新型液封提拉法晶体生长装置的制作方法

本实用新型属于晶体生长装置技术领域，具体涉及一种新型液封提拉法晶体生长装置。

背景技术：

目前，根据氧化铝在高温下化学性质活泼和提拉法生长蓝宝石晶体所必须满足的条件来看，一般拉晶设备都要具备：加热部分、炉体和机械传动部分、真空和惰性气体装置。每次晶体生长前的装料及生长结束后取出晶体都要打开真空生长室，引起真空生长室接触空气，极易受到大气的污染和氮吸附，很难实现晶体生长以及对杂质的精确控制。另外，在生长过程中，晶体熔体的不稳定流动和高温条件下的蒸发，都会影响到晶体生长的质量。“液封法”是一种可以抑制坩埚内熔体蒸发，并提高坩埚熔体流动稳定性，最终提高晶体生长质量的一种新型生长晶体的制备方法。

现有的晶体生长装置，多数存在无法导入液封流体的问题，这将造成坩埚壁面与提拉晶棒温差过大，能源浪费、熔体蒸汽蒸发严重，熔体与空气接触影响生长的晶体纯度，熔体流动不稳定产生晶体条纹。而能够导入液封流体的生长装置，又存在无法监控导入液封流体厚度及温度的局限，这将大大影响液封提拉法生长蓝宝石晶体的质量。

技术实现要素：

本实用新型旨在提供一种结构简单、安装使用方便、提高工作效率、能够监测液封液体温度和厚度的新型液封提拉法晶体生长装置。

为此，本实用新型所采用的技术方案为：一种新型液封提拉法晶体生长装置，包括炉体，设置在炉体内的石墨坩埚、石墨埚托、石英坩埚、石英埚托，所述石墨埚托设置在石墨坩埚外，所述石英坩埚设置在石墨坩埚内，所述石英埚托设置在石英坩埚下方，设置在炉体顶部插进石英坩埚的籽晶轴、设置在石墨埚托外的液封流体导入装置，其特征在于：还包括至少一个温度感测器、液体厚度感测器、微控制器、显示与控制终端，所述温度感测器和液体厚度感测器设置在石英坩埚内，并与所述微控制器电连接，微控制器与所述显示与控制终端电连接，温度感测器和液体厚度感测器将获得的信号传输给微控制器，微控制器将信号处理后传输给显示与控制终端。

作为优选地，所述温度感测器为DS18B20数位温度感测器，检测结果准确，方便安装，成本低。

作为优选地，所述温度感测器为3个，分别设置在靠近所述籽晶轴下端的籽晶处、靠近所述石英坩埚内壁处、所述籽晶与石英坩埚内壁之间，可以准确地监测液液界面处的温度分布情况。

进一步地，所述温度感测器设置在石英坩埚内的液封流体与原料熔融液体的液体界面处，可以准确地监测液液界面处的温度分布情况。

作为优选地，所述液体厚度感测器为HC-SR04超声波感测器，检测结果准确，应用广泛，方便安装，成本低。

进一步地，所述液体厚度感测器设置在石英坩埚内的液封流体的上方，设置在液封流体上方即可准确地检测液封流体的厚度。

作为优选地，所述微控制器为Arduino UNO控制器，此控制器价格便宜，应用广泛。

进一步地，所述新型液封提拉法晶体生长装置还包括坩埚轴、电极、加热器、多层石墨保温罩、导线接板，所述坩埚轴穿过炉体底部伸入炉体内与石墨埚托的底部相连，起到转动石墨埚托、石墨坩埚、石英埚托、石英坩埚的作用，所述加热器与电极相连，设置在电极与石墨埚托之间，所述多层石墨保温罩设置在炉体内壁上，所述导线接板与电极相连。

本实用新型的有益效果是：本实用新型使用液体厚度感测器检测液封层的厚度，具有不受外界光及电磁场等因素影响的优点，在比较恶劣的环境中也具有适应能力，而且结构简单、成本低，克服了其它液封法生长晶体无法测量与控制液封层厚度的局限；使用温度感测器检测液封层与原料熔融夜体的液液界面的温度，可以实时监控温度情况。可以实现液封层厚度与液液界面温度超过液封层厚度曲线与温度曲线之后的观察，可达到监控液封层与熔体层径深比的最终目的。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型温度感测器、液体厚度感测器、微控制器、显示与控制终端的电连接框图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本实用新型作进一步说明：

