CN217600910U - 一种晶体用空心鸟笼加热器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及单晶生长设备技术领域，具体而言，涉及一种晶体用空心鸟笼加热器，一定程度上可以解决现有鸟笼加热器随着使用次数的增多，实心加热棒在冷热交替环境下发生形变而导致加热器变形的问题。本申请的鸟笼加热器，包括：多根空心加热棒和铜环；空心加热棒的形状为U型结构，U型结构包括空心加热棒底部、和与空心加热棒底部的两端相连接的两个空心加热棒侧壁；每根空心加热棒底部的内径从空心加热棒底部的两端向空心加热棒底部的中心逐渐减小；将每组空心加热棒底部相交组合形成鸟笼加热器，每组空心加热棒侧壁沿圆周方向均匀间隔分布；在鸟笼加热器的开口一端设置有用于紧固空心加热棒侧壁的铜环。

Description

一种晶体用空心鸟笼加热器

技术领域

本申请涉及单晶生长设备技术领域，具体而言，涉及一种晶体用空心鸟笼加热器。

背景技术

蓝宝石是一种氧化铝的单晶，晶格结构独特，耐磨且抗风蚀，硬度仅次于金刚石，具有良好的透光性、特传导性、电气绝缘性，是一种理想的衬底材料。随着蓝宝石市场的迅速发展，要求生长出高质量、大尺寸、低成本、性能稳定的单晶，这对蓝宝石单晶生长设备及技术提出了更高要求。

蓝宝石晶体生长有多种方法，目前为商家普遍采用的方法主要为泡生法，其原理是：在设置有加热器的炉筒内，先将原料加热至熔点后熔化形成熔体；再以单晶的籽晶接触到熔体表面，在籽晶与熔体的固液界面上开始生长和籽晶相同单晶体结构的单晶，籽晶以缓慢的速度往上提升；在籽晶向上提升一段时间后形成晶颈，待熔体与籽晶界面的凝固速率稳定后，籽晶不在提拉，仅以降低功率来控制冷却速率的方式使单晶从上方逐渐往下凝固，最后形成一个完整的单晶晶锭。

泡生法蓝宝石晶体生长用加热器多为鸟笼状钨棒加热器，长晶过程中炉筒内温度需维持在约2000°。但随着鸟笼状钨棒加热器使用次数的增多，钨棒在冷热交替环境下会发生形变，导致加热器变形，这将造成：炉筒内热场温度梯度发生变化，晶体产出率下降；加热器因变形而与坩埚接触，极易造成短路闷炉；同时，由于金属钨的材料价格昂贵，使得加热器制造成本高。

实用新型内容

为了解决现有鸟笼加热器随着使用次数的增多，实心加热棒在冷热交替环境下会发生形变而导致加热器变形的问题，本申请提供了一种晶体用空心鸟笼加热器。

本申请的实施例是这样实现的：

本申请实施例提供一种晶体用空心鸟笼加热器，包括多根空心加热棒和铜环；

所述空心加热棒的形状为U型结构，所述U型结构包括空心加热棒底部、和与所述空心加热棒底部的两端相连接的两个空心加热棒侧壁；每根所述空心加热棒底部的内径从所述空心加热棒底部的两端向所述空心加热棒底部的中心逐渐减小；

将多根所述空心加热棒均分为至少两组，每组中相邻所述空心加热棒底部之间相互平行且间距相等；将每组所述空心加热棒底部相交组合形成所述鸟笼加热器，每组所述空心加热棒侧壁沿圆周方向均匀间隔分布；

在所述鸟笼加热器的开口一端设置有用于紧固所述空心加热棒侧壁的所述铜环。

在一些实施例中，将多根所述空心加热棒均分为三组，每组中相邻所述空心加热棒底部之间相互平行且间距相等；

将三组所述空心加热棒底部按照上、中、下三层进行层叠相交形成所述鸟笼加热器。

在一些实施例中，将多根所述空心加热棒底部相交组合形成鸟笼加热器，各所述空心加热棒底部的中心与所述鸟笼加热器的中心轴线重合，各所述空心加热棒侧壁沿圆周方向均匀间隔分布。

