本發(fā)明涉及一種用于晶體生長的新型加熱裝置，具體涉及到一種應(yīng)用于晶體生長爐中可以長時間有效建立合適溫度場的加熱裝置，屬于晶體生長技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

人工晶體材料因其能實(shí)現(xiàn)電、光、聲、熱、磁、力等不同形式能量之間的轉(zhuǎn)換和相互作用，成為高新技術(shù)中不可或缺的關(guān)鍵性功能材料，被廣泛用于通訊、計(jì)算機(jī)、醫(yī)療、核物理、探測、電子設(shè)備等民用領(lǐng)域。近年來，隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展，市場對的人工晶體需求持續(xù)增長，主要向著高品質(zhì)、低成本和大規(guī)模方向發(fā)展。

人工晶體的制備方法有很多，主要分為常溫溶液法、高溫溶液/熔體法、氣相法和固相法等。其中采用高溫溶液/熔體法生長晶體必需要將原料加熱熔化然后在合適的溫度場下結(jié)晶而成；氣相法需要將原料加熱到升華點(diǎn)后在合適的溫度場和氣流場作用下凝結(jié)而成。目前通常用于將原料加熱的方式主要有電阻式、感應(yīng)式和激光加熱等方式。

電阻加熱一般采用電流通過電阻絲、硅碳棒、硅鉬棒、鎢、鉬等材料來產(chǎn)生熱量。其中電阻絲、硅碳棒和硅鉬棒由于溫度限制，最高只能使用到1700℃，但長時間使用會發(fā)生變形，容易失效。而感應(yīng)加熱則是通過將發(fā)熱體置于交變磁場中產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致發(fā)熱件發(fā)熱，其發(fā)熱體可以是鑄鐵、鉑金、銥金、石墨和鉬等材料。這種加熱方式最高使用溫度由發(fā)熱體的熔點(diǎn)決定，可以長時間使用，而且加熱快速、高效，廣泛的應(yīng)用于金屬熔煉、焊接、保溫及晶體生長等設(shè)備中。

不同于其它領(lǐng)域，用于晶體生長的感應(yīng)加熱方式除了提供基本的加熱功能外，還必需起到構(gòu)筑溫度場的作用，而這對于生長高品質(zhì)晶體來說是至關(guān)重要的。因?yàn)榫w生長系統(tǒng)的溫度場將影響生長固液界面處的溫度梯度，將直接決定晶體生長能否順利進(jìn)行和晶體的品質(zhì)的優(yōu)劣(控制晶體中的缺陷)。

不同的晶體需要的溫度場也不相同，一般情況下大的溫度梯度利于晶體生長，可以提高晶體生長速度，但是會在晶體中產(chǎn)生大的應(yīng)力，從而導(dǎo)致晶體開裂。另外，溫場還影響晶體生長的固液界面形狀，一般條件下，都希望獲得平界面(或者微凸)以提高晶體質(zhì)量，抑制晶體缺陷?？傊?，根據(jù)不同的晶體類型，需要設(shè)計(jì)構(gòu)筑不同的溫度場，以滿足生長高品質(zhì)晶體的需要。

如果晶體生長系統(tǒng)采用感應(yīng)加熱方式，其在構(gòu)筑溫度場的過程中，均為直接采用坩 堝作為發(fā)熱體，但是又因?yàn)檑釄宓男螤詈统叽缡艿剿L晶體的形狀和尺寸限制，不能自由變動，所以其調(diào)節(jié)溫度場的作用非常弱。鑒于上述原因，傳統(tǒng)的感應(yīng)加熱方式主要都是依靠調(diào)節(jié)保溫材料的形狀和尺寸來調(diào)整溫度場的。雖然大部分條件下，一定程度上能夠滿足晶體生長需要，但是改變保溫材料的形狀和尺寸非常費(fèi)時耗力，并且對于特殊晶體的生長將不能滿足實(shí)際使用需要。

