本發(fā)明涉及一種用于晶體生長的溫場系統(tǒng)，具體地說是一種適用于熔點在2000℃以上的、有效維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的大尺寸晶體生長用溫場系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著社會經(jīng)濟(jì)以及科技的發(fā)展，各種寶石晶體的需求也越來越廣泛。以藍(lán)寶石晶體為例，近年來，隨著紅外技術(shù)、微電子技術(shù)、光電子技術(shù)的迅速發(fā)展，藍(lán)寶石晶體憑借其獨特的晶格結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定的物化特性以及優(yōu)異的光學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)性能，再加上可在接近2000℃高溫的惡劣條件下工作的優(yōu)勢，正逐漸成為新一代半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)主流的襯底材料，另外也是重要的紅外窗口材料和當(dāng)下智能手機(jī)面板和鏡頭以及智能手表表鏡的首選材料，市場需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長態(tài)勢，這也牽動了藍(lán)寶石生長技術(shù)的快速發(fā)展，使之成為晶體生長領(lǐng)域的研究熱點。

目前泡生法藍(lán)寶石單晶的產(chǎn)量約占市場份額的70％以上，處于主流優(yōu)勢地位。隨著可穿戴設(shè)備對藍(lán)寶石材料需求的迅速增長，使藍(lán)寶石晶體的生產(chǎn)企業(yè)從2010年開始急劇擴(kuò)張，藍(lán)寶石晶體級別也由原來的30kg級逐漸成熟到目前的60kg和80kg級別，但現(xiàn)有技術(shù)中，100kg級以上大尺寸藍(lán)寶石晶體生長技術(shù)仍不成熟，良率較低。究其原因，藍(lán)寶石晶體生長溫度約為2050℃，溫場系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性是保證藍(lán)寶石晶體良率的關(guān)鍵，由于泡生法生長藍(lán)寶石晶體的溫場系統(tǒng)中大量使用鎢鉬材料，造價高，能耗較大，同時，由于藍(lán)寶石晶體的生長過程中具有高溫、高真空、生長周期長等特點，經(jīng)常會導(dǎo)致鎢、鉬材料的揮發(fā)和變形，使溫場系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重變形或者拆裝困難等問題，增加了生產(chǎn)及維護(hù)成本，縮短了溫場系統(tǒng)的使用壽命，另外鎢鉬材料的揮發(fā)也嚴(yán)重影響溫場的穩(wěn)定性和對稱性，可重復(fù)性差，造成藍(lán)寶石晶體的良率低下和晶體質(zhì)量的參差不齊，更不適宜進(jìn)行100kg級以上大尺寸藍(lán)寶石晶體的生產(chǎn)，嚴(yán)重制約了藍(lán)寶石的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展及市場應(yīng)用的擴(kuò)展。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種大尺寸晶體生長用溫場系統(tǒng)，利用泡生法生長大尺寸晶體，能夠有效提高溫場系統(tǒng)的穩(wěn)定性和使用壽命， 可重復(fù)性好，大幅提高了晶體的良率和品質(zhì)，適宜100kg級以上泡生法大尺寸晶體的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：

一種大尺寸晶體生長用溫場系統(tǒng)，包括吊筒、發(fā)熱體、電極、坩堝、坩堝蓋組件﹑底屏和頂屏，其中所述發(fā)熱體、坩堝﹑底屏和頂屏均設(shè)置于所述吊筒中，且所述發(fā)熱體設(shè)置于所述坩堝外側(cè)，在所述吊筒上端設(shè)有電極，所述發(fā)熱體與所述電極相連，所述坩堝蓋組件設(shè)置于所述坩堝上，所述頂屏設(shè)置于所述坩堝蓋組件的上側(cè)，所述吊筒包括基座和筒壁，所述底屏設(shè)置于吊筒內(nèi)的基座上，在所述吊筒的基座和筒壁內(nèi)布滿氧化鋯制的結(jié)構(gòu)支承件。

所述吊筒的基座中部設(shè)有一個底座，在所述底座上安裝有一個支柱，所述支柱依次穿過所述底屏和發(fā)熱體后與所述坩堝相抵。

所述支柱與所述底座間為螺紋連接，在所述支柱上端設(shè)有托盤，所述坩堝設(shè)置在所述托盤上。

所述吊筒的筒壁內(nèi)側(cè)依次設(shè)有不同材質(zhì)的第一護(hù)筒和第二護(hù)筒，其中所述第一護(hù)筒為鉬筒，所述第二護(hù)筒為鎢筒。

