一種冷心可調(diào)的泡生法藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)的保溫結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種冷心可調(diào)的泡生法藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)保溫結(jié)構(gòu)，采用以鎢或鉬為材料的金屬薄板作熱屏，熱屏包括水平式熱屏和垂直式熱屏，各屏間縫隙用鉬條垂直間隔支撐；不銹鋼桶與垂直式熱屏之間由鉬板圓筒間隔分為內(nèi)、外兩層填充區(qū)域，內(nèi)層填充區(qū)填充氧化鋯（ZrO2）空心泡殼，外層填充區(qū)采用垂直鉬板間隔成多個(gè)垂直小隔間結(jié)構(gòu)，多個(gè)小隔間以圓筒軸心呈中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)；根據(jù)上爐的冷心偏移方向，在偏移方向一側(cè)的小隔間中填充氧化鋯泡殼或插入與該處小隔間同寬的鉬板條，加強(qiáng)該側(cè)的保溫效果，使冷心向偏移方向的反方向移動(dòng)，保證冷心位于坩堝的中心位置，提高爐內(nèi)溫場(chǎng)徑向的均勻分布，達(dá)到方便引晶、減少晶體內(nèi)部熱應(yīng)力，避免晶體粘鍋的效果。
【專利說(shuō)明】一種冷心可調(diào)的泡生法藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)的保溫結(jié)構(gòu)
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本實(shí)用新型提供一種晶體生長(zhǎng)爐內(nèi)的徑向溫場(chǎng)可調(diào)的保溫隔熱結(jié)構(gòu)，具體涉及泡生法生長(zhǎng)藍(lán)寶石(a -Al2O3單晶)的高溫隔熱保溫結(jié)構(gòu)。
[0003]【背景技術(shù)】
[0004]a -Al2O3單晶又稱藍(lán)寶石，是一種簡(jiǎn)單配位型氧化物晶體。藍(lán)寶石單晶具有優(yōu)異的光學(xué)性能和力學(xué)性能，化學(xué)性能穩(wěn)定，被廣泛應(yīng)用于紅外軍事裝置、衛(wèi)星空間技術(shù)、高強(qiáng)度激光的窗口材料；其獨(dú)特的晶格結(jié)構(gòu)和良好的熱穩(wěn)定性，使藍(lán)寶石單晶又成為GaN發(fā)光二極管理想的襯底材料。
[0005]藍(lán)寶石晶體的熔化溫度約為2050°C，泡生法是目前的最主要的藍(lán)寶石生長(zhǎng)方法之一，在泡生法藍(lán)寶石晶體爐內(nèi)需要用到大量的保溫?zé)崞?，在大?050°C高溫條件下，熱屏材料的選擇和設(shè)計(jì)顯得非常重要，尤其是對(duì)高溫條件下材料的機(jī)械強(qiáng)度和保溫隔熱能力的要求非常高。熱場(chǎng)設(shè)計(jì)方面，既要保證一定的保溫效果，又要求達(dá)到晶體生長(zhǎng)所需的理想的徑向和軸向溫度梯度要求。高品質(zhì)藍(lán)寶石晶體的生長(zhǎng)是在高真空度、無(wú)污染的條件下進(jìn)行的，故材料的選擇要求對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境無(wú)污染，即晶體生長(zhǎng)爐內(nèi)的保溫材料，在高溫條件下盡量不揮發(fā)出雜質(zhì)。
[0006]然而一般熱屏材料在高溫下容易變形，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)徑向溫度梯度發(fā)生改變，冷心位置17發(fā)生偏移，如圖3所示，冷心是指晶體原料爐內(nèi)熔融后對(duì)流匯聚中心，是爐內(nèi)徑向溫場(chǎng)冷點(diǎn)，一般來(lái)說(shuō)徑向溫場(chǎng)分布均勻中心對(duì)稱的保溫結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，冷心位置17應(yīng)處于坩堝8正中心。