比如，硼酸氧鈣釔晶體(YCa₄B₃O₁₀，以下簡寫成YCOB)是一種非常重要的非線性光學(xué)晶體材料，在超強(qiáng)激光領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，但是其能獲得應(yīng)用的前提必須要有大尺寸(口徑大于200mm×200mm)、高品質(zhì)(無包裹體、氣泡等缺陷)。目前，公開報(bào)道的小尺寸YCOB晶體的生長方法主要有布里奇曼法(參見Materials research bulletin 2012，47：2689-2691)和提拉法(參見Journal of crystal growth 2014，401：160-163)，但其最大尺寸只有100mm，無法達(dá)到應(yīng)用要求。分析其原因，主要是提拉法生長大尺寸YCOB晶體不能有效控制晶體中的缺陷，而且其晶體內(nèi)應(yīng)力大，容易開裂，導(dǎo)致最終不能獲得大尺寸高品質(zhì)晶體；然而，布里奇曼法雖然可以生長高質(zhì)量YCOB晶體，但是生長大尺寸YCOB晶體時，其生長周期超過30天；而且YCOB晶體熔點(diǎn)為1510℃，加上生長需要一定的溫度梯度，所以生長爐的溫度達(dá)到了1600℃，如此苛刻的生長條件基本都達(dá)到了布里奇曼法的生長極限。實(shí)驗(yàn)也證明現(xiàn)有的布里奇曼法無法滿足這一要求的，其加熱元件硅鉬棒在生長到15～25天就會因?yàn)樾巫冞^大而斷裂。要解決上述問題就必需要改變布里奇曼法的加熱方式。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，雖然采用鎢、鉬作為發(fā)熱體的布里奇曼法雖然可以勝任YCOB晶體生長的溫度，但是YCOB是氧化物晶體，而鎢、鉬不能用在氧化環(huán)境中，所以不能采用。

綜上所述，晶體生長領(lǐng)域十分迫切需要新型的加熱方式來滿足不同晶體的生長需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種可用于晶體生長的新型加熱方式，其不僅能滿足傳統(tǒng)的加熱功能，還具有可以靈活調(diào)節(jié)晶體生長溫場的功能。對發(fā)熱體的形狀、尺寸進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整就可以適用于生長不同種類的晶體，將其用于布里奇曼法中必將會拓寬布里奇曼法的使用范圍。

在此，本發(fā)明提供一種用于晶體生長的加熱裝置，所述加熱裝置從中心向外依次包括：坩堝、發(fā)熱體、保溫材料和感應(yīng)線圈，其中，

所述坩堝用于容納生長晶體的熔體且不具備發(fā)熱功能；

所述發(fā)熱體與所述坩堝相隔開，且接收所述感應(yīng)線圈的信號來發(fā)熱而作為晶體生長的熱源。

本發(fā)明的加熱裝置摒棄了傳統(tǒng)的感應(yīng)式晶體生長爐直接采用坩堝來作為發(fā)熱體的加熱方式，改用獨(dú)立的發(fā)熱體來作為加熱元件，使坩堝不再具有加熱體的功能。本發(fā)明不僅打破了以坩堝作為發(fā)熱體只能依靠調(diào)節(jié)保溫材料被動地來構(gòu)筑溫場的傳統(tǒng)做法，可以通過調(diào)節(jié)發(fā)熱體的形狀和尺寸來主動構(gòu)筑合適的溫場；另外，還可以將感應(yīng)加熱的方式應(yīng)用于布里奇曼法晶體生長中，拓寬了布里奇曼法的使用范圍。本發(fā)明簡單實(shí)用，不需要對原來的生長系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模改造即可實(shí)施，適用于所有采用感應(yīng)加熱方式進(jìn)行晶體生長的系統(tǒng)中，特別適用于高溫布里奇曼法晶體生長系統(tǒng)中。

