專利名稱:多坩堝三維藍(lán)寶石單晶生長裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種生長裝置，尤其是一種多坩堝三維藍(lán)寶石單晶生長裝置，屬于晶體制備的【技術(shù)領(lǐng)域】。按照本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案，所述多坩堝三維藍(lán)寶石單晶生長裝置，包括爐體以及位于所述爐體外的真空裝置；所述爐體內(nèi)設(shè)有保溫屏，所述保溫屏內(nèi)設(shè)有單晶生長坩堝機(jī)構(gòu)，所述單晶生長坩堝機(jī)構(gòu)包括至少兩個坩堝體，所述單晶生長坩堝機(jī)構(gòu)內(nèi)的坩堝體相互獨(dú)立。本實(shí)用新型爐體內(nèi)設(shè)置至少兩個坩堝體，通過真空裝置、加熱裝置的配合能一次獲得至少二個藍(lán)寶石單晶，在提高生長速率的同時提高了晶體的產(chǎn)量；長方體型晶體便于后續(xù)加工切割，節(jié)約能耗，降低成本，安全可靠。
【專利說明】多坩堝三維藍(lán)寶石單晶生長裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種生長裝置，尤其是一種多坩禍三維藍(lán)寶石單晶生長裝置，屬于晶體制備的【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]藍(lán)寶石晶體化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，一般不溶于水和不受酸、堿腐蝕，只有在較高溫下(300°C)可為氫氟酸、磷酸和熔化的氫氧化鉀所侵蝕。藍(lán)寶石晶體硬度很高，為莫氏硬度9級，僅次于最硬的金剛石。它具有很好的透光性，熱傳導(dǎo)性和電氣絕緣性，力學(xué)機(jī)械性能好，并且具有耐磨和抗風(fēng)蝕的特點(diǎn)。藍(lán)寶石晶體的熔點(diǎn)為2050°C，沸點(diǎn)3500°C，最高工作溫度可達(dá)1900°C。因此，藍(lán)寶石作為一種重要的技術(shù)晶體，已被廣泛應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)、國防與民用工業(yè)的許多領(lǐng)域。目前藍(lán)寶石襯底作為LED領(lǐng)域的關(guān)鍵材料，其大尺寸、高質(zhì)量、高利用率已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的困難和目標(biāo)。
[0003]藍(lán)寶石晶體從熔體中生長的生長方式，由于其具有生長速率快，純度高和晶體完整性好等特點(diǎn)，因而成為制備大尺寸和特定形狀晶體的最常用的晶體生長方式。
[0004]藍(lán)寶石晶體材料的生長方法目前已有很多種方法，主要有:泡生法、導(dǎo)模法、熱交換法、提拉法、坩禍下降法等。
[0005]傳統(tǒng)的藍(lán)寶石晶體生長方法多采用a向籽晶長晶，由于LED領(lǐng)域大多使用c向晶片作襯底，則獲得的晶體需要進(jìn)行掏棒、切片、拋光等一系列后續(xù)加工才能滿足使用要求，這使得晶體的利用率很低，很難獲得高利潤。一種新型的藍(lán)寶石單晶生長裝置被提出，如公開號為CN102828232A的公開文件，所述公開文件中的技術(shù)方案使得藍(lán)寶石單晶在長寬高三個方向同時生長，從而提高了晶體的生長速度，更重要的是節(jié)約了能源消耗，降低了生產(chǎn)的時間、人力、物力成本，縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率。
[0006]因此，研發(fā)出一種大尺寸，高利用率，短周期，低成本可用于LED襯底的優(yōu)質(zhì)藍(lán)寶石單晶生長裝置，雙坩禍技術(shù)，可使單爐產(chǎn)量成倍增加，單爐成本進(jìn)一步降低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種多坩禍三維藍(lán)寶石單晶生長裝置，其能提高晶體的生產(chǎn)效率，節(jié)約能耗，降低成本，安全可靠。
[0008]按照本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案，所述多坩禍三維藍(lán)寶石單晶生長裝置，包括爐體以及位于所述爐體外的真空裝置；所述爐體內(nèi)設(shè)有保溫屏，所述保溫屏內(nèi)設(shè)有單晶生長坩禍機(jī)構(gòu)，所述單晶生長坩禍機(jī)構(gòu)包括至少兩個坩禍體，所述單晶生長坩禍機(jī)構(gòu)內(nèi)的坩禍體相互獨(dú)立。