所述發(fā)熱體包括多根鎢桿，每根鎢桿均彎制成開口向上的U型，各根鎢桿的開口端排列成環(huán)狀并通過兩個金屬半環(huán)固定，所述兩個金屬半環(huán)分別與吊筒上端的不同的電極相連，所述各根鎢桿的側(cè)部由上至下等間距地設(shè)有多層加固金屬環(huán)，每層加固金屬環(huán)均包括兩個半環(huán)。

所述發(fā)熱體的底部等間距地設(shè)有多層加熱層，每層加熱層均包括多根交叉設(shè)置形成網(wǎng)狀的鎢桿。

所述坩堝蓋組件包括單片坩堝蓋和多層坩堝蓋，在所述坩堝的上沿均布有多個隔墊，所述單片坩堝蓋放置于隔墊上，所述多層坩堝蓋放置于所述單片坩堝蓋上。

所述多層坩堝蓋包括多層等間距設(shè)置的蓋屏，在每層蓋屏的中心處均設(shè)有開孔，且每層蓋屏的中心開孔直徑由上到下依次減小，且所述多層坩堝蓋的最下面的1～3層蓋屏為鎢層，其余層為鉬層。

所述頂屏包括多層單屏，每層單屏的中心分別設(shè)有直徑相同的開孔；所述頂屏通過吊具吊裝，所述吊具包括吊板和螺釘，螺釘安裝在所述吊板上，頂屏設(shè)置于所述吊板下方并安裝在所述螺釘上，所述吊板設(shè)置于吊筒上端的電極上，在吊板和電極之間設(shè)有絕緣墊塊；所述電極安裝在吊筒上端，在所述電極下側(cè)設(shè)有電極保護(hù)屏。

所述底屏包括多層等間距設(shè)置的單屏，且所述底屏最上面的1～3層為鎢層，其余層為鉬層。

本發(fā)明的優(yōu)點與積極效果為：

1、本發(fā)明在吊筒的基座和筒壁內(nèi)使用了氧化鋯材質(zhì)的結(jié)構(gòu)支承件對筒內(nèi)進(jìn)行保溫，由于氧化鋯熱熔較鎢鉬材料大，溫場慣性大，因此使得溫度變化平緩，有利于減少晶體的熱應(yīng)力，提高晶體的良率和品質(zhì)，適宜100kg級以上泡生法大尺寸晶體的生長，而且能夠有效減少能耗，另外由于氧化鋯處于低溫區(qū)，揮發(fā)少，也有效減少了雜質(zhì)揮發(fā)的影響。

2、本發(fā)明內(nèi)在吊筒內(nèi)側(cè)依次設(shè)有第一護(hù)筒和第二護(hù)筒，所述第一護(hù)筒為鉬筒，所述第二護(hù)筒為鎢筒，雙層護(hù)筒的設(shè)置有效減少溫場系統(tǒng)變形，提高了整個溫場系統(tǒng)的穩(wěn)定性和使用壽命，降低生產(chǎn)及維護(hù)成本，可重復(fù)性好。

3、本發(fā)明的的坩堝蓋組件包括單片坩堝蓋和多層坩堝蓋，其中所述多層坩堝蓋包括多層等間距設(shè)置的蓋屏，在每層蓋屏的中心處均設(shè)有開孔，且每層蓋屏的中心開孔直徑由上到下依次減小，這樣在坩堝蓋組件的中心處便形成了一個由上至下直徑不斷縮小的圓孔，所述圓孔利于形成長晶生長所需的溫度梯度，也便于觀察。

4、本發(fā)明坩堝蓋組件中的多層坩堝蓋的最下面的1～3層蓋屏為鎢層，其余層為鉬層，有效防止變形。

5、本發(fā)明底屏最上面的1～3層為鎢層，其余層為鉬層，有效防止變形。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，

圖2為圖1中的A處放大示意圖。

其中，1為基座底板，2為底座，3為吊筒，4為支柱，5為基座，6為基座頂板，7為第二護(hù)筒，8為第一護(hù)筒，9為底屏，10為筒壁，11為發(fā)熱體，12為電極，13為電極保護(hù)屏，14為托盤，15為坩堝，16為隔墊，17為單片坩堝蓋，18為多層坩堝蓋，19為頂屏，20為連接件，21為連接件，22為吊具，23為側(cè)板。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。