較佳地，所述加熱裝置還包括位于所述坩堝和所述發(fā)熱體之間的填充介質(zhì)。

較佳地，所述坩堝的形狀和尺寸根據(jù)所生長的晶體的形狀和尺寸來確定。

較佳地，所述坩堝的材質(zhì)根據(jù)所生長的晶體的種類和生長氣氛來確定。

較佳地，通過調(diào)整所述發(fā)熱體的形狀和尺寸來獲得晶體生長所需的溫度場。

較佳地，所述發(fā)熱體的材質(zhì)為能夠接收感應(yīng)加熱的材料，并根據(jù)所生長的晶體的種類來確定。

較佳地，通過調(diào)整所述保溫材料的形狀和尺寸來輔助構(gòu)筑溫度場。

較佳地，通過調(diào)整所述填充介質(zhì)的形狀和尺寸來輔助構(gòu)筑溫度場。

較佳地，所述加熱裝置用于提拉法、布里奇曼法、泡生法、氣相輸運(yùn)及其它采用感應(yīng)加熱方式進(jìn)行晶體生長的方法。

本發(fā)明還提供一種具備上述用于晶體生長的加熱裝置的晶體生長爐。

本發(fā)明提供的新型加熱裝置不僅在調(diào)節(jié)溫度場方面有重大改進(jìn)，使可調(diào)節(jié)的參數(shù)變多，且也相對容易快速實(shí)現(xiàn)，又可以將感應(yīng)加熱的方式拓展到布里奇曼法晶體生長中，拓寬了布里奇曼法的使用范圍。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一個示例的用于晶體生長的加熱裝置的示意圖，其中，1-坩堝，2-填充介質(zhì)，3-發(fā)熱體，4-保溫材料，5-感應(yīng)線圈；

圖2為兩種典型的發(fā)熱體的形狀。

具體實(shí)施方式

以下，參照附圖，并結(jié)合下述實(shí)施方式進(jìn)一步說明本發(fā)明。應(yīng)理解這些附圖和實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而不用于限制本發(fā)明。

本發(fā)明提供一種晶體生長的新型加熱裝置，具體是一種應(yīng)用于晶體生長爐中可以長 時間有效建立合適溫度場的加熱裝置。

圖1示出本發(fā)明一個示例的用于晶體生長的加熱裝置的示意圖。如圖1所示，所述加熱裝置從中心向外可以包括：坩堝1、填充介質(zhì)2、發(fā)熱體3、保溫材料4和感應(yīng)線圈5。

所述的坩堝1主要用于盛裝熔體，與傳統(tǒng)的加熱方式相比，本發(fā)明中的坩堝不具備發(fā)熱體的功能，僅承擔(dān)容器的功能。

坩堝的形狀和尺寸可以根據(jù)不同的生長方法、生長不同的晶體的形狀來做相應(yīng)的調(diào)整。比如，用于提拉法生長晶體時可以做成圓形，尺寸根據(jù)需要生長晶體的尺寸來設(shè)計(jì)確定；在布里奇曼法中，坩堝形狀和尺寸要與所生長的晶體的形狀和尺寸一致，可以是圓形、方形及其它不規(guī)則形狀等。

坩堝的材質(zhì)根據(jù)所生長晶體的生長氣氛的不同，可以對應(yīng)選用，包括：鉑金、銥金、石墨、石英等材料。

也就是說，坩堝的形狀、尺寸、和材質(zhì)可根據(jù)生長的晶體材料種類來設(shè)計(jì)確定，而與晶體生長所需的溫度場關(guān)系不大。例如，其形狀可根據(jù)所生長晶體的形狀來設(shè)計(jì)，可以是圓形、方形和不規(guī)則形狀等；其材質(zhì)可以是晶體生長通常所采用的鉑金、銥金、石英、石墨等材料，但其選擇必需根據(jù)所生長的晶體種類來合理選用。例如：鉑金坩堝可以使用在各種氣氛中，但是受到其熔點(diǎn)的限制，最高只能使用到1600℃；銥金坩堝只能適用在惰性氣氛或微氧的氣氛種，不能直接適用在氧氣氣氛中；石英坩堝也因?yàn)槠淙埸c(diǎn)低，而被限制在1000℃以下使用；石墨坩堝只能使用在還原或者惰性氣氛中，不能有一點(diǎn)氧氣存在。

填充介質(zhì)2位于坩堝1和發(fā)熱體3之間，主要用來隔離坩堝1和發(fā)熱體3。但是，應(yīng)理解，本發(fā)明也可以不包括填充材質(zhì)2，即、坩堝1和發(fā)熱體3之間也可以直接相隔開而不填充介質(zhì)(即坩堝1和發(fā)熱體3之間為生長氣氛)。在不設(shè)置填充材質(zhì)2時，坩堝1和發(fā)熱體3之間的間隔距離可以根據(jù)所生長的晶體對溫度場的要求來設(shè)計(jì)確定，例如可為1～10mm。