在一些实施例中，所述鸟笼加热器放置在炉筒中，所述鸟笼加热器与所述炉筒底壁之间设置有底保温层、所述鸟笼加热器与所述炉筒内侧壁之间设置有侧保温层；

坩埚放置在所述加热器中，所述坩埚的上部从下而上设置有中保温层和上保温层；

所述坩埚底部连接支撑杆一端，所述支撑杆另一端依次贯穿所述鸟笼加热器的底部和所述底保温层并延伸至所述炉筒底壁、并与所述炉筒底壁连接。

在一些实施例中，所述底保温层与所述炉筒底壁之间设置有底部锆砖，所述坩埚底部连接所述支撑杆一端，所述支撑杆另一端依次贯穿所述加热器底部、所述底保温层和所述底部锆砖再延伸至所述炉筒底壁、并与所述炉筒底壁连接。

在一些实施例中，所述炉筒的中轴线、所述坩埚的中轴线、和所述鸟笼加热器的中轴线均重合。

在一些实施例中，所述空心加热棒的材质为钨，所述空心加热棒的外径为5mm-8mm、内径为1mm-4mm。

在一些实施例中，所述铜环的直径为700mm-850mm，所述空心加热棒的材质为钼或钨钼合金。

在一些实施例中，所述空心加热棒被折弯形成所述U型结构、且折弯处的弯曲半径为 10mm-40mm。

在一些实施例中，所述铜环包括两个半圆环，两个所述半圆环开口相对紧固所述空心加热棒侧壁。

本申请的有益效果：通过使用多根空心加热棒构成鸟笼加热器，由于空心加热棒的截面积变小，相同电流条件下空心加热棒的发热量变大，可实现降低能耗的效果；进一步通过利用空心加热棒构建鸟笼加热器，由于空心加热棒在受热时不易变形，实现提高鸟笼加热器使用寿命的效果；进一步通过设置每根所述空心加热棒底部的内径从空心加热棒底部的两端向空心加热棒底部的中心逐渐减小，使得鸟笼加热器的底部中心温度减小，解决了鸟笼加热器底部中心温度过高的问题，实现晶体保持以微凸的方式完成生长，防止界面翻转及底部倒扣碗状气泡的形成，提高晶体质量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一个或多个实施例的所示出的空心加热棒剖面图；

图2为现有技术中的实心钨棒与本申请的空心钨棒的截面对比图；

图3为本申请一个或多个实施例的所示出的泡生法生长晶体用炉筒的结构示意图；

图示说明：

其中，10-空心加热棒、11-空心加热棒底部、12-空心加热棒侧壁；2-鸟笼加热器；30- 炉筒、31-底保温层、32-侧保温层、33-中保温层、34-上保温层、35-坩埚、36-支撑杆、37-底部锆砖。

具体实施方式

为使本申请的目的、实施方式和优点更加清楚，下面将结合本申请示例性实施例中的附图，对本申请示例性实施方式进行清楚、完整地描述，显然，所描述的示例性实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，本申请中对于术语的简要说明，仅是为了方便理解接下来描述的实施方式，而不是意图限定本申请的实施方式。除非另有说明，这些术语应当按照其普通和通常的含义理解。

本申请中说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别类似或同类的对象或实体，而不必然意味着限定特定的顺序或先后次序，除非另外注明。应该理解这样使用的用语在适当情况下可以互换。

术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖但不排他的包含，例如，包含了一系列组件的产品或设备不必限于清楚地列出的所有组件，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它组件。

术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请的晶体用空心鸟笼加热器包括多根空心加热棒10和铜环，空心加热棒10的形状为U型结构，U型结构包括空心加热棒底部11、和与空心加热棒底部11的两端相连接的两个空心加热棒侧壁12。

在一些实施例中，将多根空心加热棒10均分为至少两组，每组中相邻空心加热棒底部11之间相互平行且间距相等；将每组空心加热棒底部11相交组合形成鸟笼加热器2，每组空心加热棒侧壁12沿圆周方向均匀间隔分布，并在鸟笼加热器2的开口一端设置有用于紧固空心加热棒侧壁12的铜环。

在一些实施例中，铜环包括两个半圆环，两个半圆环开口相对紧固空心加热棒侧壁。

图1所示为本申请示例性地示出了的空心加热棒剖面图。

如图1所示每根空心加热棒底部11的内径从空心加热棒底部11的两端向空心加热棒底部11的中心逐渐减小，也就是将空心加热棒底部11设计有两个相对的微锥形内腔。

空心加热棒底部11的内径从两端向底部中心逐渐减小，则空心加热棒底部11的温度从空心加热棒底部11的两端向空心加热棒底部11的中心逐渐减小，如此可避免鸟笼加热器2底部中心温度过高的问题，可以使晶体保持以微凸的方式完成生长，防止界面翻转及底部倒扣碗状气泡的形成，提高晶体质量。

