一种坩埚轴的制作方法

本申请涉及泡生法蓝宝石单晶生长的技术领域，具体涉及到一种坩埚轴。

背景技术：

蓝宝石，俗称刚玉，是一种单晶形态的氧化铝，其化学性能非常稳定，通常不受酸碱腐蚀，尤以机械性能和热学性能突出，具有强度高、硬度大、耐冲刷的优良力学性能，可在接近2000℃高温的恶劣条件下工作。经过多年实践检验，现如今蓝宝石已成为世界各国红外军事、高强度激光的窗口首选材料，被广泛的应用于科学技术、国防与民用工业等领域。目前国际上主流的蓝宝石晶体生长工艺是泡生法、提拉法、导模法以及热交换法，而泡生法工艺生长的蓝宝石晶体约占目前市场的70％，此种方法生长的晶体缺陷少、位错密度低。

泡生法蓝宝石单晶生长工艺，是通过加热器提供合适的温度，且生长前将籽晶牢牢固定于籽晶杆上，籽晶杆与热交换器中的工作流体直接接触，从而通过晶体、籽晶与热交换器之间形成一个热交换系统，坩埚轴作为加热器与底座之间的装置，在生长炉内起到形成上冷下热的温度梯度的作用，从而促进蓝宝石单晶生长。在此方法中，单晶炉内的热场结构决定了晶体生长的热量、质量传输条件和晶体生长环境，对晶体质量至关重要。在单晶生长过程中，坩埚轴一方面作为支撑顶面坩埚和鸟笼加热器以及底面底座之间的装置，它的尺寸需要限定在一定的范围内，即需保证坩埚轴可以穿过如图1所示的鸟笼加热器底部所形成的井字口结构；另一方面作为熔体与坩埚底部之间的导热装置，对蓝宝石生长过程中的温度梯度有较大影响。

目前，泡生法蓝宝石单晶生长过程中由于受到鸟笼加热器的影响，其尺寸需要固定在一定范围内，因此通常采用如图2所示的典型的圆柱形坩埚轴结构。但是随着泡生法蓝宝石尺寸的加大，由于圆柱形坩埚轴的顶部截面面积有限，导致坩埚底部温度梯度小，易造成坩埚底部中心温度过高，造成长晶界面由微凸界面向凹界面转移，致使发生界面翻转，易形成倒扣碗状气泡，影响晶体品质，降低晶体利用率。因此，此类坩埚轴结构已不能满足于大尺寸、高质量蓝宝石的需求。

技术实现要素：

本申请提供了一种坩埚轴，以解决现有技术中由于泡生法蓝宝石单晶生长过程中由于受到坩埚底部鸟笼加热器的影响，传统圆柱形坩埚轴顶部截面面积受限，不能有效满足于大尺寸、高质量的蓝宝石晶体生长的问题，本申请提供的坩埚轴增大了坩埚轴顶部与坩埚底部的接触面积，从而增大坩埚底部温度梯度，可以起到有效导热的作用，为蓝宝石晶体生长的收尾阶段提供了良好的有利条件，提高了晶体质量以及晶体利用率。

本申请解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

一种坩埚轴，包括坩埚轴本体与四根形状相同的增强导热柱；

四根所述增强导热柱均匀设置在所述坩埚轴本体的侧边缘，所述增强导热柱的高度与所述坩埚轴本体的高度相等；

所述的坩埚轴本体的结构为圆柱体，所述圆柱体的底面直径与鸟笼加热器底部所形成井字口结构的宽度相等，所述坩埚轴底面的外轮廓小于等于所述井字口结构的内轮廓。

可选的，上述坩埚轴装置中，所述增强导热柱与所述坩埚轴本体的接触面为圆弧面。

可选的，上述坩埚轴装置中，所述圆弧面在所述坩埚轴底面上的投影长度等于所述坩埚轴本体底面周长的四分之一。

可选的，上述坩埚轴装置中，所述坩埚轴的底面为正方形。

可选的，上述坩埚轴装置中，所述正方形的顶角分别倒圆角，所述倒圆角的半径小于所述坩埚轴本体底面半径。

可选的，上述坩埚轴装置中，所述增强导热柱截面形状为三角形、正方形、梯形或者圆形。

可选的，上述坩埚轴装置中，所述坩埚轴本体的上设置通孔，所述通孔的中轴线与所述坩埚轴本体的中轴线在同一条直线上。

本申请提供的技术方案包括以下有益技术效果：

本申请通过将传统的圆柱形坩埚轴结构进行优化，提供一种坩埚轴，与圆柱形坩埚轴相比，本申请中提供的坩埚轴结构在保证了坩埚轴可以通过鸟笼加热器底部井字口结构的前提下，又可以增大与坩埚底部接触面积，从而增大底部径向温度梯度，便于晶体收尾提脱，解决了在晶体生长的收尾阶段，由于底部散热面积小，易造成坩埚底部中心温度过高，长晶界面由微凸界面向凹界面转移，发生界面翻转，易形成倒扣碗状气泡，影响晶体品质，降低晶体利用率的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的鸟笼加热器底部结构示意图；

图2为本申请提供的传统的坩埚轴结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种坩埚轴的基本结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种坩埚轴的截面结构示意图；

