一种晶体生长用温度梯度调节装置的制作方法

本申请涉及晶体生长技术领域，尤其涉及一种晶体生长用温度梯度调节装置。

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。

现有单独水冷的籽晶轴结构，对热场分布要求很高，需要构建坩埚底部温度高上部温度低，坩埚外部温度高中心温度低的合适温度梯度场，在生长蓝宝石等晶体，尤其是在超过260kg的特大超高晶体时，由于晶体体积大，坩埚高度基本充满了发热体的有效发热区域，导致构建上述热场困难很大，一旦设计定型，温度梯度也就定型了，不利于温度的调整，导致下籽晶时，比较难以控制，完全依靠工艺人员的经验水平。

技术实现要素：

本申请提供了一种晶体生长用温度梯度调节装置，以解决现有技术中单独水冷的籽晶轴结构热场温度难以控制，一旦设计定型，温度梯度不能调整的问题，为晶体生长技术领域提供了技术支持。

本申请解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

一种晶体生长用温度梯度调节装置，包括旋转接头、连接座和套设有籽晶杆外壳的籽晶杆，所述连接座的一端与所述籽晶杆外壳上的第一法兰螺栓连接，另一端通过第二法兰与所述旋转接头连接；

所述籽晶杆外壳上设置有第一进水孔，所述籽晶杆外壳内装有隔水套，所述隔水套设置在所述籽晶杆的外围，且所述籽晶杆贯穿所述隔水套和所述籽晶杆外壳，所述籽晶杆的内部插入钼管，所述隔水套上设置有第一出水孔，所述钼管上设置有第一进气孔，所述籽晶杆上设置有第一出气孔；

所述装置还包括设置有第二进气孔、第二进水孔、第二出气孔和第二出水孔的冷却盘管，所述第二进气孔和第二进水孔设置在冷却盘管的同一侧，所述第二出气孔和第二出水孔设置在冷却盘管的另一侧，所述冷却盘管嵌套在所述连接座上；

所述装置还包括第一气路管、第二气路管、第三气路管、第一水路管、第二水路管、第三水路管和第四水路管，所述第一气路管一端连接在所述旋转接头上，另一端与所述第一进气孔连接，所述第二气路管一端连接在所述第一出气孔上，另一端连接在所述第二进气孔上，所述第三气路管一端连接在所述第二出气孔上，另一端连接在所述旋转接头上，所述第一水路管一端连接在所述旋转接头上，另一端连接在所述第一进水孔上，所述第二水路管一端连接在所述第一出水孔上，另一端连接在所述旋转接头上，所述第三水路管一端连接在所述旋转接头上，另一端连接在第二进水孔上，所述第四水路管一端连接在所述第二出水孔上，另一端连接在所述旋转接头上。

可选的，旋转接头为六通路液压旋转接头，所述六通路液压旋转接头上设置有若干宝塔接头以及若干双卡套螺纹直通接头。

可选的，所述装置还包括伺服电机、减速机和联轴器，所述旋转接头远离所述连接座的一端与所述联轴器连接，所述伺服电机安装在所述减速机上，所述减速机连接所述联轴器，且驱动所述联轴器旋转，从而带动整个装置进行旋转。

可选的，所述第一进气孔设置在所述钼管靠近所述第二法兰的一侧，所述第一出气孔设置在所述籽晶杆靠近所述第二法兰的一侧，所述第一进水孔设置在所述籽晶杆外壳靠近所述第二法兰的一侧，所述第一出水孔设置在所述隔水套靠近所述第二法兰的一侧。

可选的，装置连接管道处均采用焊接工艺密封连接。

可选的，所述第一气路管、第二气路管和第三气路管均为卡套软管，所述第一水路管、第二水路管、第三水路管和第四水路管均为橡胶软管。

可选的，所述装置还包括安装座，所述安装座套设在所述冷却盘管上，通过第一法兰与所述籽晶杆外壳连接。

本申请提供的技术方案包括以下有益技术效果：

本申请提供了一种晶体生长用温度梯度调节装置，包括旋转接头、连接座和套设有籽晶杆外壳的籽晶杆，通过将水管道和气管道同时设置在籽晶杆的设备上，提供了一种用于晶体生长的可以同时实现水冷气冷温度梯度调节的装置技术，通过控制气体和液体的流量与压力，带走籽晶杆上的热量，使得晶体沿籽晶晶向缓慢生长，在生长过程中，还可以通过改变热场温度，籽晶杆的旋转速度和拉升速度等参数控制晶体的生长速度。本申请提供的晶体生长用温度梯度调节装置，解决了现有技术中单独水冷的籽晶轴结构热场温度难以控制，一旦设计定型，温度梯度不能调整的问题，为晶体生长技术领域提供了技术支持。