填充介質(zhì)2另外也起到輔助構(gòu)筑溫度場的作用，其形狀、尺寸和材質(zhì)可以根據(jù)坩堝和溫度場要求來選擇。具體而言，其形狀、尺寸可以與坩堝的形狀、尺寸相匹配。其材質(zhì)、厚度和有無可以根據(jù)所生長的晶體對溫度場的要求來設(shè)計(jì)確定。例如，其厚度可為1～20mm。其材質(zhì)包括但不限于選用氧化鋁、氧化鋯、碳?xì)?、石棉等常用的保溫材料及其衍生制品?/p>

發(fā)熱體3主要用來接收感應(yīng)線圈5的信號來產(chǎn)生熱量，是晶體生長的熱源，因此其形狀、尺寸將直接影響晶體生長系統(tǒng)的溫度場。本發(fā)明中可以通過調(diào)整其形狀和尺寸來獲得 晶體生長理想的溫度場。

即，發(fā)熱體3的形狀、尺寸和材質(zhì)根據(jù)所生長的晶體材料及其所需要的溫度場來設(shè)計(jì)確定。其形狀可以與所生長的晶體的形狀基本保持一致，但也可以有所不同，其宗旨就是構(gòu)筑合適的溫度場，例如可以是圓形、方形和不規(guī)則形狀等。也就是說，其形狀和尺寸還可以根據(jù)坩堝的形狀和尺寸來確定，優(yōu)選為與坩堝的形狀和尺寸相匹配。

圖2示出兩種典型的發(fā)熱體的形狀。其中左圖為圓形，其形狀主要包括三個尺寸，高度H，外圍尺寸Do和內(nèi)圍尺寸Di。高度H可為50～100mm，外圍尺寸Do可為50～100mm，內(nèi)圍尺寸Di可為48～98mm。右圖為方形，其高度可為50～100mm，外圍長度可為50～100mm，外圍寬度可為48～98mm。

發(fā)熱體3的材質(zhì)可以根據(jù)生長的晶體的種類來確定，可以選用能夠接收感應(yīng)加熱的一切材料，常用的包括但不限于：鑄鐵、鉑金、銥金、石墨、鎢、鉬等。

保溫材料4主要起到保溫和輔助構(gòu)筑溫場的作用，另外也起到節(jié)能降耗的作用。在傳統(tǒng)的加熱方式中，由于坩堝是發(fā)熱體，而且形狀和尺寸都受到了所生長晶體的限制，其在調(diào)節(jié)溫度場方面的作用要小許多，所以保溫材料在構(gòu)筑溫度場方面就扮演著非常重要的角色。本發(fā)明提供的新型加熱方式，因?yàn)橛袉为?dú)的發(fā)熱體可以用來調(diào)節(jié)溫度場，所以保溫材料調(diào)節(jié)溫度場的功能有所減弱。保溫材料4優(yōu)選為與發(fā)熱體3緊密鄰接。

保溫材料4的形狀、尺寸可根據(jù)所生長的晶體材料所需要的溫度場來設(shè)計(jì)確定。例如，其厚度可為20～100mm。

保溫材料4的材質(zhì)的選用只受所生長的晶體的生長氣氛和最高生長溫度限制，可選用常用的保溫材料，包括但不限于氧化鋁、氧化鋯、碳?xì)?、石棉等材料，也包括這些材料的衍生制品，如氧化鋁空心球制品、氧化鋯纖維等等。

感應(yīng)線圈5主要起接收外部電源信號，然后傳遞至發(fā)熱體的功能。其形狀和尺寸一般可以根據(jù)保溫材料的外圍形狀和尺寸來確定。感應(yīng)線圈5的材質(zhì)不限，可以采用任何具有其功能的材質(zhì)，例如空心銅管等。

本發(fā)明還提供一種加熱方法，即不以坩堝為加熱元件，而是以獨(dú)立于坩堝的發(fā)熱體作為加熱元件進(jìn)行加熱，并通過調(diào)節(jié)所述發(fā)熱體的形狀和尺寸來構(gòu)筑合適的溫度場。另外，還可以通過調(diào)節(jié)所述填充材料和/或所述保溫材料的形狀和尺寸來輔助構(gòu)筑溫度場。

本發(fā)明的加熱裝置和加熱方法適用于提拉法、布里奇曼法、泡生法、氣相輸運(yùn)及其它采用感應(yīng)加熱方式進(jìn)行晶體生長的方法。尤其是應(yīng)用于布里奇曼法晶體生長中，拓寬了布里奇曼法的使用范圍。