图5为本申请实施例提供的另一种坩埚轴的基本结构示意图。

附图标记说明：1-井字口结构，2-增强导热柱，3-坩埚轴本体，4-通孔。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

请参考附图3-5，图3-5示出了本申请实施例提供的坩埚轴的基本结构。

本申请实施例提供的坩埚轴，包括坩埚轴本体3与四根形状相同的增强导热柱2；其中：四根增强导热柱2均匀设置在坩埚轴本体3的侧边缘，并且增强导热柱2的高度与坩埚轴本体3的高度相等；四根增强导热柱2均匀的设置在坩埚轴本体3的侧边缘，是为了能够在导热过程中能够均匀传热，同时防止在导热过程中相互之间产生干涉。

坩埚轴本体3的结构设置为典型的圆柱体结构，圆柱体的底面直径与鸟笼加热器底部所形成井字口结构1的宽度相等，并且坩埚轴底面的外轮廓小于等于井字口结构1的内轮廓，以便所应用的坩埚轴可以穿过鸟笼加热器从而与坩埚轴底部相接触，达到与坩埚轴之间相互传热的目的。

在本申请实施例中，增强导热柱2可为规则的柱状结构，如截面为三角形、正方形、梯形或圆形的柱状结构，亦可以为不规则的柱状结构，如其侧面包括圆弧面，且坩埚轴的轴本体3部分与增强导热柱2均为一体化结构。

图3为本申请实施例中提供的一种坩埚轴的具体结构，其中增强导热柱2的截面为正方形结构，4根增强导热柱2均匀分布在坩埚轴本体3的侧边缘，并且增强导热柱2的高度与坩埚轴本体3的高度相等，与坩埚轴本体3为一体。图4为图3所示坩埚轴的俯视图，可以明显看出其基本的分布及构造，此坩埚轴在蓝宝石单晶生长过程中一方面起到支撑底座与坩埚之间的装置，另一方面用来进行热传导。

具体的，在本申请实施例中，增强导热柱2与坩埚轴本体3的接触面为圆弧面，有助于增加增强导热柱2与坩埚轴本体3的接触面积。

本申请实施例提供的坩埚轴中，增强导热柱2与坩埚轴本体3的接触圆弧面在坩埚轴底面上的投影长度等于坩埚轴本体3底面周长的四分之一。如此，本申请实施例提供的坩埚轴，在坩埚轴本体3的基础上既增大了与坩埚底部的接触面积，又能够顺利穿过坩埚轴与坩埚之间的鸟笼加热器底部井字口结构1。

进一步，如附图5所示，本申请实施例中所提供的坩埚轴中，控制增强导热柱2的形状，使增强导热柱2与坩埚轴本体3形成底面为正方形的坩埚轴，即增强导热柱2与坩埚轴本体3组合形成正四棱柱结构的坩埚轴。如此，本申请实施例提供的坩埚轴，可使坩埚轴与坩埚的接触面积达到要求的最大化，既达到了使用要求，又可以改善原有的技术方案。

进一步，增强导热柱2远离所述坩埚轴本体3的边角倒圆角，即增强导热柱2与坩埚轴本体3所形成的正四棱柱的棱角处分别倒圆角，所述倒圆角的半径小于坩埚轴本体3底面半径。增强导热柱2的外边缘到圆角有助于坩埚轴的受热以及热传导均匀。

如图5所示的本实施例提供的一种坩埚轴结构，与如图2所示的传统坩埚轴结构比较如下：

当传统坩埚轴其结构尺寸为如下数据时：

坩埚轴高度为h＝180mm～230mm；

坩埚轴直径d＝100mm～150mm；

坩埚轴圆形底座直径d＝60mm～90mm；

则坩埚轴上部面积为πd²/4。

经过改进后，当在相同基本尺寸条件下，即：

坩埚轴高度为h＝180mm～230mm；

坩埚轴边长l＝100mm～150mm(此时坩埚轴边长与传统圆柱形坩埚轴直径一致)；

坩埚轴圆形底座直径d＝60mm～90mm；

正方形坩埚轴边缘4个倒角半径为r＝5mm～15mm；

则选择本申请中提供的坩埚轴结构时，其坩埚轴上部面积l²＞πd²/4，即大于圆形坩埚轴上部面积。

本申请实施例中提供的坩埚轴，相比于传统的坩埚轴是在之前传统的坩埚轴基础上，通过对结构的进一步改进，可以实现坩埚轴顶部与坩埚底部接触面积的作用，从而增大底部径向温度梯度，便于晶体收尾提脱。

进一步，本申请提供的坩埚轴装置中，坩埚轴本体的上设置通孔4，通孔的中轴线与坩埚轴本体的中轴线在同一条直线上，在泡生法蓝宝石单晶生长的工艺中，单晶炉中的导热方式除了热传导，还存在另一种传热方式即热辐射，在相同外界条件下，热辐射换热的传热能力远高于导热的传热能力，因此，通孔4的设置是为了有利于实现热辐射这种热传导模式，如此条件下，既可以在增加导热面积的前提下，又可以实现另一种传热方式，有利于坩埚轴装置更好的应用于蓝宝石单晶生长的工艺过程中。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。