本實(shí)用新型屬于加工設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種氧化物單晶真空電阻生長爐。
背景技術(shù)：
藍(lán)寶石是一種α-Al2O3的單晶，又稱剛玉。藍(lán)寶石晶體具有優(yōu)異的導(dǎo)熱絕緣性、耐化學(xué)侵蝕性，其表面高度平滑，有高透過率，可在接近2000℃高溫的條件下工作，因而被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星空間技術(shù)、軍用紅外裝置、高強(qiáng)度激光器的窗口材料以及優(yōu)質(zhì)的光學(xué)材料等等。近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展，藍(lán)寶石以其獨(dú)特的晶格結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的熱學(xué)性能成為實(shí)際應(yīng)用的半導(dǎo)體GaN/Al 2O3發(fā)光二極管(LED)、大規(guī)模集成電路SOI和SOS以及超導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)薄膜等最為理想的襯底材料。
泡生法(Kyropolos,簡稱Ky)，主要用于生長圓柱形形狀的藍(lán)寶石晶體。泡生法的特點(diǎn)是可以獲得晶體質(zhì)量高、重量大的光學(xué)級(jí)藍(lán)寶石晶體，利用泡生法晶體的生長速度快，成本低、晶體質(zhì)量好。因此，采用泡生法生長大尺寸、高光學(xué)質(zhì)量的藍(lán)寶石晶體成為行業(yè)內(nèi)非常關(guān)注的技術(shù)之一。但是，目前采用泡生法在工業(yè)化生長晶體時(shí)，難以有效抑制氣泡的產(chǎn)生，使藍(lán)寶石晶體的質(zhì)量難以完全保證，對(duì)其的利用率會(huì)打折扣。
生長爐是培養(yǎng)藍(lán)寶石單晶的設(shè)備，幾乎每進(jìn)行一次單晶培養(yǎng)后，都需要對(duì)變形的溫場結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，而溫場的結(jié)構(gòu)及其均勻程度直接關(guān)系到單晶的生長效率及質(zhì)量。
晶體生長通常采用加熱方式有射頻加熱、電子輻射加熱、電阻加熱、氣體燃燒加熱、激光和電弧等方式，在選擇加熱方式時(shí)，即要考慮到所生長晶體的物理化學(xué)性質(zhì)，又要考慮晶體生長的方式。
現(xiàn)有的加熱設(shè)備的電阻絲在移動(dòng)過程中極易被破壞，增加了設(shè)備維修維護(hù)的難度和成本，溫度的波動(dòng)給晶體生長的平衡系統(tǒng)帶來致命的影響，導(dǎo)致晶體生長的失敗。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本實(shí)用新型為解決公知技術(shù)中存在的現(xiàn)有的晶體生長設(shè)備的電阻絲容易受到破壞，增加了設(shè)備維修維護(hù)的難度和成本，溫度的波動(dòng)給晶體生長的平衡系統(tǒng)帶來致命的影響，導(dǎo)致晶體生長的失敗的問題而提供一種結(jié)構(gòu)簡單、安裝使用方便、提高工作效率的氧化物單晶電阻生長爐。
本實(shí)用新型為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：
一種氧化物單晶真空電阻生長爐，包括爐體、上爐腔、下爐腔、進(jìn)料裝置、回收管道、觀察窗、隔離閥、坩堝、電極、加熱器、絕緣層；爐體的上端安裝有上爐腔，爐體的下端安裝有下爐腔；爐體的內(nèi)壁上安裝有絕緣層，絕緣層的內(nèi)部安裝有電極，電極的內(nèi)側(cè)設(shè)置有加熱器，加熱器的上端安裝有坩堝；隔離閥設(shè)置在上爐腔與爐體的連接處；爐體的上端還設(shè)置有觀察窗；該氧化物單晶電阻生長爐還包括：進(jìn)料裝置、籽晶、位移電機(jī)、升降桿、位移檢測器、重力傳感器、溫度傳感器、報(bào)警器、可編程控制器、真空泵、保護(hù)氣進(jìn)氣電磁閥；
