上保温结构及晶体生长设备的制作方法

本实用新型涉及泡生法制造蓝宝石的技术领域，尤其是涉及一种上保温结构及晶体生长设备。

背景技术：

蓝宝石晶体(俗称刚玉)具有高的光学透过率，还具有高机械强度，极低的吸收系数，高温耐熔性，良好的化学稳定性，是优良的激光基质材料，是各种光学元件和红外军事装置、卫星空间技术、高强度激光的窗口材料，几乎遍及所有衬底应用领域。目前，蓝宝石的生长方法主要有提拉法，倒模法，泡生法，热交换法等。其中泡生法生长系统拥有适合蓝宝石品体生长的最佳温度梯度。在生长的过程中或结束时，晶体不与坩埚接触，大大减少了其应力，可获得高质量的大晶体，是目前蓝宝石晶体生长的主流方法。

利用泡生法产生蓝宝石，现有的晶体生长设备包括沿坩埚外壁设置的加热装置，先将原料在坩埚加热至熔点后熔化形成熔汤。然后逐渐调整加热装置，使液面中心位置温度略高于熔点温度。再以籽晶接触到熔汤表面，调整加热装置使熔汤表面温度等于熔点温度，在晶种与熔汤的固液界面上开始生长和晶种相同晶体结构的蓝宝石单晶。

使用现有的晶体生长炉进行蓝宝石单晶生长生长过程中存在以下问题：晶体生长的初期主要以径向扩肩为主，而该阶段热场的径向温差影响着晶体生长的品质，现有的晶体生长设备在液面上形成的径向温差过小，导致温度调节范围小，不容易对温度进行调节，最终造成产出的蓝宝石晶体的肩部具有大量气泡。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供上保温结构及晶体生长设备，以解决现有的晶体生长设备在液面上形成的径向温差过小，导致温度调节范围小，不容易对温度进行调节，最终造成产出的蓝宝石晶体的肩部具有大量气泡的技术问题。

本实用新型提供的上保温结构，包括沿上下方向层叠且间隔设置的多个环形热屏，所述多个环形热屏同心设置；每层环形热屏用于将下方辐射来的热量反射到下方；

自下而上，所述上保温结构包括温差部、散热部和保温部，所述温差部包括多个第一环形热屏，自下而上，所述多个第一环形热屏的内径逐渐增大；所述散热部包括多个第二环形热屏，所述第二环形热屏的内径大于所述多个第一环形热屏中的任意一个；所述保温部包括多个第三环形热屏，所述第三环形热屏的内径小于所述多个第一热屏中的任意一个。

进一步的，所述多个第二环形热屏的内径相等。

进一步的，所述多个第三环形热屏的内径相等。

进一步的，所述第一环形热屏的数量为五个，且自上而下，所述多个第一环形热屏的内径依次为60、70、80、90、100mm；所述第二环形热屏的内径为150mm；所述第三环形热屏的内径为55mm。

进一步的，所述上保温结构包括由多个环形热屏叠加形成的坩埚盖屏和上热屏，所述坩埚盖屏固定在坩埚开口，所述上热屏扣挂在所述坩埚盖屏上方，且所述上热屏的下底面与坩埚盖屏的上顶面之间存在间隙。

进一步的，自所述上热屏下底面向上，依次设置有多个第二环形热屏，自所述坩埚盖屏上顶面向下，依次设置有多个第二环形热屏，以使所述上热屏扣挂在所述坩埚盖屏上方时，形成散热部。

进一步的，所述坩埚盖屏上任意相邻两个所述环形热屏之间设置有支撑件。

进一步的，所述上热屏上开设有观察孔，所述观察孔用于观察坩埚内晶体的生长情况，所述观察孔与竖直方向的夹角小于等于9°。

进一步的，所述上保温结构包括多根固定杆，多个所述环形热屏插接在所述固定杆上，所述固定杆上设置有螺纹，且每个所述环形热屏与所述固定杆的连接处下方设置有螺母，所述螺母用于托住所述环形热屏。