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为本申请实施例提供的晶体生长用温度梯度调节装置组件结构示意图；

图2为本申请实施例提供的籽晶杆结构剖视图；

图3为本申请实施例提供的晶体生长用温度梯度调节装置组装结构示意图；

图4为本申请实施例提供的图3中连接安装座后的结构示意图。

附图标记说明：

1-伺服电机；2-减速机；3-联轴器；4-旋转接头；5-连接座；6-籽晶杆外壳；7-冷却盘管；8-第一气路管；9-第二气路管；10-第三气路管；11-第一水路管；12-第二水路管；13-第三水路管；14-第四水路管；15-隔水套；16-籽晶杆；17-钼管；18-第二进气孔；19-第二进水孔；20-第二出水孔；21-第二出气孔；22-第一进水孔；23-第一出气孔；24-第一进气孔；25-第一出水孔；26-安装座。

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1和3，附图1和附图3给出了本申请实施例提供的晶体生长用温度梯度调节装置组件结构示意图以及组装后的结构示意图，如图1所示，本申请实施例提供的晶体生长用温度梯度调节装置，包括旋转接头4、连接座5和套设有籽晶杆外壳6的籽晶杆16，所述连接座5的一端与所述籽晶杆外壳6上的第一法兰螺栓连接，另一端通过第二法兰与所述旋转接头4连接；

如图2所示，所述籽晶杆外壳6上设置有第一进水孔22，所述籽晶杆外壳6内装有隔水套15，所述隔水套15设置在所述籽晶杆16的外围，且所述籽晶杆16贯穿所述隔水套15和所述籽晶杆外壳6，所述籽晶杆16的内部插入钼管17，所述隔水套15上设置有第一出水孔25，所述钼管17上设置有第一进气孔24，所述籽晶杆16上设置有第一出气孔23；

所述装置还包括设置有第二进气孔18、第二进水孔19、第二出气孔21和第二出水孔20的冷却盘管7，所述第二进气孔18和第二进水孔19设置在冷却盘管7的同一侧，所述第二出气孔21和第二出水孔20设置在冷却盘管7的另一侧，所述冷却盘管7嵌套在所述连接座5上；

所述装置还包括第一气路管8、第二气路管9、第三气路管10、第一水路管11、第二水路管12、第三水路管13和第四水路管14，所述第一气路管8一端连接在所述旋转接头4上，另一端与所述第一进气孔24连接，所述第二气路管9一端连接在所述第一出气孔23上，另一端连接在所述第二进气孔18上，所述第三气路管10一端连接在所述第二出气孔21上，另一端连接在所述旋转接头4上，所述第一水路管11一端连接在所述旋转接头4上，另一端连接在所述第一进水孔22上，所述第二水路管12一端连接在所述第一出水孔25上，另一端连接在所述旋转接头4上，所述第三水路管13一端连接在所述旋转接头4上，另一端连接在第二进水孔19上，所述第四水路管14一端连接在所述第二出水孔20上，另一端连接在所述旋转接头4上。

本申请实施例提供的晶体生长用温度梯度调节装置，通过将水管道和气管道同时设置在籽晶杆16的设备上，提供了一种用于晶体生长的可以同时实现水冷气冷温度梯度调节的装置技术，通过控制气体和液体的流量与压力，带走籽晶杆16上的热量，使得晶体沿籽晶晶向缓慢生长，在生长过程中，还可以通过改变热场温度，籽晶杆16的旋转速度和拉升速度等参数控制晶体的生长速度。

进一步的，旋转接头4为六通路液压旋转接头4，所述六通路液压旋转接头4上设置有若干宝塔接头以及若干双卡套螺纹直通接头，在整个装置使用时，采用宝塔接头以及双卡套螺纹直通接头连接水源和气源。

可选的，所述装置还包括伺服电机1、减速机2和联轴器3，所述旋转接头4远离所述连接座5的一端与所述联轴器3连接，所述伺服电机1安装在所述减速机2上，所述减速机2连接所述联轴器3，且驱动所述联轴器3旋转，从而带动整个装置进行旋转，具体使用时，驱动伺服电机1带动籽晶杆16旋转，使籽晶杆16上的籽晶接触到熔融的原料，待温度稳定后，通过控制气体的流量与压力，带走籽晶杆16上的热量，使得晶体沿籽晶晶向缓慢生长，在生长过程中，还可以通过改变热场温度，籽晶杆16的旋转速度和拉升速度等参数控制晶体的生长速度。