爐體的外部安裝有進(jìn)料裝置，進(jìn)料裝置的上端通過進(jìn)料管道與上爐腔相連通；進(jìn)料裝置的下端通過回收管道與下爐腔相連通；坩堝內(nèi)放置有籽晶，所述籽晶連接升降桿，所述升降桿連接位移電機(jī)，所述位移電機(jī)安裝在上爐腔上；所述位移檢測器固定在升降桿上；所述重力傳感器安裝在坩堝上；報(bào)警器、可編程控制器均安裝在爐體外殼上；真空泵、保護(hù)氣進(jìn)氣電磁閥均通過管道連接在爐體上端；所述溫度傳感器安裝在加熱器上；
所述電極、加熱器、進(jìn)料裝置、位移電機(jī)、位移檢測器、重力傳感器、報(bào)警器、真空泵、保護(hù)氣進(jìn)氣電磁閥均通過信號(hào)線與可編程控制器電連接。
所述的下爐腔的外壁上設(shè)置有散熱孔。
所述的坩堝的下端設(shè)置有出料口。保證剩余原料或產(chǎn)品的取出。
進(jìn)料管道和回收管道上均安裝有輸送泵；所述輸送泵上安裝有變頻電機(jī)，所述變頻電機(jī)通過信號(hào)線與可編程控制器連接。
所述位移電機(jī)為伺服電機(jī)；所述保護(hù)氣進(jìn)氣電磁閥進(jìn)氣端連接外部保護(hù)氣儲(chǔ)存設(shè)備。保證單晶生產(chǎn)的需要條件。
所述溫度傳感器在加熱器上從上到下設(shè)置有多個(gè)。可檢測不同梯度的溫度。
本實(shí)用新型具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：該氧化物單晶電阻生長爐結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，通過進(jìn)料管道向爐體內(nèi)加入原料，通過回收管道將反應(yīng)后的物體輸出，反應(yīng)過程中無需移動(dòng)加熱器和電極，不會(huì)造成加熱器和電極的損壞；
制備的藍(lán)寶石晶體外形規(guī)整、無氣泡和應(yīng)力條紋，是高質(zhì)量的藍(lán)寶石晶體材料；為半導(dǎo)體GaN/Al2 O3發(fā)光二極管(LED)、大規(guī)模集成電路SOI和SOS以及超導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)薄膜等提供了理想的襯底材料；
位移電機(jī)、升降桿、位移檢測器的設(shè)置在生成單晶時(shí)準(zhǔn)確控制晶體位移的距離，為單晶的生成提供了條件，可編程控制器根據(jù)溫度傳感器的檢測信號(hào)與預(yù)存的溫度梯度程序進(jìn)行比較，有效進(jìn)行調(diào)控加熱器，并根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)控電極兩端的輸出電壓，重力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測晶體生長的重量，直至監(jiān)測的重量與添加的原料重量相等，說明晶體生長完成。在所有生產(chǎn)中當(dāng)實(shí)際生產(chǎn)信號(hào)超出預(yù)設(shè)置的程序時(shí)，報(bào)警器會(huì)進(jìn)行報(bào)警，提示工作人員采取相應(yīng)措施進(jìn)行調(diào)整。
下爐腔的外壁上設(shè)置有散熱孔可及時(shí)進(jìn)行散熱，保證產(chǎn)品降溫的需要。
附圖說明
圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的氧化物單晶電阻生長爐的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中：1、進(jìn)料裝置；2、爐體；3、上爐腔；4、下爐腔；5、進(jìn)料管道；6、回收管道；7、觀察窗；8、隔離閥；9、籽晶；10、坩堝；11、電極；12、加熱器；13、絕緣層；14、位移電機(jī)；15、升降桿；16、位移檢測器；17、重力傳感器；18、溫度傳感器；19、報(bào)警器；20、可編程控制器；21、真空泵；22、保護(hù)氣進(jìn)氣電磁閥。
具體實(shí)施方式
為能進(jìn)一步了解本實(shí)用新型的發(fā)明內(nèi)容、特點(diǎn)及功效，茲例舉以下實(shí)施例，并配合附圖詳細(xì)說明如下：
請(qǐng)參閱圖1所示：該氧化物單晶電阻生長爐包括：進(jìn)料裝置1、爐體2、上爐腔3、下爐腔4、進(jìn)料管道5、回收管道6、觀察窗7、隔離閥8、籽晶9、坩堝10、電極11、加熱器12、絕緣層13、位移電機(jī)14、升降桿15、位移檢測器16、重力傳感器17、溫度傳感器18、報(bào)警器19、可編程控制器20、真空泵21、保護(hù)氣進(jìn)氣電磁閥22。
爐體2的上端安裝有上爐腔3，爐體2的下端安裝有下爐腔4，爐體2的外部安裝有進(jìn)料裝置1，進(jìn)料裝置1的上端通過進(jìn)料管道5與上爐腔3相連通，進(jìn)料裝置1的下端通過回收管道6與下爐腔4相連通；爐體2的內(nèi)壁上安裝有絕緣層13，絕緣層13的內(nèi)部安裝有電極11，電極11的內(nèi)側(cè)設(shè)置有加熱器12，加熱器12的上端安裝有坩堝10，坩堝10內(nèi)放置有籽晶9，籽晶9的上端安裝有隔離閥8，隔離閥8設(shè)置在上爐腔3與爐體2的連接處；爐體2的上端還設(shè)置有觀察窗7。
所述籽晶連接升降桿15，所述升降桿連接位移電機(jī)14，所述位移電機(jī)安裝在上爐腔上；所述位移檢測器16固定在升降桿上；所述重力傳感器17安裝在坩堝上；報(bào)警器19、可編程控制器20均安裝在爐體外殼上；真空泵21、保護(hù)氣進(jìn)氣電磁閥22均通過管道連接在爐體上端；所述溫度傳感器18安裝在加熱器上；
所述電極、加熱器、進(jìn)料裝置、位移電機(jī)、位移檢測器、重力傳感器、報(bào)警器、真空泵、保護(hù)氣進(jìn)氣電磁閥均通過信號(hào)線與可編程控制器電連接。
所述的下爐腔4的外壁上設(shè)置有散熱孔。
所述的坩堝10的下端設(shè)置有出料口。
進(jìn)料管道和回收管道上均安裝有輸送泵；所述輸送泵上安裝有變頻電機(jī)，所述變頻電機(jī)通過信號(hào)線與可編程控制器連接。
所述位移電機(jī)為伺服電機(jī)；所述保護(hù)氣進(jìn)氣電磁閥進(jìn)氣端連接外部保護(hù)氣儲(chǔ)存設(shè)備。保證單晶生產(chǎn)的需要條件。
所述溫度傳感器在加熱器上從上到下設(shè)置有多個(gè)?？蓹z測不同梯度的溫度。
下面結(jié)合工作原理對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行說明。
通過進(jìn)料管道5向爐體2內(nèi)添加原料，原料進(jìn)入坩堝后，使加熱器12和電極11工作，通過引晶操作，原料在坩堝內(nèi)逐漸凝固結(jié)晶；晶體生長完成后，經(jīng)坩堝10的下端設(shè)置的出料口排入到下爐腔4，經(jīng)回收管道6進(jìn)行收集，結(jié)晶過程可通過觀察管進(jìn)行觀察。
溫度的設(shè)定可通過溫度顯示器的芯片進(jìn)行編程，并通過溫度傳感器進(jìn)行檢測，反饋給芯片，芯片通過控制輸出信號(hào)控制加熱器，進(jìn)行自動(dòng)控制。
該氧化物單晶電阻生長爐結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，通過進(jìn)料管道向爐體內(nèi)加入原料，通過回收管道將反應(yīng)后的物體輸出，反應(yīng)過程中無需移動(dòng)加熱器和電極，不會(huì)造成加熱器和電極的損壞。