[0009]所述坩禍體包括位于上部且豎直分布的長方管型以及位于下部的楔面體，坩禍體的楔面體內(nèi)設(shè)置有籽晶槽，所述楔面部的錐度為80° ~110°。
[0010]所述保溫屏內(nèi)還設(shè)有位于單晶生長坩禍機(jī)構(gòu)外圈的加熱裝置，所述加熱裝置包括均勻分布在坩禍體外圈的加熱器，所述加熱器在保溫屏內(nèi)提供位單晶生長的a向、b向以及C向的三維溫度梯度。
[0011]所述加熱器包括右加熱器、左加熱器、后加熱器以及前加熱器；所述右加熱器位于保溫屏內(nèi)的右側(cè)，左加熱器位于保溫屏內(nèi)的左側(cè)，后加熱器位于保溫屏內(nèi)的后側(cè)，前加熱器位于保溫屏內(nèi)的前側(cè)；右加熱器上設(shè)置用于檢測溫度的右上熱電偶，左加熱器上設(shè)置用于檢測溫度的左下熱電偶，后加熱器上設(shè)置用于檢測溫度的后方熱電偶，前加熱器上設(shè)置用于檢測溫度的前方熱電偶。
[0012]所述坩禍體采用鉬或鎢鉬合金焊接制成。
[0013]所述加熱器包括加熱板，所述加熱板上設(shè)置若干均勻分布的上隔槽以及下隔槽，所述上隔槽與下隔槽在加熱板上呈平行分布，且上隔槽與下隔槽在加熱板的長度方向上交替分布。
[0014]所述加熱板在背離坩禍體側(cè)面的水平方向與豎直方向均具有錐度。
[0015]在水平方向上，以加熱板的軸線為基準(zhǔn)，中心區(qū)域與端部間的錐度為1° -3° ;垂直方向上，加熱板的底部與上部間的錐度為以1° -3°。所述加熱板采用石墨板。
[0016]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn):爐體內(nèi)設(shè)置至少兩個坩禍體，通過真空裝置、加熱裝置的配合能一次獲得至少二個藍(lán)寶石單晶，在提高生長速率的同時提高了晶體的產(chǎn)量；長方體型晶體便于后續(xù)加工切割，節(jié)約能耗，降低成本，安全可靠。

【附圖說明】

[0017]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2為本實(shí)用新型加熱裝置與單晶生長機(jī)構(gòu)配合的示意圖。
[0019]圖3為本實(shí)用新型加熱板的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖4為圖3的俯視圖。
[0021]圖5為圖3的右視圖。
[0022]圖6為本實(shí)用新型的熱場俯視圖。
[0023]附圖標(biāo)記說明:1-坩禍體、2-籽晶槽、3-保溫屏、4-晶體生長室、5-左下熱電偶、6-右下熱電偶、7-右上熱電偶、8-爐體、9-右加熱器、10-真空裝置、11-左上熱電偶、12-左加熱器、13-后方熱電偶、14-后加熱器、15-前方熱電偶、16-前加熱器、17-加熱板、18-上隔槽、19-下隔槽以及20-板孔。

【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合具體附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
[0025]如圖1、圖2和圖6所示:為了能提高晶體的生產(chǎn)效率，節(jié)約能耗，降低成本，本實(shí)用新型包括爐體8以及位于所述爐體8外的真空裝置10 ;所述爐體8內(nèi)設(shè)有保溫屏3，所述保溫屏3內(nèi)設(shè)有單晶生長坩禍機(jī)構(gòu)，所述單晶生長坩禍機(jī)構(gòu)包括至少兩個坩禍體1，所述單晶生長坩禍機(jī)構(gòu)內(nèi)的坩禍體I相互獨(dú)立。
[0026]具體地，通過真空裝置10能使得爐體8處于真空狀態(tài)，真空裝置10可以采用現(xiàn)有常用的結(jié)構(gòu)，具體不再贅述。保溫屏3可以采用石墨屏，通過保溫屏3能有效隔絕單晶生長坩禍機(jī)構(gòu)與外界的熱交換，確保保溫屏3內(nèi)單晶生長坩禍機(jī)構(gòu)的溫度狀態(tài)。單晶生長坩禍機(jī)構(gòu)內(nèi)的坩禍體I在爐體8內(nèi)呈并列分布，爐體8內(nèi)的坩禍體I的數(shù)量可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置，通過在爐體8內(nèi)設(shè)置至少兩個坩禍體I能夠同時獲得二個藍(lán)寶石單晶，從而提高晶體的生產(chǎn)效率，節(jié)約能耗，降低加工成本。
[0027]所述坩禍體I包括位于上部且豎直分布的長方管型以及位于下部的楔面體，坩禍體I的楔面體內(nèi)設(shè)置有籽晶槽2，所述楔面部的錐度為80° ~110°。所述坩禍體I采用鉬或鎢鉬合金焊接制成。