如图1-2所示，新型液封提拉法晶体生长装置，主要由炉体5、石墨坩埚11、石墨埚托7、石英坩埚8、石英埚托9，籽晶轴6、液封流体导入装置10、 坩埚轴1、电极2、加热器3、多层石墨保温罩4、导线接板12、三个温度感测器13、液体厚度感测器14、微控制器15、显示与控制终端16组成。石墨坩埚11设置在炉体5内，石墨埚托7设置在石墨坩埚11外，石英坩埚8设置在石墨坩埚11内起到存储熔融的氧化铝原料的作用，石英埚托9设置在石英坩埚8下方，籽晶轴6设置在炉体5顶部插进石英坩埚8内起到提拉、旋转籽晶的作用，液封流体导入装置10设置在石墨埚托7外起到将加热达到熔融状态的液封流体导入到蓝宝石熔体上方形成两不相溶混熔体层的作用，坩埚轴1穿过炉体5底部伸入炉体5内与石墨埚托7的底部相连，起到转动石墨埚托7、石墨坩埚11、石英埚托9、石英坩埚8的作用，加热器3与电极2相连，设置在电极2与石墨埚托7之间，多层石墨保温罩4设置在炉体5内壁上，导线接板12与电极2相连。

温度感测器13和液体厚度感测器14设置在石英坩埚8内，并与微控制器15电连接，微控制器15与显示与控制终端16电连接，温度感测器13和液体厚度感测器14将获得的信号传输给微控制器15，微控制器15将信号处理后传输给显示与控制终端16。三个温度感测器13分别设置在靠近籽晶轴6下端的籽晶6a处、靠近石英坩埚8内壁处、籽晶6a与石英坩埚8内壁之间，设置在石英坩埚8内的液封流体与原料熔融液体的液体界面处，可以准确地监测液液界面处的温度分布情况。液体厚度感测器14设置在石英坩埚8内的液封流体的上方，用以探测加入液封流体后坩埚流体的深度增加量，即增添液封流体的厚度。温度感测器13为DS18B20数位温度感测器，液体厚度感测器14为HC-SR04超声波感测器，微控制器15为Arduino UNO控制器，检测结果准确，应用广泛，方便安装，成本低。显示与控制终端16使用LabVIEW上位机控制软 件和计算机。Arduino UNO控制器设置于炉体外，通过RS-232/USB连线到设置于炉体外部的LabVIEW上位机控制软件。

Arduino数位通讯埠给HC-SR04与DS18B20的接脚发送高电位讯号，触发测距与测温功能；HC-SR04模组被触发后，便自动发送超声波脉冲；如有讯号传回，Arduino便根据高电位持续的时间计算距离被测物的实际距离，最后换算成液封流体的表面高度，即是液封流体的高度。如果测量的温度与厚度未超过原先设定的温度曲线和厚度要求，则继续下一步的晶体提拉生长过程；如果温度与液封厚度发生异常，则停止液封流体的注入。Arduino控制板负责读取LabVIEW上位机发来的距离测量和温度攫取指令，透过序列埠发送回LabVI EW软体，并将回传的温度资料、计算获得测量液封层厚度显示在前面板上。数据的传输通过USB连线至生长炉外部的计算机，供上位机LabVIEW显示。LabVIEW上位机左表盘可以显示温度感测器测量到的液封流体的温度具体数值，右表盘显示液封流体的厚度具体数值。液封流体的温度和厚度可给工程人员提供参考数值以确定最佳的液封流体与熔体厚度比值。

进一步，加热器3的加热线圈采用低频电阻加热，并可采用调压变压器控制。炉体1由不易生锈、非多孔性、不易挥发、易于清洁处理，并有一定机械强度的不锈钢材料压制而成，并且炉体是双层水冷，呈圆筒形，内壁无死角，能有效散热、便于清洁处理。

本实用新型将液封流体导入装置设置在石墨埚托的旁边，起到将加热达到熔融状态的液封流体导入到蓝宝石熔体上方形成两不相溶混熔体层的作用，实现了液封流体的导入，为晶体生长的质量提供了保障。本实用新型使用超声波感测器检测液封层的厚度，具有不受外界光及电磁场等因素影响的优点，在比 较恶劣的环境中也具有适应能力，而且结构简单、成本低，克服了其它液封法生长晶体无法测量与控制液封层厚度的局限。使用数字温度传感器进行液封层与熔体液液界面温度分布的监控，可以实时响应温度分布情况。使用Arduino控制器，此控制器价格便宜，应用广泛，可以实现液封层厚度与液液界面温度超过液封层厚度曲线与温度曲线之后的观察，可达到监控液封层与熔体层径深比的最终目的。本实用新型提供的液封提拉法生长蓝宝石晶体的生长装置，机械传动部分主要包括籽晶轴和坩埚轴的转动和提升，并且籽晶轴的转速在调速范围内稳定无振动；并且加热线圈采用低频电阻加热，功率小，能耗低，节约能源，并且加热功率可实现连续可调，功率足够使硅料全部融化。此外，本实用新型的晶体生长的装置能提高生产效率，高度节能，操作方便，使用安全，大大降低了生产成本，并提高了晶体的利用率，节约了资源。