在傳統(tǒng)的布里奇曼法中，坩堝隨著晶體的生長在不斷的向下運(yùn)動，如果采用感應(yīng)加熱的方式，由于坩堝同時也具有發(fā)熱體的作用，那么整個發(fā)熱體在生長的過程中都在不斷地移動，直接導(dǎo)致溫度長在不斷變化，所以不能采用。但是本發(fā)明提供的新型加熱裝置和加熱方法，坩堝和發(fā)熱體是相對獨(dú)立的，晶體的生長不會影響溫度場，所以可以采用感應(yīng)加熱。

比如，在布里奇曼法生長YCOB晶體的系統(tǒng)中，如果采用本發(fā)明的新型加熱裝置和加熱方法，發(fā)熱體選用鉑金就會解決原系統(tǒng)硅鉬棒不能長時間工作的問題，為YCOB晶體生長提供穩(wěn)定、高效的加熱源。

從上述的原理來看，本發(fā)明提供的新型加熱裝置和加熱方法不僅在調(diào)節(jié)溫度場方面有重大改進(jìn)，使可調(diào)節(jié)的參數(shù)變多(例如可以以調(diào)節(jié)發(fā)熱體的形狀和尺寸為主，以調(diào)節(jié)填充介質(zhì)和/或保溫材料的形狀和尺寸為輔)，且也相對容易快速實(shí)現(xiàn)，又將感應(yīng)加熱的方式拓展到布里奇曼法晶體生長中。

本發(fā)明還提供一種具有上述加熱裝置的晶體生長爐。該晶體生長爐還可以具備其它裝置，例如籽晶桿、爐罩等。應(yīng)理解，該晶體生長爐的其它構(gòu)件沒有限制，只要不影響本發(fā)明的目的即可。將本發(fā)明的加熱裝置用于晶體生長爐時，不需要對原來的生長系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模改造即可實(shí)施，適用于所有采用感應(yīng)加熱方式進(jìn)行晶體生長的系統(tǒng)中，特別適用于高溫布里奇曼法晶體生長系統(tǒng)中。

下面進(jìn)一步例舉實(shí)施例以詳細(xì)說明本發(fā)明。同樣應(yīng)理解，以下實(shí)施例只用于對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容作出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。下述示例具體的參數(shù)也僅是合適范圍中的一個示例，即、本領(lǐng)域技術(shù)人員可以通過本文的說明做合適的范圍內(nèi)選擇，而并非要限定于下文示例的具體數(shù)值。

實(shí)施例1

結(jié)構(gòu)如圖1所示，坩堝采用Φ100mm×80mm×2mm的圓形銥金制成；填充介質(zhì)為生長氣氛(相當(dāng)于無填充介質(zhì))，厚度為4mm；發(fā)熱體采用銥金制成，其外圍尺寸為Φ112mm，內(nèi)圍尺寸為Φ108mm，高度為90mm；保溫材料選用氧化鋁陶瓷制品，厚度為40mm；感應(yīng)線圈采用空心圓銅管制成，其內(nèi)徑為200mm。此系統(tǒng)用于提拉法生長2英寸YCOB晶體，獲得的晶體尺寸為Φ55mm×120mm，晶體完整，無散射顆粒、包裹體、氣泡等缺陷，可用于切取壓電和非線性光學(xué)用元件。

實(shí)施例2

結(jié)構(gòu)如圖1所示，坩堝采用80mm×50×120mm×0.2mm(長×寬×高×厚度)的方形鉑金 制成；填充介質(zhì)為煅燒氧化鋁砂，厚度為15mm；發(fā)熱體采用鉑金制成，其外圍尺寸為100mm×70mm，厚度為2mm，高度為60mm；保溫材料選用氧化鋯陶瓷制品，厚度為30mm；感應(yīng)線圈采用空心方銅管制成，其內(nèi)圍尺寸140mm×110mm。此系統(tǒng)用于布里奇曼法生長3英寸YCOB晶體，獲得的晶體尺寸為80mm×50mm×120mm，晶體完整，無散射顆粒、包裹體、氣泡等缺陷，可用于切取壓電和非線性光學(xué)用元件。

雖然，上文中已經(jīng)用一般性說明、具體實(shí)施方式等對本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，可以對之作一些修改或改進(jìn)，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進(jìn)，均屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。