冷心位置在軸心的偏移會(huì)造成引晶難度的提高，使晶體18內(nèi)部熱應(yīng)力的增加，同時(shí)會(huì)引發(fā)晶體單側(cè)生長(zhǎng)過(guò)快而粘鍋，甚至?xí)斐删w開裂，所以一般來(lái)說(shuō)一套保溫?zé)釄?chǎng)結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)5-8爐生長(zhǎng)之后，其熱場(chǎng)變形會(huì)影響爐內(nèi)熱場(chǎng)分布從而不再適合生長(zhǎng)晶體，所以我們要設(shè)計(jì)一套能夠徑向溫場(chǎng)補(bǔ)償可調(diào)的保溫?zé)釄?chǎng)結(jié)構(gòu)。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0007]本實(shí)用新型的目的在于提供一種冷心可調(diào)的泡生法藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)爐熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)，調(diào)控藍(lán)寶石晶體在生長(zhǎng)時(shí)的徑向溫度梯度，從而降低晶體內(nèi)部熱應(yīng)力和減少晶體開裂，提高生長(zhǎng)晶體的均勻性。
[0008]本實(shí)用新型的目的是通過(guò)這樣的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0009]一種冷心可調(diào)的泡生法藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)的保溫結(jié)構(gòu)，設(shè)置于不銹鋼桶內(nèi)，其特征是:采用以鎢或鑰為材料的金屬薄板作熱屏，所述熱屏包括水平式熱屏和垂直式熱屏；
[0010]所述水平式熱屏為中心開孔的圓環(huán)形；
[0011]所述垂直式熱屏為豎直圓筒狀，容納水平式熱屏、加熱器和坩堝；
[0012]不銹鋼桶與垂直式熱屏之間由鑰板圓筒間隔分為內(nèi)、外兩層填充區(qū)域，內(nèi)層填充區(qū)填充氧化鋯(ZrO2)空心泡殼，外層填充區(qū)采用垂直鑰板間隔成多個(gè)垂直小隔間結(jié)構(gòu)，多個(gè)小隔間以圓筒軸心呈中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)；
[0013]根據(jù)上爐的冷心偏移方向，在偏移方向一側(cè)的小隔間中填充氧化鋯泡殼或插入與該處小隔間同寬的鑰板條，加強(qiáng)該側(cè)的保溫效果，使冷心向上爐偏移方向的反方向移動(dòng)。
[0014]內(nèi)、外兩層填充區(qū)域總厚度為60-70mm，內(nèi)層填充區(qū)厚度為30_40mm ;外層填充區(qū)厚度為30mm。
[0015]小隔間總數(shù)為48個(gè)。
[0016]外層填充區(qū)的小隔間中插入厚度為Imm的多層鑰條，鑰條與垂直式熱屏平行，各層鑰條間距為3-5mm。
[0017]內(nèi)層填充的氧化鋯空心泡殼粒徑為2_3mm，內(nèi)層填充滿。
[0018]所述垂直式熱屏為多層，靠近坩堝或加熱器側(cè)的內(nèi)層的材料為鎢，其余層的材料為鑰。
[0019]所述垂直式熱屏厚度0.5mm，各層間的間距為3_5mm，各層間用鑰片做間隔支撐；所述垂直式熱屏內(nèi)側(cè)為圓筒狀的鎢制保溫內(nèi)層，厚度為15_。
[0020]所述水平式熱屏為多層，分為3部分，一部分為上部保溫屏2，為24層，最上和最下層分別為3_和1_厚鑰板，中間為0.5mm厚鑰板,所有鑰板由直徑5_的L型鶴桿連接；另一部分為坩堝蓋屏7，共4層，最下層為2mm的鎢板，其余為Imm鑰板，各層間狹縫用鑰片做垂直間隔支撐，各層間的間距為3-5mm ;上下兩部分間隔20_40mm。
[0021]下部水平熱屏12,分為12層,最上和最下層為2mm厚鑰板,其余為Imm厚鑰板,各層間間隔3-5mm,由3_5mm高鑰環(huán)串聯(lián)鑰條間隔連接在一起；
[0022]所述不銹鋼桶15內(nèi)的底部設(shè)置氧化鋯保溫磚13，厚度為50-70_。
