本實(shí)用新型涉及一種全新的藍(lán)寶石晶體生長熱場的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，屬于LED晶體生長領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

藍(lán)寶石晶體生長方法有熔焰法、區(qū)熔法、坩堝移動(dòng)法、提拉法、導(dǎo)模法、溫度梯度法、熱交換法和泡生法等，其中，泡生法市場占有率達(dá)80％以上。但是，上述方法都存在各自的缺點(diǎn)和局限性，較難滿足未來藍(lán)寶石晶體的大尺寸、高質(zhì)量、低成本發(fā)展需求。熔焰法和區(qū)熔法生長的晶體質(zhì)量和尺寸都受到限制，難以滿足光學(xué)器件的高性能要求；熱交換法、溫度梯度法和泡生法等方法生長的藍(lán)寶石晶體尺寸大，可以生長質(zhì)量較高的單晶。但熱交換法需要氦氣作冷卻劑，且籽晶發(fā)育過程及生長初期無法控制缺陷，晶體生長過程容易發(fā)生滑移，產(chǎn)生小角度晶界等缺陷，良品率較低；溫度梯度法生長的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，操作方便，無機(jī)械擾動(dòng)，界面穩(wěn)定，成品率高，可生長C軸晶體缺點(diǎn)是尺寸小，溫場不易均勻，晶體需后續(xù)退火處理，周期長，坩堝強(qiáng)制作用顯著，坯料的后續(xù)處理工藝比較復(fù)雜、成本高，晶體存在較為嚴(yán)重的晶界等缺陷，良率低，成本高，不利于規(guī)?；a(chǎn)。提拉法的優(yōu)點(diǎn)是晶體生長情況方便觀察，縮頸工藝晶體完整性比較好，不受坩堝的強(qiáng)制作用，而缺點(diǎn)是晶體尺寸小，缺陷較多，易受到機(jī)械振動(dòng)的影響，熔體不規(guī)則對(duì)流，晶體需后續(xù)退火處理，周期長，成本高；

泡生法的優(yōu)點(diǎn)是熔體無強(qiáng)制對(duì)流影響，晶體處于熔體中自發(fā)生長，可以精確控制生長速率和冷卻速度，晶體質(zhì)量高，晶體完整性較好，可實(shí)現(xiàn)原位退火。而目前泡生法普遍缺點(diǎn)是擴(kuò)肩及生長過程不可目視，易受到溫度波動(dòng)的影響，晶體質(zhì)量受熱場結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響較大，容易發(fā)生粘鍋、開裂、起泡等問題。全金屬熱場使用壽命短，且金屬易發(fā)生變形，穩(wěn)定性和重復(fù)性較差，導(dǎo)致熱場溫度梯度變化，成晶率較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中熱場溫度梯度變化，成晶率較低的不足，本實(shí)用新型提供一種新型節(jié)能藍(lán)寶石長晶熱場的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，提供了一種全新的藍(lán)寶石長晶熱場結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)，通過熱場結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、保溫材料更換，使得熱場穩(wěn)定性和重復(fù)性大幅度提升，提高晶體質(zhì)量和良率，將能耗和生產(chǎn)成本降至最低，并增加了超高溫晶體生長爐的安全性。

本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所要采用的技術(shù)方案是：一種新型節(jié)能藍(lán)寶石長晶熱場的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，包括從內(nèi)到外依次設(shè)置的鎢坩堝、鳥籠式加熱器和保溫結(jié)構(gòu)，所述保溫結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在加熱器開口上的上保溫、設(shè)置在加熱器側(cè)壁外側(cè)的側(cè)保溫以及從上到下設(shè)置在加熱器下方的下保溫和底保溫。

本實(shí)用新型采用的加熱器設(shè)計(jì)是鳥籠式加熱器，加熱器鎢桿分為縱向鎢桿和軸向鎢桿。其中，縱向鎢桿又分為高溫區(qū)鎢桿和低溫區(qū)鎢桿。設(shè)計(jì)高溫區(qū)鎢桿直徑，其范圍為5mm-8mm，低溫區(qū)鎢桿直徑為6mm-8mm，軸向鎢桿直徑為5mm-10mm。根據(jù)熱場實(shí)際情況，可分別調(diào)整各區(qū)域鎢桿直徑，以達(dá)到調(diào)整熱場縱/徑向溫度梯度的目的。

本實(shí)用新型中涉及的保溫材料包括氧化鋯纖維制品、氧化鋯陶瓷制品、氧化鋯空心球制品、鎢/鉬金屬制品。根據(jù)各種材料的使用溫度、荷軟溫度、導(dǎo)熱率、反射率、熱容量、高溫?fù)]發(fā)、熱承壓性能等參數(shù)，綜合設(shè)計(jì)熱場保溫結(jié)構(gòu)。其中，本實(shí)用新型首次采用三種物理形態(tài)的氧化鋯材料，并將三種材料進(jìn)行獨(dú)特結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為一個(gè)整體，制備成熱場保溫材料。