可选的，所述第一进气孔24设置在所述钼管17靠近所述第二法兰的一侧，所述第一出气孔23设置在所述籽晶杆16靠近所述第二法兰的一侧，所述第一进水孔22设置在所述籽晶杆外壳6靠近所述第二法兰的一侧，所述第一出水孔25设置在所述隔水套15靠近所述第二法兰的一侧，其中，第一进水孔22、第一出气孔23、第一进气孔24和第一出水孔25均设置在靠近所述第二法兰的一侧，可以使得通入的水源以及气源充满整个籽晶杆16装置进行循环冷却。

可选的，装置连接管道处均采用焊接工艺密封连接，从而保证较好的密封性能，可以实现籽晶装置的循环气体、循环水的冷却。

可选的，所述第一气路管8、第二气路管9和第三气路管10均为卡套软管，所述第一水路管11、第二水路管12、第三水路管13和第四水路管14均为橡胶软管。

可选的，所述装置还包括安装座26，所述安装座26套设在所述冷却盘管7上，通过第一法兰与所述籽晶杆外壳6连接，如图4所示。

为了本领域技术人员更加清楚的理解本申请中的技术方案，本申请实施例中以水以及氦气分别作为水源和气源，将供水装置与旋转接头4连接，用以给整个装置供水，将压缩机与旋转接头4连接用于向整个装置提供氦气，本申请技术方案的具体使用方法，如下所述：

首先在籽晶杆16的末端安装好籽晶，放置与坩埚上方，然后在坩埚中放入原料，采用高频加热或者其他方法加热使坩埚中的原料熔化，直至达到熔融状态，同时控制好热场温度和熔体的温度保证籽晶不被熔化。用氦气作为冷却气体，水作为冷却液体，工作时，将氦气通过旋转接头4、第一气路管8通入到钼管17的第一进气孔24，以冷却籽晶杆16上装有的籽晶，进行热交换带走热量，随后从籽晶杆16的第一出气孔23流出经过第二气路管9通入冷却盘管7中，再通过第三气路管10回到旋转接头4中，最终回到压缩机内。由于氦气化学性质稳定，具有较大的比热容和热导率，而且可以直接作用于高温段，对晶体生长过程的控制作用较强。

在整个氦气冷却过程中，由于氦气吸收大量的热量导致氦气的温度上升，所以要用两路循环冷却水对氦气进行降温。一路冷却水通过旋转接头4、第一水路管11通入到籽晶杆外壳6的第一进水孔22中，可以冷却籽晶杆16的部分，以降低籽晶杆16上端温度，同时还可以对籽晶杆16中的氦气进行冷却，随后从隔水套15的第一出水孔25流出，经过第二水路管12回到旋转接头4中。第二水路管12中的冷却水通过旋转接头4、第三水路管13通入到冷却盘管7中，其目的是为了冷却从籽晶杆16流出的氦气，防止氦气温度过高，损坏转换接头，最后通过第四水路管14回到旋转接头4中。

在引晶时，保持熔体温度的恒定，通过调节水冷气冷籽晶装置的高度，并且驱动伺服电机1带动籽晶杆16旋转，使籽晶杆16上的籽晶接触到熔融的原料，带温度稳定后，通过控制氦气的流量与压力，带走籽晶杆16上的热量，使得晶体沿籽晶晶向缓慢生长，在生长过程中，还可以通过改变热场温度，籽晶杆16的旋转速度和拉升速度等参数控制晶体的生长速度。

本申请实施例提供的晶体生长用温度梯度调节装置，包括旋转接头4、连接座5和套设有籽晶杆外壳6的籽晶杆16，通过将水管道和气管道同时设置在籽晶杆16的设备上，提供了一种用于晶体生长的可以同时实现水冷气冷温度梯度调节的装置技术，通过控制气体和液体的流量与压力，带走籽晶杆16上的热量，使得晶体沿籽晶晶向缓慢生长，在生长过程中，还可以通过改变热场温度，籽晶杆16的旋转速度和拉升速度等参数控制晶体的生长速度。本申请提供的晶体生长用温度梯度调节装置，解决了现有技术中单独水冷的籽晶轴结构热场温度难以控制，一旦设计定型，温度梯度不能调整的问题，为晶体生长技术领域提供了技术支持。

需要说明的是，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

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。