保温层13，围绕坩埚4结构设置在保温层5的顶端；顶部保温层11，设置在上炉盖14的底部，且位于侧上保温层13的顶端。

作为一种实施方式，保温层5为石墨硬毡或氧化锆砖的硬质结构材质。

由以上技术方案可知，本申请实施例提供的蓝宝石热场结构，包括热场结构本体1、主加热器2和副加热器3，热场结构本体1内部设置有用于盛放籽晶的坩埚4；在热场结构本体1内，主加热器2以环绕的形式设置在坩埚4的外围，主加热器2的外围设置有保温层5，保温层5包括内保温层51和外保温层52，副加热器3设置在内保温层51和外保温层52之间的空腔中。本申请的技术方案中主加热器2构建长晶热场梯度，并通过将原有的保温层结构替换为保温层5加副加热器3的结构设计，在提供保温性能的同时可以通过副加热器3提供辅助热场梯度。通过主副加热器的协同作用，可以满足大公斤级晶体生长的热场梯度，提高蓝宝石热场结构的经济适用性能。

需要说明的是，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种蓝宝石热场结构，其特征在于，包括热场结构本体(1)、主加热器(2)和副加热器(3)，所述热场结构本体(1)内部设置有用于盛放籽晶的坩埚(4)；

在所述热场结构本体(1)内，所述主加热器(2)以环绕的形式设置在所述坩埚(4)的外围，所述主加热器(2)的外围设置有保温层(5)，所述保温层(5)包括内保温层(51)和外保温层(52)，所述副加热器(3)设置在所述内保温层(51)和外保温层(52)之间的空腔中。

2.根据权利要求1所述的蓝宝石热场结构，其特征在于，所述主加热器(2)和副加热器(3)顶部不等高错落设置；

所述主加热器(2)顶部靠近所述热场结构本体(1)的顶面设置；

所述副加热器(3)底部靠近所述热场结构本体(1)的底面设置。

3.根据权利要求1所述的蓝宝石热场结构，其特征在于，所述副加热器(3)为筒状结构，且沿筒壁的轴向两端设置相互错开的轴向开槽结构(31)，所述轴向开槽结构(31)沿筒壁周向均匀分布，相邻轴向开槽结构(31)之间的加热片(32)宽度保持一致。

4.根据权利要求1所述的蓝宝石热场结构，其特征在于，所述副加热器(3)沿筒壁的轴向两端设置温度梯度，且所述副加热器(3)的底部温度大于顶部温度。

5.根据权利要求1所述的蓝宝石热场结构，其特征在于，所述热场结构本体(1)还包括坩埚支撑轴(6)，所述坩埚支撑轴(6)设置在所述热场结构本体(1)的中轴线上；

所述保温层(5)的外围套设有炉桶(7)，所述炉桶(7)与设置在所述热场结构本体(1)底部的炉底盘(8)连接，所述炉底盘(8)与所述坩埚(4)通过所述坩埚支撑轴(6)支撑连接；

所述热场结构本体(1)还包括上炉盖(14)，所述上炉盖(14)设置在所述热场结构本体(1)，并与所述炉桶(7)连接。

6.根据权利要求5所述的蓝宝石热场结构，其特征在于，所述坩埚(4)与所述坩埚支撑轴(6)之间设置有坩埚托盘(9)，所述坩埚(4)顶部设置有坩埚盖板(10)。

7.根据权利要求5所述的蓝宝石热场结构，其特征在于，所述热场结构本体(1)内部设置若干保温结构，包括顶部保温层(11)、底部保温层(12)以及侧上保温层(13)；

所述底部保温层(12)，围绕所述坩埚支撑轴(6)设置在所述炉底盘(8)的底面上，且位于所述保温层(5)的底部；

所述侧上保温层(13)，围绕所述坩埚(4)结构设置在所述保温层(5)的顶端；

所述顶部保温层(11)，设置在所述上炉盖(14)的底部，且位于所述侧上保温层(13)的顶端。

8.根据权利要求1所述的蓝宝石热场结构，其特征在于，所述保温层(5)为石墨硬毡或氧化锆砖的硬质结构材质。

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