如圖1所示，本發(fā)明包括吊筒3、發(fā)熱體11、電極12、坩堝15、坩堝蓋組件﹑底屏9和頂屏19，其中所述發(fā)熱體11、坩堝15﹑底屏9和頂屏19均設(shè)置于所述吊筒3中，且所述發(fā)熱體11設(shè)置于所述坩 堝15外側(cè)，在所述吊筒3上端設(shè)有電極12，所述發(fā)熱體11與所述電極12相連通電并給所述坩堝15加熱，所述吊筒3包括基座5和筒壁10，所述底屏9設(shè)置于吊筒3內(nèi)的基座5上，在所述吊筒3的基座5中部設(shè)有一個支柱4，所述支柱4依次穿過所述底屏9和發(fā)熱體11后支承所述坩堝15，所述坩堝蓋組件設(shè)置于所述坩堝15上，所述頂屏19設(shè)置于所述坩堝蓋組件的上側(cè)。在所述支柱4上端設(shè)有托盤14，所述坩堝15安裝在所述托盤14上，本實施例中，所述坩堝15為鎢坩堝，壁厚為10～30mm，底厚20～60mm，坩堝15內(nèi)壁需拋光處理，所述支柱4和托盤14由純鎢或純鉬材料制成。

在所述吊筒3的基座5和筒壁10內(nèi)充滿氧化鋯制成的結(jié)構(gòu)支承件，如氧化鋯制成的磚或碎料，如圖1所示，所述基座5包括基座底板1、基座頂板6、側(cè)板23和底座2，其中底座2設(shè)置在基座5中部用于支承所述支柱4，所述支柱4與所述底座2間為螺紋連接，在所述基座底板1、基座頂板6、側(cè)板23和底座2之間的空腔內(nèi)均勻布滿氧化鋯制成的磚或碎料。本實施例中，所述基座底板1和基座頂板6為鉬板，側(cè)板23為不銹鋼板，所述底座2由純鉬材料制成，可以用來隔熱和防變形，起到保護(hù)作用。

如圖1所示，所述吊筒3的筒壁10包括護(hù)板、第一護(hù)筒8和第二護(hù)筒7，其中所述護(hù)板設(shè)置于筒壁10外側(cè)，在筒壁10內(nèi)側(cè)設(shè)有第一護(hù)筒8，在所述護(hù)板和第一護(hù)筒8之間均勻布滿氧化鋯制成的結(jié)構(gòu)支承件，如氧化鋯制成的磚或碎料，在所述第一護(hù)筒8內(nèi)側(cè)設(shè)有第二護(hù)筒7，所述第一護(hù)筒8和第二護(hù)筒7為不同材質(zhì)的護(hù)筒，其中所述第一護(hù)筒8為鉬筒，所述第二護(hù)筒7為鎢筒，不同材質(zhì)的雙層護(hù)筒設(shè)置能夠有效減小溫場系統(tǒng)變形，所述筒壁10外側(cè)的護(hù)板為不銹鋼板。

如圖1所示，在所述坩堝15的外側(cè)設(shè)有呈鳥籠狀的發(fā)熱體11，所述發(fā)熱體11包括多根鎢桿，每根鎢桿均彎制成開口向上的U型，沿著所述發(fā)熱體11的軸向看去，所述各根鎢桿同軸設(shè)置且等角度分布，這樣各根鎢桿的開口端便排列成環(huán)狀并分別通過兩個金屬半環(huán)固定，本實施例中，所述金屬半環(huán)為銅半環(huán)，在各根鎢桿的側(cè)部由上至下等間距地設(shè)有多層加固金屬環(huán)，每層加固金屬環(huán)均包括兩個半環(huán)，且兩個半環(huán)分別與鎢桿開口端不同的金屬半環(huán)同側(cè)，本實施例中，每層加固金屬環(huán)包括兩個鎢制半環(huán)，為了增大發(fā)熱量并形成長晶所需的溫度梯度，在所述發(fā)熱體11的底部等間距地設(shè)有多層加熱層，每層加熱層均包括多根交叉設(shè)置形成網(wǎng)狀的鎢桿。本實施例中，所述發(fā)熱 體11包括20～50根直徑為3～15mm的鎢桿，所述加固金屬環(huán)的層數(shù)為3～8層，在發(fā)熱體11內(nèi)的底部設(shè)置2～5層加熱層，所述坩堝15外壁與發(fā)熱體11保持5～30mm的等間距。