[0023]使用包括幾組分別水平和垂直放置的金屬薄板熱屏(金屬薄板分別由Imm和2mm厚的鑰、鎢金屬等組合而成，各層之間的間距約為3-5_，中間以窄鑰條做垂直間隔支撐，以防止高溫下熱屏產(chǎn)生過(guò)大的形變；由于鎢金屬的熔點(diǎn)比鑰要高，故在熱屏的安裝上要求將鎢熱屏靠近加熱器側(cè)放置，而鑰熱屏要放置于鎢熱屏的外側(cè)，以防止過(guò)大的熱沖擊。
[0024]無(wú)論是筒形鎢熱屏還是鑰熱屏，其焊接兩側(cè)均設(shè)置若干個(gè)小孔，各小孔等間距設(shè)置，并通過(guò)鉚釘鉚接在一起，熱屏以鉚釘鉚接方式連接成圓筒，且都與加熱器、坩堝同心同軸，并與加熱器保持一定的間隔。
[0025]結(jié)合泡生法的特點(diǎn)，本保溫結(jié)構(gòu)將外部空心球填充區(qū)分為內(nèi)外兩層，內(nèi)層14填充氧化鋯空心泡殼，外層16采用鑰板間隔成多個(gè)中心對(duì)稱的小格子結(jié)構(gòu)，在小格子中填充氧化鋯泡殼或垂直鑰條，實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)徑向溫度梯度的調(diào)節(jié)，使冷心位置處于坩堝中心。
[0026]本實(shí)用新型所達(dá)到的有益效果:
[0027]本實(shí)用新型所采用的鎢、鑰組合結(jié)構(gòu)，對(duì)單晶爐內(nèi)的熱輻射有很好的反射作用，不僅能夠?qū)ιL(zhǎng)爐起到一定的隔熱保溫作用，使坩堝和加熱器輻射到鎢鑰熱屏上的大部分熱量都反射回去；更重要的是，通過(guò)對(duì)外層填充區(qū)不同小隔間的填充使用來(lái)調(diào)節(jié)爐內(nèi)徑向溫場(chǎng)分布，調(diào)控冷心位置，能有效的降低晶體內(nèi)部的熱應(yīng)力。將熱場(chǎng)外部填充層分為內(nèi)外兩層，內(nèi)層填充氧化鋯空心泡殼，完成基本的保溫作用，達(dá)到藍(lán)寶石生長(zhǎng)的基本要求；外層填充層間隔成48個(gè)中心對(duì)稱的垂直小隔間；多次使用后的熱場(chǎng)會(huì)發(fā)現(xiàn)變形導(dǎo)致冷心位置偏離坩堝軸心，根據(jù)上爐觀察到的冷心偏移方向，在偏移方向上的小隔間中填充氧化鋯泡殼或插入同寬的鑰板條加強(qiáng)該方向的保溫效果，使冷心往上爐偏移方向的反方向移動(dòng)，重新回到坩堝軸心位置；若采用插入鑰板條的方法，可以控制插入層數(shù)來(lái)調(diào)控溫場(chǎng)補(bǔ)償量，從而調(diào)節(jié)冷心回移量。[0028]國(guó)內(nèi)亦有用作高熔點(diǎn)晶體生長(zhǎng)熱屏的相關(guān)實(shí)用新型專利，但是對(duì)熱屏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尚不夠完善，僅僅起到機(jī)械的保溫隔熱作用，沒有考慮對(duì)于多次使用已發(fā)生變形的熱場(chǎng)對(duì)爐內(nèi)軸向溫度梯度分布的影響，更沒有能夠調(diào)節(jié)徑向溫場(chǎng)分布的方法；本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的不同方向外層小隔間的使用熱屏能夠有效地補(bǔ)償因熱場(chǎng)變形而引起的冷心偏移，起到爐內(nèi)徑向溫場(chǎng)調(diào)控的目的。
[0029]【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1為本實(shí)用新型的保溫結(jié)構(gòu)的剖視示意圖；
[0031]圖2為外層填充區(qū)的俯視圖；
[0032]圖3為坩堝內(nèi)長(zhǎng)晶和冷心位置的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明:
[0034]如圖1所示，本實(shí)用新型的應(yīng)用于泡生法藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)的保溫結(jié)構(gòu)，設(shè)置在不銹鋼桶15內(nèi)的熱屏，熱屏以鎢和鑰兩種材料為主，包括水平式熱屏2、5、7、12，垂直式熱屏9。