本實(shí)用新型中采用的鎢坩堝外形設(shè)計(jì)為圓柱狀，內(nèi)壁形狀設(shè)計(jì)為圓臺(tái)形，內(nèi)壁與外壁之間的夾角α控制在1.1°-1.8°之間。坩堝底部與內(nèi)壁以圓弧鏈接，圓弧直徑控制30mm-80mm之間。坩堝徑高比控制在0.6-1之間。坩堝內(nèi)外壁夾角設(shè)計(jì)可調(diào)整晶體生長的外形；坩堝圓弧角度設(shè)計(jì)可調(diào)整熔體對(duì)流分布；坩堝徑高比設(shè)計(jì)可改善晶體生長外形及熔體對(duì)流分布。

本實(shí)用新型中采用的熱場底層材料為特別選材，其目的是在超高溫條件下的氧化鋁溶液發(fā)生溢流時(shí)，能夠及時(shí)保護(hù)爐體受損和預(yù)防安全事故。其原理是利用高溫氧化鋁熔體與本實(shí)用新型中選材發(fā)生快速吸熱反應(yīng)，并迅速固化降溫。

本實(shí)用新型中增加熱場局部保溫設(shè)計(jì)，改善熱場的縱/徑向溫度梯度，使得晶體轉(zhuǎn)肩和生長過程能夠得到有序控制，且防止粘鍋、晶界、開裂等長晶缺陷。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)勢在于：

(1)采用新型設(shè)計(jì)的氧化鋯組合保溫材料，設(shè)計(jì)更為合理的長晶溫度梯度，引晶功率降低至0.5-0.55KW/KG，能耗降低至180KW/KG以下，較之前均下降20％以上。熱場使用壽命提升20％，生長100KG藍(lán)寶石的生產(chǎn)周期縮短至16天；

(2)傳統(tǒng)單一加熱器無法改變溫區(qū)梯度，且隨著使用爐次增加，高溫下鎢桿直徑再結(jié)晶異常粗大，電阻下降明顯，加熱器發(fā)熱量不均勻，導(dǎo)致熱場不穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)中加熱器可根據(jù)使用情況調(diào)整加熱器直徑，從而改變發(fā)熱量，穩(wěn)定長晶溫度梯度，同時(shí)，增加局部保溫設(shè)計(jì)，晶體生長過程中粘鍋、晶界、開裂等缺陷率大幅降低；

(3)本設(shè)計(jì)在爐底上增加了特殊保溫材料，提高了單晶爐的安全性；

(4)本設(shè)計(jì)采用的鎢坩堝設(shè)計(jì)，使得晶體外形生長近似圓柱形，增加了晶體的有效利用率。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。

圖1是本實(shí)用新型最佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是鎢坩堝的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1、鎢坩堝，2、加熱器，3、上保溫，4、側(cè)保溫，5、下保溫，6、底保溫。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作詳細(xì)的說明。此圖為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本實(shí)用新型的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本實(shí)用新型有關(guān)的構(gòu)成。

如圖1所示，本實(shí)用新型的一種新型節(jié)能藍(lán)寶石長晶熱場的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，包括從內(nèi)到外依次設(shè)置的鎢坩堝1、鳥籠式加熱器2和保溫結(jié)構(gòu)，所述保溫結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在加熱器2開口上的上保溫3、設(shè)置在加熱器2側(cè)壁外側(cè)的側(cè)保溫4以及從上到下設(shè)置在加熱器2下方的下保溫5和底保溫6。上保溫3位于坩堝液面上部，熔體液面以上增加局部保溫措施，使得生長的藍(lán)寶石晶體外形近似等柱狀。

加熱器2設(shè)計(jì)是鳥籠式加熱器2，加熱器2鎢桿分為縱向鎢桿和軸向鎢桿。其中，縱向鎢桿又分為高溫區(qū)鎢桿和低溫區(qū)鎢桿。設(shè)計(jì)高溫區(qū)鎢桿直徑，其范圍為5mm-8mm，低溫區(qū)鎢桿直徑為6mm-8mm，軸向鎢桿直徑為5mm-10mm。變徑式鎢加熱器2設(shè)計(jì)，使得加熱器2的熱量分布合理，防止局部發(fā)熱過大導(dǎo)致鎢桿異常變粗，從而提高加熱器2使用壽命。根據(jù)熱場實(shí)際情況，可分別調(diào)整各區(qū)域鎢桿直徑，以達(dá)到調(diào)整熱場縱/徑向溫度梯度的目的。