[0028]本實(shí)用新型實(shí)施例中，每個坩禍體I形成一個單晶的晶體生長室4，坩禍體I的長方管型與楔面體相連接，籽晶槽2也呈長方形狀。
[0029]所述保溫屏3內(nèi)還設(shè)有位于單晶生長坩禍機(jī)構(gòu)外圈的加熱裝置，所述加熱裝置包括均勻分布在坩禍體I外圈的加熱器，所述加熱器在保溫屏3內(nèi)提供位單晶生長的a向、b向以及c向的三維溫度梯度。
[0030]本實(shí)用新型實(shí)施例中，加熱器可以采用電阻加熱或感應(yīng)加熱，加熱的方式是間接加熱坩禍體1，以在坩禍體I內(nèi)獲得生長藍(lán)寶石單晶所需的溫度。爐體8內(nèi)的多個坩禍體I并列分布，加熱器位于所有坩禍體I的外圈，加熱器在所有坩禍體I的前后左右提供熱量，以使得籽晶在坩禍體I內(nèi)在a向、b向以及c向生長，其中，a向、b向以及c向的三維方向與籽晶生長的長度、寬度以及高度方向相對應(yīng)，為本【技術(shù)領(lǐng)域】人員所熟知，此處不再贅述。
[0031]所述加熱器包括右加熱器9、左加熱器12、后加熱器14以及前加熱器16 ;所述右加熱器9位于保溫屏3內(nèi)的右側(cè)，左加熱器12位于保溫屏3內(nèi)的左側(cè)，后加熱器14位于保溫屏3內(nèi)的后側(cè)，前加熱器16位于保溫屏3內(nèi)的前側(cè)；右加熱器9上設(shè)置用于檢測溫度的右上熱電偶7，左加熱器12上設(shè)置用于檢測溫度的左下熱電偶11，后加熱器14上設(shè)置用于檢測溫度的后方熱電偶13，前加熱器16上設(shè)置用于檢測溫度的前方熱電偶15。
[0032]本實(shí)用新型實(shí)施例中，由于坩禍體I的上部呈長方管型，籽晶槽2也呈長方形狀，因此，在保溫屏3內(nèi)設(shè)置四個加熱器，即右加熱器9、左加熱器12、后加熱器14以及前加熱器16，以確保坩禍體I的每個方向上均能獲得熱量。在加熱器上設(shè)置熱電偶，通過熱電偶能檢測相應(yīng)的加熱溫度，根據(jù)檢測溫度能實(shí)現(xiàn)對加熱器工作狀態(tài)的閉環(huán)控制，以在爐體8內(nèi)獲得籽晶生長的精確溫度范圍。一般地，熱電偶將檢測的溫度值輸出到外部，由外部對加熱器以及真空裝置10的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，具體為本【技術(shù)領(lǐng)域】人員所熟知，此處不再贅述。圖1和圖2中，前方熱電偶15包括左下熱電偶6以及右下熱電偶5。
[0033]如圖3、圖4和圖5所示，所述加熱器包括加熱板17，所述加熱板17上設(shè)置若干均勻分布的上隔槽18以及下隔槽19，所述上隔槽18與下隔槽19在加熱板17上呈平行分布，且上隔槽18與下隔槽19在加熱板17的長度方向上交替分布。
[0034]本實(shí)用新型實(shí)施例中，右加熱器9、左加熱器12、后加熱器14以及前加熱器16均采用相同的結(jié)構(gòu)，即都采用加熱板17進(jìn)行加熱，所述加熱板17采用石墨板。上隔槽18、下隔槽19分別從加熱板17的兩側(cè)向內(nèi)延伸，上隔槽18、下隔槽19的長度均小于加熱板17的寬度，加熱板17通過上隔槽18、下隔槽19得到所需的加熱電路。加熱板17的兩端設(shè)置板孔20，通過板孔20用于加熱板17的安裝固定。
[0035]所述加熱板17在背離坩禍體I側(cè)面的水平方向與豎直方向均具有錐度。其中，在水平方向上，以加熱板17的軸線為基準(zhǔn)，中心區(qū)域與端部間的錐度為1° -3°，以使得加熱板17在水平方向的厚度逐漸減小形成中間厚兩邊薄的形狀；垂直方向上，加熱板17的底部與上部間的錐度為以1° -3°，以使得加熱板17在豎直方向上的厚度逐漸減小形成底部厚上面薄的形狀。本實(shí)用新型實(shí)施例中，加熱板17在豎直方向通過上述錐度設(shè)置得到不等厚度的結(jié)構(gòu)，以形成c向的溫度梯度，其中，不等厚度的范圍在44mm到48mm之間；不等厚度設(shè)置原則:1)、保證c向合適的溫度梯度；2)、保證整個加熱器的電阻在0.04歐姆。
[0036]以具有兩個坩禍體I的單晶生長坩禍機(jī)構(gòu)為例，對藍(lán)寶石單晶生長的過程進(jìn)行說明。使用兩個坩禍體I的壁厚3mm，長度300mm，寬度100mm，高度100mm。坩禍籽晶槽2的深度為10mm，寬度為15mm，長度為120mm。將兩個c向籽晶放置在兩個坩禍的籽晶槽2內(nèi)，裝入高純氧化鋁(> 99.999wt%)原料放入坩禍體I內(nèi)，關(guān)閉爐蓋，開啟真空裝置10。
