一种用于定向生长蓝宝石单晶的石墨加热器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于定向生长蓝宝石单晶的石墨加热器，包括圆筒状的加热器本体，所述加热器本体的壁厚沿轴向线性变化。所述加热器本体的顶端和底端的壁厚比为0.5～0.9。所述加热器本体的平均壁厚为5～30mm。本实用新型用于定向生长蓝宝石单晶的石墨加热器，制造成本低，性能稳定，使用时间长，重复性好，适合于低成本、规模化生产大尺寸、高品质的蓝宝石单晶。
【专利说明】—种用于定向生长蓝宝石单晶的石墨加热器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及晶体制造【技术领域】，具体涉及一种用于定向生长蓝宝石单晶的石墨加热器。
【背景技术】
[0002]定向生长蓝宝石单晶的方法主要有:热交换法(HEM，GT)、温度梯度法(TGT)、坩埚下降法(VGF)等，在这些生长方法中，热交换法是最具代表性也是运用最为广泛的一种。
[0003]HEM(热交换)法是一种底部冷却热交换驱动的晶体生长方法，其热场，坩埚和晶体均无需任何物理移动，晶体的生长完全依靠热场结构所形成的温度梯度并通过底部导热而完成。
[0004]HEM(热交换)法的籽晶置于坩埚底部，其籽晶保护由坩埚底部的氦气冷却实现。通过控制坩埚底部的氦气流量保证籽晶处于半熔状态，即当坩埚中的原料全部熔化后，籽晶只是部分熔化从而与熔液形成固液界面并作为晶种启动生长。晶体生长由坩埚底部氦气流量控制。通过加大氦气的流量，使低温区逐渐向上扩大，从而使固液界面向上移动。热交换法除了通过控制氦气流量来控制晶体的冷却速率外，还可以通过控制加热器的加热功率来调节热场温度。
[0005]HEM法具有较强的自动化控制性能，能减少对操作人员的依赖，实现精确的自动化工艺控制，同时在生长过程中，温度梯度较小，能通过原位退火去除应力，是规模化生产大尺寸、高品质蓝宝石晶体的较佳方法。
[0006]现有技术中，热交换法(HEM)采用的是均匀壁厚的直筒石墨加热器，将装有晶体生长原料的一次性钥坩埚置于石墨加热器的中心位置进行熔化、生长和退火。晶体生长由置于坩埚底部中心位置的氦气冷却驱动，退火时关闭氦气冷却系统，实现原位退火，均匀壁厚的加热器的能够提供实现一个内部非常均匀的热场，有利于原位退火，但是其不足处是必须有一套昂贵的氦气冷却系统驱动晶体生长。
[0007]通过氦气冷却驱动生长，不但其流量很难精确控制，影响晶体生长的稳定性，而且生长及保护气体都需要消耗大量的氦气，成本较高，同时氦气局部冷却坩埚底部的方法，产生了一个非常凸出的固/液凝固界面，增加了晶体生长过程中位错等缺陷的产生，因此，需要提供一种能够取代氦气冷却系统且能驱动晶体生长的温控装置，以提高晶体品质，降低制造成本。
实用新型内容
[0008]本实用新型提供了一种用于定向生长蓝宝石单晶的石墨加热器，通过对石墨加热器的结构优化，为晶体生长提供了稳定均匀的轴向温度梯度，不需要氦气冷却系统，也能实现蓝宝石单晶的生长。
[0009]一种用于定向生长蓝宝石单晶的石墨加热器，包括圆筒状的加热器本体，所述加热器本体的壁厚沿轴向线性变化。
[0010]本实用新型适合于没有氦气冷却系统的定向生长蓝宝石晶体的热场系统，由于加热器本体的壁厚沿轴向线性变化，因此，可以在加热器本体的内部提供一个稳定均匀的轴向温度梯度。
[0011]稳定均匀的轴向温度梯度为蓝宝石单晶的生长提供了驱动力，同时也改善了蓝宝石单晶生长固/液界面的形状，使固/液界面趋于平整，从而减少了蓝宝石单晶生长的热应力以及缺陷，提高蓝宝石单晶的品质，实现无氦气冷却的热场系统中的蓝宝石定向生长。
[0012]使用时，将坩埚置于加热器本体的内腔中，为了配合蓝宝石单晶的生长需要，加热器本体的壁厚顶端最薄，底端最厚，加热器本体壁厚的线性变化率决定了轴向温度梯度的大小，优选地，所述加热器本体的顶端和底端的壁厚比为0.5?0.9。
[0013]加热器本体的壁厚变化改变了加热器沿轴向的电阻变化，使加热器的加热功率密度沿轴向呈现由低到高的线性分布，从而形成稳定的轴向温度梯度。加热器本体的壁厚变化决定了蓝宝石单晶生长的速度以及品质，进一步优选，所述加热器本体的顶端和底端的壁厚比为0.7?0.8。
[0014]为了使加热器本体具有合适的电阻，也即具有合适的加热功率密度，优选地，所述加热器本体的平均壁厚为5?30mm。
[0015]进一步优选，所述加热器本体的平均壁厚为10?25mm。