在一些实施例中，将多根空心加热棒10均分为三组，每组中相邻空心加热棒底部11 之间相互平行且间距相等；将三组空心加热棒底部11按照上、中、下三层进行层叠相交形成鸟笼加热器2，在鸟笼型加热器的开口一端设置有用于紧固空心加热棒侧壁12的铜环。

如图2所示出的为现有技术中的实心钨棒与本申请的空心钨棒的截面对比图。

在一些实施例中，空心加热棒10的材质为钨，空心加热棒10的外径为5mm-8mm、内径为1mm-4mm。空心加热棒10的材质为钼或钨钼合金。

空心加热棒10被折弯形成U型结构、且折弯处的弯曲半径为10mm-40mm。

在一些实施例中，铜环的直径为700mm-850mm。用于紧固多根空心加热棒侧壁12的铜环至少有一个，位于鸟笼加热器2的开口端附近，当然铜环的数量也可为两个，分别套设在鸟笼加热器2的开口附近和底部附近，铜环的数量也可为三个，分别套设在鸟笼加热器2的开口附近、中间部位和底部附近。

除了将空心加热棒10分为两组或三组后进行相交组合，还可以将多根空心加热棒底部11相交组合形成鸟笼型加热器，各空心加热棒底部11的中心与鸟笼加热器2的中心轴线重合，各空心加热棒侧壁12沿圆周方向均匀间隔分布。

图3所示为本申请一个或多个实施例的所示出的泡生法生长晶体用炉筒的结构示意图。

如图3所示，在使用时，将鸟笼加热器2放置在炉筒30中，加热器与炉筒30底壁之间设置有底保温层31、加热器与炉筒30内侧壁之间设置有侧保温层32；盛放中心原料熔体的坩埚35放置在加热器中，坩埚35上部从下而上设置有中保温层33和上保温层34；坩埚35 底部连接支撑杆36一端，支撑杆36另一端依次贯穿加热器底部和底保温层31并延伸至炉筒30底壁、并与炉筒30底壁连接。

在一些实施例中，为提高炉筒30的耐火型，在底保温层31与炉筒30底壁之间设置有底部锆砖37，坩埚35底部连接支撑杆36一端，支撑杆36另一端依次贯穿加热器底部、底保温层31和底部锆砖37再延伸至炉筒30底壁、并与炉筒30底壁连接。其中，炉筒30的中轴线、坩埚35的中轴线、和鸟笼加热器2的中轴线均重合。

在一些实施例中，本申请的鸟笼加热器2采用空心加热棒10可降低能耗。

根据电阻计算公式：

R＝ρL/S

其中：R为电阻，ρ为电阻率，L通流长度，S通流截面积。

经计算实心加热棒的通流截面积S₁＝π(D₁/2)²，空心加热棒10的通流截面积S₂＝π(D₁/2) ²-π(D₂/2)²，对比可见S₁＞S₂。由于电阻与通流截面积成反比，因此空心加热棒10的电阻要比实心加热棒的大。

再根据相应的发热量计算公式：Q＝I²R，可知，相同电流条件下空心加热棒10的发热量要大于实心发热棒的发热量，因此，空心加热棒10能够降低能耗。本申请的空心加热棒10 的通流长度L(即空心钨棒长度)根据生产需要是可调节的。

在一些实施例中，空心加热棒10可提高加热器使用寿命。

由于金属的热膨胀系数和金属本身材质有关，与形状无关，而空心加热棒10在被加热后膨胀方向可以向其中心以其及外部延生，而实心加热棒受热膨胀后只能向其外部膨胀，因此空心加热棒10比实心加热棒更不易变形。

在一些实施例中，空心加热棒10更节省材料。

钨的理论密度按19.3g/cm3计算，则空心钨棒要比实心钨棒节省4％-25％的钨材料。

在一些实施例中，空心加热棒10由于电阻增大，增加了鸟笼加热器2底部的发热量，亦增大底部径向温度梯度，便于晶体收尾提脱。

在一些实施例中，空心加热棒10在外径不变的情况下，可以通过调整空心加热棒10的内径来改变发热体局部发热量(如需发热量大，则减小内径；如需发热量小，则增大内径)，达到改变热场温度梯度的效果。