本實(shí)用新型中涉及的保溫機(jī)構(gòu)采用的保溫材料包括氧化鋯纖維制品、氧化鋯陶瓷制品、氧化鋯空心球制品、鎢/鉬金屬制品。根據(jù)各種材料的使用溫度、荷軟溫度、導(dǎo)熱率、反射率、熱容量、高溫?fù)]發(fā)、熱承壓性能等參數(shù)，綜合設(shè)計(jì)熱場保溫結(jié)構(gòu)。其中，首次采用三種物理形態(tài)的氧化鋯材料，并將三種材料進(jìn)行獨(dú)特結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為一個(gè)整體，制備成熱場保溫材料。設(shè)計(jì)和利用氧化鋯材料的低導(dǎo)熱率、高熱容量的特點(diǎn)，結(jié)合鎢鉬材料反射保溫的原理，制備出復(fù)合保溫材料熱場，構(gòu)建縱/徑向溫度梯度，使之能夠生長A/C/R向藍(lán)寶石晶體。

如圖2所示，鎢坩堝1外形設(shè)計(jì)為圓柱狀，內(nèi)壁采用變徑式設(shè)計(jì)，內(nèi)壁形狀設(shè)計(jì)為圓臺(tái)形，鎢坩堝1的內(nèi)徑由底部向上逐漸增大，內(nèi)壁與外壁之間的夾角α控制在1.1°-1.8°之間。坩堝底部與內(nèi)壁以圓弧鏈接，圓弧直徑控制30mm-80mm之間。坩堝徑高比控制在0.6-1之間。坩堝內(nèi)外壁夾角設(shè)計(jì)可調(diào)整晶體生長的外形；坩堝圓弧角度設(shè)計(jì)可調(diào)整熔體對(duì)流分布；坩堝徑高比設(shè)計(jì)可改善晶體生長外形及熔體對(duì)流分布。加熱器2根據(jù)時(shí)間保溫效果和熱場縱/徑向溫度梯度情況，進(jìn)行高低溫區(qū)變徑設(shè)計(jì)。

圖2中：r—坩堝半徑；h—坩堝高度；a—坩堝內(nèi)外壁夾角；R—坩堝圓弧半徑。

設(shè)計(jì)要求：a＝1.1°-1.8°；r/h＝0.6-1；R＝15mm-40mm。

根據(jù)反應(yīng)吸熱原理，在下保溫5下方設(shè)置底保溫6，底保溫6是在熱場底部鋪設(shè)一層特制高溫保護(hù)材料，其目的是在超高溫條件下的氧化鋁溶液發(fā)生溢流時(shí)，可與氧化鋁液體反應(yīng)并迅速固化，能夠及時(shí)保護(hù)爐體受損和預(yù)防安全事故，達(dá)到保護(hù)爐體的目的，提高了超高溫長晶熱場的安全性。其原理是利用高溫氧化鋁熔體與本實(shí)用新型中選材發(fā)生快速吸熱反應(yīng)，并迅速固化降溫。

本實(shí)用新型中增加熱場局部保溫設(shè)計(jì)，改善熱場的縱/徑向溫度梯度，使得晶體轉(zhuǎn)肩和生長過程能夠得到有序控制，且防止粘鍋、晶界、開裂等長晶缺陷。本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)思路如下：

1)加熱器2設(shè)計(jì)思路，根據(jù)公式：R＝ρ*l/s

其中ρ為電阻率，l為長度，s為面積。

鎢桿電阻與鎢桿直徑成反比平方關(guān)系，與加熱效果成反比關(guān)系。即恒大電流I條件下，直徑改變使電阻和壓降發(fā)生改變，從而使得產(chǎn)生的熱量Q也隨之變化。

Q＝I2*R

2)熱場設(shè)計(jì)思路

超高溫?zé)釄鍪褂么嬖诘闹饕y題有：超高溫調(diào)下的保溫材料容易受損嚴(yán)重，如發(fā)生變形、收縮、開裂、晶粒再結(jié)晶粗大、揮發(fā)等一系列材料物理屬性問題；其次，熱場設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)合理的溫度梯度，以利于晶體生長，同時(shí)兼顧節(jié)能環(huán)保降能耗。

本實(shí)用新型主要解決上述問題。集合不同類型材料的優(yōu)點(diǎn)屬性：氧化鋯陶瓷材料高溫?zé)岢袎盒詮?qiáng)，收縮性低；氧化鋯纖維導(dǎo)熱率低，保溫隔熱性能佳；氧化鋯空心球磚兼顧耐高溫、熱承重和保溫隔熱性能；鎢材料反射能力強(qiáng)、耐高溫且揮發(fā)小；鉬材料反射能力強(qiáng)、成本低。通過設(shè)計(jì)特殊的材料結(jié)構(gòu)方式，制備復(fù)合保溫材料熱場。通過增加特殊局部保溫裝置和調(diào)整加熱器2直徑，可調(diào)節(jié)熱場梯度。

以上述依據(jù)本實(shí)用新型的理想實(shí)施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)的工作人員完全可以在不偏離本實(shí)用新型的范圍內(nèi)，進(jìn)行多樣的變更以及修改。本項(xiàng)實(shí)用新型的技術(shù)范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。