[0016]加热器本体的壁厚线性变化有多种实现方式，例如，所述加热器本体的内径沿轴向不变，外径沿轴向线性变化。加热器本体的内径沿轴向不变，使加热器易于直接与现有技术中的坩埚相配合，又如，所述加热器本体的外径沿轴向不变，内径沿轴向线性变化。所述加热器本体的外径沿轴向不变，使加热器易于直接与现有技术中的热场系统相配合。
[0017]作为可选的实施方式，所述加热器本体的外径和内径均沿轴向线性变化。
[0018]所述加热器本体开设有若干沿轴向布置的通槽，通槽的开口交替处在加热器本体的顶端和底端。通槽的宽度优选3?10mm。
[0019]所述加热器本体还包括用于与外部加热电源相连接的支撑脚，该支撑脚需要满足承受加热器主体重量的强度，支撑脚的高度依据需要进行选择，支撑脚垂直于加热器本体轴向的厚度优选10?50mm。
[0020]本实用新型提供的石墨加热器采用等静压石墨材质，沿石墨加热器的圆周方向将石墨加热器平均分割为若干个发热体(发热体的个数即为加热器的瓣数)，根据加热器所需的功率，发热体的个数可以为16、20、24、28、36。
[0021]本实用新型用于定向生长蓝宝石单晶的石墨加热器，制造成本低，性能稳定，使用时间长，重复性好，适合于低成本、规模化生产大尺寸、高品质的蓝宝石单晶。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为本实用新型用于定向生长蓝宝石单晶的石墨加热器的剖面示意图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图，对本实用新型用于定向生长蓝宝石单晶的石墨加热器做详细描述。
[0024]如图1所示，一种用于定向生长蓝宝石单晶的石墨加热器，包括圆筒状的加热器本体3，加热器本体3的壁厚沿轴向线性变化。
[0025]图1中所示，加热器本体3的内径沿轴向不变，外径沿轴向线性变化。作为可选的实施方式，加热器本体3也可以设置为外径沿轴向不变，内径沿轴向线性变化，或者加热器本体3的外径和内径均沿轴向线性变化。
[0026]本实施例中，加热器本体3的顶端和底端的壁厚比为0.9 (即图1中B处尺寸与C处尺寸之比为0.9)，加热器本体3的平均壁厚为20mm，加热器本体3开设有若干沿轴向布置的通槽1，通槽I的开口交替处在加热器本体3的顶端和底端,通槽I的宽度为5mm(图1中D尺寸)。
[0027]加热器本体3还包括用于与外部加热电源相连接的支撑脚2，支撑脚2需要满足承受加热器主体重量的强度，支撑脚2垂直于加热器本体3轴向的厚度(即图中的A尺寸)为 30mm。
[0028]本实用新型提供的石墨加热器采用等静压石墨材质，本实施例沿石墨加热器的圆周方向将石墨加热器平均分割为24个发热体。
[0029]本实用新型用于定向生长蓝宝石单晶的石墨加热器使用时，将坩埚置于加热器本体3的内腔中，由于加热器本体3的壁厚沿轴向线性变化，在加热器本体3的内部提供一个稳定均匀的轴向温度梯度，该稳定均匀的轴向温度梯度为蓝宝石单晶的生长提供驱动力，能够减少监宝石单晶生长的热应力以及缺陷，提闻监宝石单晶的品质。
【权利要求】
1.一种用于定向生长蓝宝石单晶的石墨加热器，包括圆筒状的加热器本体，其特征在于，所述加热器本体的壁厚沿轴向线性变化。
2.如权利要求1所述的用于定向生长蓝宝石单晶的石墨加热器，其特征在于，所述加热器本体的顶端和底端的壁厚比为0.5?0.9。
3.如权利要求2所述的用于定向生长蓝宝石单晶的石墨加热器，其特征在于，所述加热器本体的顶端和底端的壁厚比为0.7?0.8。
4.如权利要求2或3所述的用于定向生长蓝宝石单晶的石墨加热器，其特征在于，所述加热器本体的平均壁厚为5?30mm。
5.如权利要求4所述的用于定向生长蓝宝石单晶的石墨加热器，其特征在于，所述加热器本体的平均壁厚为10?25mm。
6.如权利要求5所述的用于定向生长蓝宝石单晶的石墨加热器，其特征在于，所述加热器本体的内径沿轴向不变，外径沿轴向线性变化。
7.如权利要求5所述的用于定向生长蓝宝石单晶的石墨加热器，其特征在于，所述加热器本体的外径沿轴向不变，内径沿轴向线性变化。
8.如权利要求5所述的用于定向生长蓝宝石单晶的石墨加热器，其特征在于，所述加热器本体的外径和内径均沿轴向线性变化。
9.如权利要求1所述的用于定向生长蓝宝石单晶的石墨加热器，其特征在于，所述加热器本体开设有若干沿轴向布置的通槽，通槽的开口交替处在加热器本体的顶端和底端。
【文档编号】C30B29/20GK204151460SQ201420528366
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】李乔, 沈叶江, 周晓峰 申请人:杭州铸泰科技有限公司