本申请通过使用多根空心加热棒10构成鸟笼加热器2，由于空心加热棒10的截面积变小，相同电流条件下空心加热棒10的发热量变大，可实现降低能耗的效果；进一步通过利用空心加热棒构建鸟笼加热器，由于空心加热棒10在受热时不易变形，实现提高鸟笼加热器2使用寿命的效果；进一步通过设置每根空心加热棒底部11的内径从空心加热棒底部11的两端向空心加热棒底部11的中心逐渐减小，使得鸟笼加热器2的底部中心温度减小，解决了鸟笼加热器2底部中心温度过高的问题，可使晶体保持以微凸的方式完成生长，防止界面翻转及底部倒扣碗状气泡的形成，提高晶体质量。

为了方便解释，已经结合具体的实施方式进行了上述说明。但是，上述在一些实施例中讨论不是意图穷尽或者将实施方式限定到上述公开的具体形式。根据上述的教导，可以得到多种修改和变形。上述实施方式的选择和描述是为了更好的解释原理以及实际的应用，从而使得本领域技术人员更好的使用实施方式以及适于具体使用考虑的各种不同的变形的实施方式。

Claims (10)

1.一种晶体用空心鸟笼加热器，其特征在于，包括多根空心加热棒和铜环；

所述空心加热棒的形状为U型结构，所述U型结构包括空心加热棒底部、和与所述空心加热棒底部的两端相连接的两个空心加热棒侧壁；每根所述空心加热棒底部的内径从所述空心加热棒底部的两端向所述空心加热棒底部的中心逐渐减小；

将多根所述空心加热棒均分为至少两组，每组中相邻所述空心加热棒底部之间相互平行且间距相等；将每组所述空心加热棒底部相交组合形成所述鸟笼加热器，每组所述空心加热棒侧壁沿圆周方向均匀间隔分布；

在所述鸟笼加热器的开口一端设置有用于紧固所述空心加热棒侧壁的所述铜环。

2.根据权利要求1所述的晶体用空心鸟笼加热器，其特征在于，

将多根所述空心加热棒均分为三组，每组中相邻所述空心加热棒底部之间相互平行且间距相等；

将三组所述空心加热棒底部按照上、中、下三层进行层叠相交形成所述鸟笼加热器。

3.根据权利要求1所述的晶体用空心鸟笼加热器，其特征在于，将多根所述空心加热棒底部相交组合形成鸟笼加热器，各所述空心加热棒底部的中心与所述鸟笼加热器的中心轴线重合，各所述空心加热棒侧壁沿圆周方向均匀间隔分布。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的晶体用空心鸟笼加热器，其特征在于，所述鸟笼加热器放置在炉筒中，所述鸟笼加热器与所述炉筒底壁之间设置有底保温层、所述鸟笼加热器与所述炉筒内侧壁之间设置有侧保温层；

坩埚放置在所述加热器中，所述坩埚的上部从下而上设置有中保温层和上保温层；

所述坩埚底部连接支撑杆一端，所述支撑杆另一端依次贯穿所述鸟笼加热器的底部和所述底保温层并延伸至所述炉筒底壁、并与所述炉筒底壁连接。

5.根据权利要求4所述的晶体用空心鸟笼加热器，其特征在于，所述底保温层与所述炉筒底壁之间设置有底部锆砖，所述坩埚底部连接所述支撑杆一端，所述支撑杆另一端依次贯穿所述加热器底部、所述底保温层和所述底部锆砖再延伸至所述炉筒底壁、并与所述炉筒底壁连接。

6.根据权利要求5所述的晶体用空心鸟笼加热器，其特征在于，所述炉筒的中轴线、所述坩埚的中轴线、和所述鸟笼加热器的中轴线均重合。

7.根据权利要求1所述的一种晶体用空心鸟笼加热器，其特征在于，所述空心加热棒的材质为钨，所述空心加热棒的外径为5mm-8mm、内径为1mm-4mm。

8.根据权利要求7所述的一种晶体用空心鸟笼加热器，其特征在于，所述铜环的直径为700mm-850mm，所述空心加热棒的材质为钼或钨钼合金。

9.根据权利要求1所述的晶体用空心鸟笼加热器，其特征在于，所述空心加热棒被折弯形成所述U型结构、且折弯处的弯曲半径为10mm-40mm。

10.根据权利要求1所述的晶体用空心鸟笼加热器，其特征在于，所述铜环包括两个半圆环，两个所述半圆环开口相对紧固所述空心加热棒侧壁。

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