[0035]其中，水平式熱屏2為中心開孔的圓環(huán)形，中心開孔處為貫穿的籽晶提拉桿1，在長(zhǎng)晶過(guò)程中，對(duì)晶體起到提拉和旋轉(zhuǎn)作用，已生長(zhǎng)出的藍(lán)寶石晶體容納于坩堝8內(nèi)。水平式熱屏5設(shè)置在垂直式熱屏9上方，為中心開孔的較大的圓環(huán)形，其中心開孔可容納水平式熱屏2。本實(shí)施例中，水平式熱屏2的材料為鑰，共24層，最下部一層為鎢片，厚2mm，其余各層為鑰，各層厚度為1_，各層間的間距為3-5_，中間狹縫用鑰片做垂直間隔支撐。水平式熱屏5為厚度0.5mm的鑰材料。
[0036]結(jié)合圖3，熱屏7為圓錐狀熱屏。本實(shí)施例中，熱屏7共4層，最下層為鎢，厚度2mm ;其余層材料為鑰，各層厚1mm，與上熱屏2之間間隔20_40mm。
[0037]垂直式熱屏9為豎直圓筒狀；將坩堝8、水平式熱屏2、7包圍在其中。垂直式熱屏9內(nèi)側(cè)為兩層較厚的鎢制保溫內(nèi)層，圓筒狀，厚度為2mm。本實(shí)施例中，垂直式熱屏9設(shè)置為13層，其他層材料為鑰，每層厚度0.5-1_，各層間的間距為3-5_，中間用鑰片做間隔支撐。
[0038]垂直式熱屏保溫內(nèi)層內(nèi)部，在坩堝8、水平式熱屏2、7外側(cè)，設(shè)置鎢棒加熱器6，加熱器6的頂部為銅電極3。坩堝8底部為托盤10和支柱11。托盤10和支柱11材料為鎢。
[0039]不銹鋼桶15，厚度2_，不銹鋼桶與垂直式熱屏9之間用鎢桿、螺母連接固定，之間采用Imm厚鑰板圓筒間隔成內(nèi)、外兩層，內(nèi)層14填充ZrO2空心泡殼，填充的厚度在30_40mm的范圍內(nèi)，全部填充滿，以保證熱場(chǎng)基本的保溫隔熱性能；外層16填充區(qū)厚度為30mm左右，采用垂直鑰板將外層16圓環(huán)桶間隔成48個(gè)中心對(duì)稱的小隔間，結(jié)合圖2，填充ZrO2或插入與小隔間同寬的鑰條(這些鑰條與內(nèi)層垂直熱屏平行，鑰條厚度為1_，鑰條間采用3-5_寬鑰條間隔支撐)；若采用插入鑰條的方案調(diào)節(jié)冷心位置，可以通過(guò)控制外層鑰條的插入層數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)冷心的偏移補(bǔ)償量，插入越多補(bǔ)償效果越好，但插入過(guò)多也會(huì)造成冷心向反方向偏移，要根據(jù)冷心對(duì)中心位置的偏移程度確定。外層16填充區(qū)小隔間并非全部填充使用，僅在上爐冷心偏移一側(cè)的小隔間中填充，以提高該方向的保溫效果，使?fàn)t內(nèi)徑向溫場(chǎng)呈軸對(duì)稱分布，使冷心17處于i甘禍8中心位置。[0040]不銹鋼桶15內(nèi)底部為氧化鋯保溫磚13，厚度為50_70mm。
[0041]本實(shí)用新型除可用于泡生法藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)的熱防護(hù)外，還可應(yīng)用于鈦寶石、YAG、GGG等一些高熔點(diǎn)氧化物晶體的生長(zhǎng)，它能有效地提高爐體的保溫效果和徑向溫場(chǎng)的調(diào)節(jié)效果。
[0042]以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種冷心可調(diào)的泡生法藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)保溫結(jié)構(gòu)，設(shè)置于不銹鋼桶內(nèi)，其特征是:采用以鎢或鑰為材料的金屬薄板作熱屏，所述熱屏包括水平式熱屏和垂直式熱屏； 所述水平式熱屏為中心開孔的圓環(huán)形； 所述垂直式熱屏為豎直圓筒狀，可容納水平式熱屏、加熱器和坩堝； 不銹鋼桶與垂直式熱屏之間由鑰板圓筒間隔分為內(nèi)、外兩層填充區(qū)域，內(nèi)層填充區(qū)填充氧化鋯空心泡殼，外層填充區(qū)采用垂直鑰板間隔成多個(gè)垂直小隔間結(jié)構(gòu)，多個(gè)小隔間以圓筒軸心呈中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)； 根據(jù)上爐的冷心偏移情況，在偏移方向一側(cè)的小隔間中填充氧化鋯泡殼或插入與該處小隔間同寬的鑰板條，使冷心向上爐偏移方向的反方向移動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種冷心可調(diào)的泡生法藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)保溫結(jié)構(gòu)，其特征是:內(nèi)、外兩層填充區(qū)域總厚度為60-70_，內(nèi)層填充區(qū)厚度為30-40_ ;外層填充區(qū)厚度為30mmo