位移電機(jī)、升降桿、位移檢測器的設(shè)置在生成單晶時(shí)準(zhǔn)確控制晶體位移的距離，為單晶的生成提供了條件，可編程控制器根據(jù)溫度傳感器的檢測信號(hào)與預(yù)存的溫度梯度程序進(jìn)行比較，有效進(jìn)行調(diào)控加熱器，并根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)控電極兩端的輸出電壓，重力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測晶體生長的重量，直至監(jiān)測的重量與添加的原料重量相等，說明晶體已經(jīng)生長完成。在所有生產(chǎn)中當(dāng)實(shí)際生產(chǎn)信號(hào)超出預(yù)設(shè)置的程序時(shí)，報(bào)警器會(huì)進(jìn)行報(bào)警，提示工作人員采取相應(yīng)措施進(jìn)行調(diào)整。
下爐腔的外壁上設(shè)置有散熱孔可及時(shí)進(jìn)行散熱，保證產(chǎn)品降溫的需要；
下面結(jié)合本實(shí)用新型的使用方法進(jìn)行說明。
本實(shí)用新型的使用方法包括以下步驟：
(1)原料的選取和處理：
原料采用高純焰熔法生長的藍(lán)寶石碎料，經(jīng)500～800℃的高溫加熱處理后，用去離子水淬火粉碎，再經(jīng)5～6次用去離子水清洗處理后烘干備用；
(2)原料裝爐:
將步驟(1)處理過的藍(lán)寶石碎料輸送入坩堝并將坩堝置于爐中，加蓋，完成裝爐；
(3)生長藍(lán)寶石單晶方法：
將爐內(nèi)抽真空5×10-4Pa，采用電阻加熱發(fā)熱裝置，待爐內(nèi)紅亮?xí)r，靜置30～60分鐘，然后每隔30～60分鐘升溫一次，直至原料完全化掉；在原料完全化掉之后靜置60～90分鐘，然后升溫20℃并靜置1～2小時(shí)，使化料時(shí)原料引入的氣體從熔體中慢慢溢出；
將熔體溫度下降至2050℃，下方升降桿，將籽晶降到與熔體相隔0.5～1cm的位置，
觀察：如果籽晶末端發(fā)白變圓滑，收起升降桿，降溫5～10℃，靜置15～20分鐘后再放下升降桿觀察，直至籽晶末端無變化即可繼續(xù)下放升降桿，使籽晶與熔體接觸并迅速提起；如果帶料，將溫度升高1～3℃，靜置5～20分鐘后繼續(xù)下放，直至不帶料即可嘗試進(jìn)行提拉；
所述的提拉包括引晶、縮頸、擴(kuò)肩、等徑生長步驟，其中，引晶時(shí)使晶體直徑不變，長度提拉5cm；再通過升溫2～5℃來實(shí)現(xiàn)縮頸的過程，有效縮頸后再進(jìn)行擴(kuò)肩生長；擴(kuò)肩階段的拉速隨著晶體肩部的長大由慢及快，每隔20分鐘增加0.05mm/h，最高拉速0.2mm/h，等徑階段拉速0.05～0.2mm/h；在等徑階段當(dāng)每隔20分鐘觀察生長晶體的重量并作相應(yīng)處理；
晶體生長完成后，以每小時(shí)20～30℃的降溫速率逐漸降至室溫，獲得沒有氣泡的藍(lán)寶石晶體。
所述籽晶晶向誤差范圍為±2°。
上述的操作過程可在人為操作和自動(dòng)控結(jié)合下進(jìn)行。
制備的藍(lán)寶石晶體外形規(guī)整、無氣泡和應(yīng)力條紋，是高質(zhì)量的藍(lán)寶石晶體材料。
為半導(dǎo)體GaN/Al2O3發(fā)光二極管(LED)、大規(guī)模集成電路SOI和SOS以及超導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)薄膜等提供了理想的襯底材料。
以上所述僅是對(duì)本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本實(shí)用新型作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡單修改，等同變化與修飾，均屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案的范圍內(nèi)。