本实用新型提供的晶体生长设备，包括上述的上保温结构。

本实用新型提供的上保温结构，所述上保温结构设置在坩埚口上方，包括沿上下方向层叠且间隔设置的多个环形热屏，所述多个环形热屏同心设置，所述多个环形热屏的中心孔形成籽晶夹持器进入坩埚的通道。每层环形热屏用于将下方辐射来的热量反射到下方，也就是说，环形热屏可以将坩埚内部向上辐射的热量进行反射，从而尽可能减少热量的散失，实现保温效果。自下而上，所述上保温结构包括温差部、散热部和保温部，所述温差部包括多个第一环形热屏，自下而上，所述多个第一环形热屏的内径逐渐增大，因为环形热屏有着反射热辐射的作用，所以沿所述上保温结构的轴向中心至边缘，温差部反射的热辐射量逐渐增加，从而形成一定的温度梯度。所述散热部包括多个第二环形热屏，所述第二环形热屏的内径大于所述多个第一环形热屏中的任意一个，散热部使坩埚内部中间位置的环形热屏反射热辐射的叠加量降低了，可以在加热初期使中间位置处的液面温度更难上升到熔点温度，必须要加大坩埚周围的加热装置的功率，从而就使得液面中心到边缘的温度差加大了，这样在扩肩时期，温度调节的范围也就更大了，晶体生长更容易控制了；所述保温部包括多个第三环形热屏，所述第三环形热屏的内径小于所述多个第一热屏中的任意一个，用于保温。本实用新型提供的上保温结构，可以增加扩肩时期，径向的温度差，增大温度调节范围，使晶体生长更容易控制。

本实用新型提供的晶体生长设备，包括上述的上保温结构。可以增加扩肩时期，径向的温度差，增大温度调节范围，使晶体生长更容易控制。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的上保温结构的示意图；

图2为本实用新型实施例提供的上保温结构的剖视图；

图3为本实用新型实施例提供的上保温结构的内部结构示意图；

图4为图2坩埚盖屏位置处的局部放大图；

图5为图2固定杆位置处的局部放大图。

图标：100-温差部；110-第一环形热屏；200-散热部；210-第二环形热屏；300-保温部；310-第三环形热屏；400-坩埚盖屏；410-支撑件；500-上热屏；520-观察孔；600-固定杆；610-螺母。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1-3所示，本实用新型提供的上保温结构，所述上保温结构设置在坩埚口上方，包括沿上下方向层叠且间隔设置的多个环形热屏，所述多个环形热屏同心设置，所述多个环形热屏的中心孔形成籽晶夹持器进入坩埚的通道。每层环形热屏用于将下方辐射来的热量反射到下方，也就是说，环形热屏可以将坩埚内部向上辐射的热量进行反射，从而尽可能减少热量的散失，实现保温效果。自下而上，所述上保温结构包括温差部100、散热部200和保温部300，所述温差部100包括多个第一环形热屏110，自下而上，所述多个第一环形热屏110的内径逐渐增大，因为环形热屏有着反射热辐射的作用，所以沿所述上保温结构的轴向中心至边缘，温差部100反射的热辐射量逐渐增加，从而形成一定的温度梯度。所述散热部200包括多个第二环形热屏210，所述第二环形热屏210的内径大于所述多个第一环形热屏110中的任意一个，散热部200使坩埚内部中间位置的环形热屏反射热辐射的叠加量降低了，可以在加热初期使中间位置处的液面温度更难上升到熔点温度，必须要加大坩埚周围的加热装置的功率，从而就使得液面中心到边缘的温度差加大了，这样在扩肩时期，温度调节的范围也就更大了，晶体生长更容易控制了；所述保温部300包括多个第三环形热屏310，所述第三环形热屏310的内径小于所述多个第一热屏中的任意一个，用于保温。本实用新型提供的上保温结构，可以增加扩肩时期，径向的温度差，增大温度调节范围，使晶体生长更容易控制。

