专利名称：一种用于泡生法蓝宝石晶体炉的多层结构内隔热屏的制作方法
技术领域：
本发明涉及蓝宝石单晶(即氧化铝单晶)生长技术领域，尤其涉及一种用于泡生法蓝宝石晶体炉的多层结构内隔热屏。
背景技术：
蓝宝石的组成为氧化铝(Al2O3)，是由三个氧原子和两个铝原子以共价键型式结合而成，其晶体结构为六方晶格结构，它常被应用的切面有a-Plane、c-Plane及r-Plane。由于蓝宝石的光学穿透带很宽，从近紫外光(190nm)到中红外线都具有很好的透光性，因此被大量用在光学元件、红外装置、高强度激光镜片材料及掩模材料上。蓝宝石具有高声速、耐高温、抗腐蚀、高硬度、高透光性、熔点高(2045°C )等特点，是ー种相当难加工的材料，因此常被用来作为光电元件的材料。
目前超高亮度白/蓝光LED的品质取决于氮化镓外延(GaN)的材料品质，而氮化镓外延品质则与所使用的蓝宝石基板表面加工品质息息相关，蓝宝石(单晶Al2O3)C面III - V和II - VI族沉积薄膜之间的晶格常数失配率小，同时符合GaN外延制作エ艺中耐高温的要求，使得蓝宝石晶片成为制作白/藍/绿光LED的关键材料。同时大尺寸的蓝宝石晶体还是军用制导武器最常用的红外窗ロ材料。但是，用于光学及LED衬底的蓝宝石晶体其应カ和缺陷要求极高，尽管半个多世纪以来陆续出现了提拉法、热交换法、布里奇曼法以及倒模法等蓝宝石生长技木，目前最成熟的生长大尺寸低应カ无缺陷蓝宝石晶体的技术仍然还是泡生法(或KY法)。泡生法生长蓝宝石晶体必须要使用可以加热到其熔点(2050°C )以上的晶体生长炉，在这一温度工作的材料只用钨、钥、铌、钽或铼，其中铌、钽或铼属稀有金属，价格异常昂贵，在泡生法蓝宝石晶体炉中除钨铼的合金丝用于捆绑发热体外极少使用。钨钥材料则是泡生法蓝宝石晶体炉热场中最常用的材料。泡生法蓝宝石晶体炉主要由热场、炉体、提拉旋转装置、电源、真空以及水循环系统组成。其中的热场是整个晶体炉的核心，其成本占到总成本的70% -80%，热场由发热体与隔热屏两部分組成。由于钥材料在高温下比钨材料更易挥发，因此发热体一般都是用钨材料制作。而隔热屏的主要作用是使发热体产生的热辐射均匀缓慢的向外的传递。考虑到钥的密度远低于钨其延展性与加工性能好的多，因此较低温度下使用的隔热屏通常都是由钥材料制作的。目前的多层结构内隔热屏由上下两部分组成，上下两部分为两个形状相同的単独圆筒，两部分之间用ー圈钥片铆接在一起使用。由于最内层的隔热屏其使用温度最高，如使用钥隔热屏在最多6个生长周期后中部就会损坏，上下两层隔热屏都必须更换。如选用钨的隔热屏，其寿命接近于永久，但其成本则高出10倍以上，并且温场梯度会受到一定的影响，钨的多层结构内隔热屏的晶体生长成品率要低于钥材料的多层结构内隔热屏。因此，钥的多层结构内隔热屏依然是泡生法蓝宝石晶体炉的首选。但是其消耗速度也是整个热场中最快的，这样会使每炉蓝宝石生长的成本增加约4000-5000元，占到总成本的四分之一。如果能找到ー种减少钥材料损耗的方法，就能极大的节约成本。在目前蓝宝石价格偏低的市场情况下，一旦得到解决其成本降低带来的竞争优势是显而易见的。
发明内容
(一 )要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于泡生法蓝宝石晶体炉的多层结构内隔热屏，以降低蓝宝石的生长成本。(ニ)技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种用于泡生法蓝宝石晶体炉的多层结构内隔热屏，该多层结构内隔热屏整体呈圆筒形，包括自上而下依次连接的上隔热层I、中隔热层2和下隔热层3，其中上隔热层I与下隔热层3位于晶体炉的低温区，中隔热层2位于晶体炉的高温区。上述方案中，在所述上隔热层I、中隔热层2和下隔热层3两两之间采用若干钥片4连接。所述在上隔热层I、中隔热层2和下隔热层3两两之间采用若干钥片4连接，是在上隔热层I底部与中隔热层2顶部相连接处以及下隔热层3顶部与中隔热层2底部相连接处，均间隔均匀的焊接或铆接若干钥片4 ;所述钥片4共八片。上述方案中，所述上隔热层I、中隔热层2和下隔热层3均由钥金属制作而成。上述方案中，所述上隔热层I、中隔热层2和下隔热层3均呈圆筒形。上述方案中，所述中隔热层2的高度占所述多层结构内隔热屏高度的40%。上述方案中，所述中隔热层2由ー个或多个钥金属圆筒拼接而成。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果I、本发明提供的用于泡生法蓝宝石晶体炉的多层结构内隔热屏，由于采用了上隔热层、中隔热层和下隔热层的多层隔热层设计，而中隔热层的位置正好覆盖了整个晶体炉热场中高温区，从而将内隔热屏损耗区域集中到了中隔热层，保证了上下隔热层能继续使用，从而节约或降低了 60 %的内隔热屏成本(2500元-3000元)，每炉蓝宝石晶体成本节约15%左右。2、利用本发明，只需替换易损坏的内隔热屏中部，可減少整体替换的工作量，提高效率，大大降低蓝宝石晶体的生长成本。