[0037]當(dāng)爐體8內(nèi)真空度達(dá)到2X10_3Pa后，啟動加熱裝置以升溫至1400°C，保持恒溫三小時至真空度再次達(dá)到2X 10_3Pa后，繼續(xù)升溫直至氧化鋁開始融化，用鎢探針探測固液界面的位置，控制升溫速率使籽晶部分融化，待原料全部融化后，以0.15°C /分的速度下降，直到晶體生長結(jié)束，逐步提高降溫速率使晶體冷卻至室溫，取出藍(lán)寶石晶體，獲得二個長300mm、寬100mm、高10mm完全沒有類似氣泡、雙晶、裂紋等內(nèi)部缺陷的藍(lán)寶石晶體。
[0038]以上實(shí)施例僅供說明本實(shí)用新型只用，而非對本實(shí)用新型的限制，有關(guān)【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員，在不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變換或變型，因此所有等同的技術(shù)方案，都落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種多坩禍三維藍(lán)寶石單晶生長裝置，包括爐體(8)以及位于所述爐體(8)外的真空裝置(10);其特征是:所述爐體(8)內(nèi)設(shè)有保溫屏(3)，所述保溫屏(3)內(nèi)設(shè)有單晶生長坩禍機(jī)構(gòu)，所述單晶生長坩禍機(jī)構(gòu)包括至少兩個坩禍體(I )，所述單晶生長坩禍機(jī)構(gòu)內(nèi)的坩禍體(I)相互獨(dú)立。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多坩禍三維藍(lán)寶石單晶生長裝置，其特征是:所述坩禍體(I)包括位于上部且豎直分布的長方管型以及位于下部的楔面體，坩禍體(I)的楔面體內(nèi)設(shè)置有籽晶槽，所述楔面部的錐度為80° ~110°。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多坩禍三維藍(lán)寶石單晶生長裝置，其特征是:所述保溫屏(3)內(nèi)還設(shè)有位于單晶生長坩禍機(jī)構(gòu)外圈的加熱裝置，所述加熱裝置包括均勻分布在坩禍體(I)外圈的加熱器，所述加熱器在保溫屏(3)內(nèi)提供位單晶生長的a向、b向以及c向的三維溫度梯度。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多坩禍三維藍(lán)寶石單晶生長裝置，其特征是:所述加熱器包括右加熱器(9)、左加熱器(12)、后加熱器(14)以及前加熱器(16);所述右加熱器(9)位于保溫屏(3)內(nèi)的右側(cè)，左加熱器(12)位于保溫屏(3)內(nèi)的左側(cè)，后加熱器(14)位于保溫屏(3)內(nèi)的后側(cè)，前加熱器(16)位于保溫屏(3)內(nèi)的前側(cè)；右加熱器(9)上設(shè)置用于檢測溫度的右上熱電偶(7)，左加熱器(12)上設(shè)置用于檢測溫度的左下熱電偶(11)，后加熱器(14)上設(shè)置用于檢測溫度的后方熱電偶(13)，前加熱器(16)上設(shè)置用于檢測溫度的前方熱電偶(15)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多坩禍三維藍(lán)寶石單晶生長裝置，其特征是:所述坩禍體(I)采用鉬或鎢鉬合金焊接制成。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多坩禍三維藍(lán)寶石單晶生長裝置，其特征是:所述加熱器包括加熱板(17)，所述加熱板(17)上設(shè)置若干均勻分布的上隔槽(18)以及下隔槽(19)，所述上隔槽(18)與下隔槽(19)在加熱板(17)上呈平行分布，且上隔槽(18)與下隔槽(19)在加熱板(17)的長度方向上交替分布。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多坩禍三維藍(lán)寶石單晶生長裝置，其特征是:所述加熱板(17)在背離坩禍體(I)側(cè)面的水平方向與豎直方向均具有錐度。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多坩禍三維藍(lán)寶石單晶生長裝置，其特征是:在水平方向上，以加熱板(17)的軸線為基準(zhǔn)，中心區(qū)域與端部間的錐度為1° -3° ;垂直方向上，加熱板(17)的底部與上部間的錐度為以1° -3°。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多坩禍三維藍(lán)寶石單晶生長裝置，其特征是:所述加熱板(17)采用石墨板。
【文檔編號】C30B35-00GK204281896SQ201420709199
【發(fā)明者】倪屹, 司繼良, 張 杰, 鞏瀟, 劉銀法, 劉棋奇 [申請人]江南大學(xué)