需要说明的，环形热屏中心孔的形状优选为圆形，但是并不仅限于圆形，可以为四边形等。下述实施例中以中心孔为圆形为例对上保温结构进行说明。

优选地，如图3所示，所述多个第二环形热屏210的内径相等。从而可以在温差部100上方形成一个圆柱形的间隙，这部分间隙不会对坩埚内部辐射过来的热量进行反射，所以这部分下面的液面温度在加热初期更难达到需要的熔点温度，所以必须增加加热装置的功率，这样，靠近坩埚壁的液面温度自然就高了，而液面中心的温度需要是熔点温度，所以就增加了中心到边缘之间的温度差。

所述多个第三环形热屏310的内径相等。设置在最上面的保温层，是为了防止热量过渡的散失，所以将中心孔的内径设置的相对温差部100和散热部200的环形热屏小一些，以保证坩埚内部的整体温度适合晶体的生长。

具体的，保温部300内第三环形热屏310的数量可以为14片，且第三环形热屏310的中心孔直径可以为55mm，散热部200内第二环形热屏210的数量可以为7片，第二环形热屏210的中心孔直径可以为150mm，温差部100的第一热屏数量可以为5片，自下而上，中心孔的直径依次为60、70、80、90、100mm，作为优选的结构组合，以这种结构形成的上保温结构，液面径向的温度差更大，更容易控制晶体的生长。

温差部100设置在所述坩埚的开口位置处。因为越是靠近坩埚开口，环形热屏反射热辐射的效果越明显。而呈阶梯状的温差部100可以有效的形成径向温度梯度，所以将温差设置在最靠近坩埚开口位置处，而紧接着将散热部200设置在温差部100的上方，使得散热部200的散热效果更加明显。

所述上保温结构包括由多个环形热屏叠加形成的坩埚盖屏400和上热屏500，所述坩埚盖屏400固定在坩埚开口，所述上热屏500扣挂在所述坩埚盖屏400上方，且所述上热屏500的下底面与坩埚盖屏400的上顶面之间存在间隙。上热屏500和坩埚盖屏400之间是可以分离开的，当将上热屏500扣挂在坩埚盖屏400上时，二者之间是存在间隙的，这个间隙一方面是为了保证上热屏500的最下一片热屏的反射功能可以实现。另一方面，是防止坩埚盖屏400与上热屏500完全接触后发生碰撞，对热屏造成损伤。

所述温差部100可以设置在坩埚盖屏400上，所述散热部200可以设置在上热屏500或者坩埚盖屏400上。

具体地，自所述上热屏500下底面向上，依次设置有多个第二环形热屏210，自所述坩埚盖屏400上顶面向下，依次设置有多个第二环形热屏210，以使所述上热屏500扣挂在所述坩埚盖屏400上方时，形成散热部200。上热屏500的上部为保温部300，中心孔的的直径较小，上热屏500的下部为多个第二环形热屏210，中心孔直径较大。坩埚盖屏400的上部为多个第二环形热屏210，这两部分的第二环形热屏210组合形成散热部200。将散热部200的两部分分别设置在上热屏500和坩埚盖屏400上，当上热屏500扣挂在坩埚盖屏400上后，第一温差部100形成。之所以将第一温差部100分成了两个部分分别设置在上热屏500和坩埚盖屏400上，主要是为了防止温差部100上方的环形热屏的中心孔堵塞。

具体原理如下，坩埚内部的部分氧化铝的蒸汽从温差部100飞出后，将会继续向上运动，而散热部200形成的较大容积的间隙可以使氧化铝蒸汽充分的扩散，而不是直接就附着在最靠近温差部100的环形热屏的中心孔处，导致中心孔堵塞了。所以散热部200还起到了防止靠近温差部100的环形热屏中心孔堵塞的技术效果。