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種冷心可調(diào)的泡生法藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)保溫結(jié)構(gòu)，其特征是:小隔間總數(shù)為48個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種冷心可調(diào)的泡生法藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)保溫結(jié)構(gòu)，其特征是:外層填充區(qū)的小隔間中插入厚度為1_的多層鑰條，鑰條與垂直式熱屏平行，各層鑰條間距為3-5臟。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種冷心可調(diào)的泡生法藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)保溫結(jié)構(gòu)，其特征是:內(nèi)層填充的氧化鋯空心泡殼粒徑為2-3mm，內(nèi)層填充滿。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種冷心可調(diào)的泡生法藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)保溫結(jié)構(gòu)，其特征是:所述垂直式熱屏為多層，靠近坩堝或加熱器側(cè)的內(nèi)層的材料為鎢，其余層的材料為鑰。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種冷心可調(diào)的泡生法藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)保溫結(jié)構(gòu)，其特征是:所述水平式熱屏分為3部分，最上為上部保溫屏，為24層，最上和最下層分別為3mm和Imm厚鑰板，中間為0.5mm厚鑰板，所有鑰板由直徑5_的L型鎢桿連接；中間部分為坩堝蓋屏，共4層，最下層為2mm的鎢板，其余為Imm鑰板，各層間狹縫用鑰片做垂直間隔支撐；上下兩部分間隔20-40mm ;最下部水平熱屏,置于樹禍下方,分為12層,最上和最下層為2mm厚鑰板，其余為Imm厚鑰板，各層間間隔3-5_，由3_5mm高鑰環(huán)串聯(lián)鑰條間隔連接在一起。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種冷心可調(diào)的泡生法藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)保溫結(jié)構(gòu)，其特征是:所述垂直式熱屏厚度0.5mm，各層間的間距為3-5mm，各層間用鑰片做間隔支撐；所述垂直式熱屏內(nèi)側(cè)為圓筒狀的鎢制保溫內(nèi)層，厚度為15mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種冷心可調(diào)的泡生法藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)保溫結(jié)構(gòu)，其特征是:所述不銹鋼桶內(nèi)的底部設(shè)置氧化鋯保溫磚，厚度為50-70_。
【文檔編號(hào)】C30B29/20GK203420011SQ201320526626
【公開日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月28日
【發(fā)明者】王慶國(guó), 錢兵, 朱燁, 汪紅衛(wèi), 鞠星, 李倩 申請(qǐng)人:蘇州巍邇光電科技有限公司