所述電極12安裝在吊筒3上端，所述發(fā)熱體11開口端的兩個金屬半環(huán)分別與吊筒3上端的不同的電極12相連通電，在所述電極12下側(cè)設(shè)有電極保護(hù)屏13，本實施例中，所述電極12為銅電極，所述電極保護(hù)屏13為鉬材質(zhì)。

如圖1～2所示，所述坩堝蓋組件包括單片坩堝蓋17和多層坩堝蓋18，在所述坩堝15的上沿均布有多個隔墊16，所述單片坩堝蓋17放置于隔墊16上，所述多層坩堝蓋18放置于所述單片坩堝蓋17上，其中所述單片坩堝蓋17為中心開孔的板狀，所述單片坩堝蓋17和隔墊16均由純鎢材料制成。如圖2所示，所述多層坩堝蓋18包括多層等間距設(shè)置的蓋屏和連接件20，各層蓋屏均焊接在所述連接件20上，在每層蓋屏的中心處均設(shè)有開孔，且如圖1所示，每層蓋屏的中心開孔直徑由上到下依次減小，這樣在坩堝蓋組件的中心處便形成了一個由上至下直徑不斷縮小的圓孔，所述圓孔利于形成長晶生長所需的溫度梯度，也便于觀察，所述多層坩堝蓋18最下面的蓋屏的中心孔直徑應(yīng)不小于所述單片坩堝蓋17的直徑，另外為防止變形，所述多層坩堝蓋18的最下面的1～3層蓋屏為鎢層，其余層為鉬層。本實施例中，在所述坩堝15的上沿設(shè)有2～10個隔墊16，所述單片坩堝蓋17的厚度為2～10mm，所述多層坩堝蓋18的各層蓋屏等間距設(shè)置，間距為2～15mm,每層蓋屏的厚度為0.5～3mm。

如圖1所示，所述頂屏19位于發(fā)熱體11上端的中心位置，所述頂屏19包括多層單屏，每層單屏的中心分別設(shè)有直徑相同的開孔，本實施例中，各層單屏均由純鎢或純鉬材料制成。如圖1所示，所述頂屏19通過吊具22吊裝，所述吊具22包括吊板和螺釘，螺釘安裝在所述吊板上，頂屏19設(shè)置于所述吊板下方并安裝在所述螺釘上，所述吊板設(shè)置于吊筒3上端的電極12上，在吊板和電極12之間設(shè)有絕緣墊塊以防止導(dǎo)電，本實施例中，所述吊具22的吊板為不銹鋼板，吊具22的螺釘為純鉬材料制成的螺釘，所述絕緣墊塊為氧化鋁或石英墊塊。

如圖1所示，所述底屏9設(shè)置于所述吊筒3內(nèi)的基座5上，所述底屏9包括多層等間距設(shè)置的單屏和連接件21，各層單屏均焊接在所述連接件21上，為防止變形，所述底屏9最上面的1～3層為鎢層， 其余層為鉬層，本實施例中，所述底屏9的單屏層數(shù)為1～30層，其中最上面的1～3層鎢層的厚度為1～5mm，其余鉬層的厚度為0.5～3mm，相鄰兩層單屏之間保持2～10mm的等間距。

本發(fā)明的工作原理為：

如圖1～2所示，坩堝15設(shè)置于發(fā)熱體11內(nèi)，所述發(fā)熱體11與電極12相連通電給坩堝15加熱，所述坩堝蓋組件設(shè)置于所述坩堝15上，在所述坩堝蓋組件的中部設(shè)有由上至下直徑不斷縮小的圓孔，既利于形成長晶生長所需的溫度梯度，也便于觀察，在所述吊筒3的基座5和筒壁3內(nèi)均設(shè)有氧化鋯材質(zhì)的磚或碎料對筒內(nèi)進(jìn)行保溫，在筒壁3內(nèi)側(cè)還依次設(shè)有不同材料的第一護(hù)筒8和第二護(hù)筒7，進(jìn)一步防止設(shè)備變形，提高設(shè)備使用壽命。