所述坩埚盖屏400上任意相邻两个所述环形热屏之间设置有支撑件410。

因为坩埚盖屏400离坩埚比较近，而晶体生长过程中，坩埚内的温度高达2000多度，所以长时间使用后，离坩埚较近的坩埚盖屏400更容易受热变形，所以在每两个环形热屏之间设置支撑件410，从而起到一定的支撑作用，防止环形热屏受热后因为重力作用产生向下的形变。

具体的，如图4所示，支撑件410可以为“U”形板，支撑件410的数量为4个，且相邻两个支撑件410之间呈90度。

所述上热屏500上开设有观察孔520，所述观察孔520用于观察坩埚内晶体的生长情况，所述观察孔520与竖直方向的夹角小于等于9°。在晶体的生长过程中，工作人员需要通过观察孔520对晶体的生长方向进行观察，因为晶体生长的设备具有一定的高度，所以将观察孔520倾斜设置，在晶体生长设备旁边的工作人员可以更加方便的观察到坩埚内的景象。

所述观察孔520的数量为两个，两个观察孔520呈90度，工作人员可以从相互垂直的两个方向对晶体生长情况进行观察。具体地，观察孔520的横截面形状为“L”形，“L”形孔远离中心位置的两个内壁为斜面，增大了引晶的视野范围。

如图5所示，所述上保温结构包括固定杆600，所述固定杆600的数量为多根，固定杆600插接在环形热屏的边缘位置处，固定杆600上设置有螺纹，且每个所述环形热屏与所述固定杆600的连接处下方设置有螺母610，螺母610用于托住所述环形热屏。因为环形热屏距离热源越近反射热辐射的效率越高，坩埚内的温度也越高。通过调节螺母610的位置，可以调节环形热屏相对于固定杆600的位置，从而调节坩埚内部的温度。

将环形热屏与固定杆600之间设置成上述的连接方式，不仅可以达到随时调节环形热屏的高度的效果，还起到了方便对环形热屏数量增减的技术效果。上保温结构长时间使用后，环形热屏可能会发生形变或者表面受到污染，这时只需将螺母610拧下后，更换相应位置的环形热屏即可，而不需要将整个上热屏500或者坩埚盖屏400都更换掉。

综上所述，本实用新型提供的上保温结构，所述上保温结构设置在坩埚口上方，包括沿上下方向层叠且间隔设置的多个环形热屏，所述多个环形热屏同心设置，所述多个环形热屏的中心孔形成籽晶夹持器进入坩埚的通道。每层环形热屏用于将下方辐射来的热量反射到下方，也就是说，环形热屏可以将坩埚内部向上辐射的热量进行反射，从而尽可能减少热量的散失，实现保温效果。自下而上，所述上保温结构包括温差部100、散热部200和保温部300，所述温差部100包括多个第一环形热屏110，自下而上，所述多个第一环形热屏110的内径逐渐增大，因为环形热屏有着反射热辐射的作用，所以沿所述上保温结构的轴向中心至边缘，温差部100反射的热辐射量逐渐增加，从而形成一定的温度梯度。所述散热部200包括多个第二环形热屏210，所述第二环形热屏210的内径大于所述多个第一环形热屏110中的任意一个，散热部200使坩埚内部中间位置的环形热屏反射热辐射的叠加量降低了，可以在加热初期使中间位置处的液面温度更难上升到熔点温度，必须要加大坩埚周围的加热装置的功率，从而就使得液面中心到边缘的温度差加大了，这样在扩肩时期，温度调节的范围也就更大了，晶体生长更容易控制了；所述保温部300包括多个第三环形热屏310，所述第三环形热屏310的内径小于所述多个第一热屏中的任意一个，用于保温。本实用新型提供的上保温结构，可以增加扩肩时期，径向的温度差，增大温度调节范围，使晶体生长更容易控制。

本实用新型提供的晶体生长设备，包括上述的上保温结构。本实用新型提供的上保温结构，可以增加扩肩时期，径向的温度差，增大温度调节范围，使晶体生长更容易控制。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。