图I为本发明提供的用于泡生法蓝宝石晶体炉的多层结构内隔热屏的结构示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并參照附图，对本发明进ー步详细说明。本发明的工作原理如下钥材料在晶体炉的高温区会快速的损耗，长期使用会产生破坏，该高温区位置在内隔热屏的250毫米-600毫米之间，因此主要发生损耗的区域也在这个区间，小于250毫米大于600毫米的部分基本没有损耗，损坏几率极小，按此标准设计上中下三层的内隔热层，将高温区集中到中隔热层，就能使损坏集中在中隔热层，从而保证其余两层连续使用，损耗只占整个内隔热屏的60 %。如图I所示，本发明提供的用于泡生法蓝宝石晶体炉的多层结构内隔热屏，整体呈圆筒形，包括自上而下依次连接的上隔热层I、中隔热层2和下隔热层3，其中上隔热层I与下隔热层3位于晶体炉的低温区，中隔热层2位于晶体炉的高温区。由于上下两部分エ作在低温区，因此生长时不发生大的损耗，因而只需每次更换损耗的中隔热层即可。根据温场的分布，中隔热层还可以再由ー个或多个钥桶组成，其中一个损坏，可由其他的钥桶替换。由于中隔热层的高度约为整个内隔热屏的40%，因此采用本发明设计的内隔热屏与传统的双层隔热屏相比至少可节约60%的成本，可使整个蓝宝石生长成本降低15%。图I中，在上隔热层I、中隔热层2和下隔热层3两两之间采用若干钥片4连接，SP在上隔热层I底部与中隔热层2顶部相连接处以及下隔热层3顶部与中隔热层2底部相连接处，均间隔均匀的焊接或铆接若干钥片4，一般情况下是采用八片钥片。另外，上隔热层I、中隔热层2和下隔热层3均呈圆筒形，中隔热层2的高度占该多层结构内隔热屏高度的40%，且中隔热层2可以由ー个或多个钥金属圆筒拼接而成。本发明是在传统的上下两个隔热层构成内隔热屏基础上，増加了中隔热层，其高度占总高度的40%左右，覆盖了整个晶体炉中的高温区，从而使上下隔热层基本不发生损耗，同时上隔热层底部与中隔热层顶部以及下隔热层顶部与中隔热层底部之间连接处使用钥片夹紧，可防止变形还能方便的拆装。在一个实施例中，将本发明提供的多层结构内隔热屏安装在Nika-L-30型泡生法蓝宝石晶体炉温场中，经过12个蓝宝石晶体生长周期的实验，其中隔热层发生了三次损坏，上下隔热层仅发生轻微变形未发现破损，可节约成本30000元以上。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进ー步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种用于泡生法蓝宝石晶体炉的多层结构内隔热屏，其特征在于，该多层结构内隔热屏整体呈圆筒形，包括自上而下依次连接的上隔热层(I)、中隔热层(2)和下隔热层(3)，其中上隔热层(I)与下隔热层(3)位于晶体炉的低温区，中隔热层(2)位于晶体炉的高温区。
2.根据权利要求I所述的用于泡生法蓝宝石晶体炉的多层结构内隔热屏，其特征在于，在所述上隔热层(I)、中隔热层(2)和下隔热层(3)两两之间采用若干钥片(4)连接。
3.根据权利要求2所述的用于泡生法蓝宝石晶体炉的多层结构内隔热屏，其特征在于，所述在上隔热层(I)、中隔热层(2)和下隔热层(3)两两之间采用若干钥片(4)连接，是在上隔热层(I)底部与中隔热层(2)顶部相连接处以及下隔热层(3)顶部与中隔热层(2)底部相连接处，均间隔均匀的焊接或铆接若干钥片(4)。
4.根据权利要求2或3所述的用于泡生法蓝宝石晶体炉的多层结构内隔热屏，其特征在于，所述钥片(4)共八片。
5.根据权利要求I所述的用于泡生法蓝宝石晶体炉的多层结构内隔热屏，其特征在于，所述上隔热层(I)、中隔热层(2)和下隔热层(3)均由钥金属制作而成。
6.根据权利要求I所述的用于泡生法蓝宝石晶体炉的多层结构内隔热屏，其特征在于，所述上隔热层(I)、中隔热层(2)和下隔热层(3)均呈圆筒形。
7.根据权利要求I或2所述的用于泡生法蓝宝石晶体炉的多层结构内隔热屏，其特征在于，所述中隔热层(2)的高度占所述多层结构内隔热屏高度的40%。
8.根据权利要求I或2所述的用于泡生法蓝宝石晶体炉的多层结构内隔热屏，其特征在于，所述中隔热层(2)由ー个或多个钥金属圆筒拼接而成。
全文摘要
本发明公开了一种用于泡生法蓝宝石晶体炉的多层结构内隔热屏，该多层结构内隔热屏整体呈圆筒形，包括自上而下依次连接的上隔热层、中隔热层和下隔热层，其中上隔热层与下隔热层位于晶体炉的低温区，中隔热层位于晶体炉的高温区。本发明由于采用了三个独立的圆筒设计，使晶体炉中的高温区全部位于中隔热层，因此上下隔热层几乎不发生损耗，因此每次只需替换中隔热层损坏的部分即可，从而减少了整个内隔热层替换的工作量，提高了工作效率，更重要的是每次只替换整个隔热层的40％，大大降低了每炉蓝宝石晶体生长的成本。
文档编号C30B29/20GK102691099SQ20121019689
公开日2012年9月26日 申请日期2012年6月14日 优先权日2012年6月14日
发明者承刚, 李京波, 李永涛, 董珊 申请人:中国科学院半导体研究所