专利名称：通过定向凝固法制造单晶锭的装置的制作方法
技术领域：
通过定向凝固法制造单晶锭的装置技术领域[0001]本实用新型涉及单晶锭制造领域，特别是涉及一种通过定向凝固法制造例如蓝宝 石单晶锭的制造单晶锭的装置。
背景技术：
[0002]1970年美国晶体系统公司的F. Schmid D. J. Viechnicki公开了一种“梯度法生长 蓝宝石晶体片”，首次提出了用热交换法生长具有较高热交换法生长的A1203晶体。石墨加 热器热量通过熔体、晶体而到达热交换器，由氦气流带走，建立起由坩埚内壁、经过熔体籽 晶而到达坩埚底中心的温度梯度场。在晶体的生长过程中，可通过流动的氦气来建立和调 节温度梯度，并在晶体生长后期，有限度地实现晶体原位退火。但是在现有的装置中，需要 大量的流动氦气来建立所需要的温度梯度，从而导致装置的结构非常复杂、且成本很高。实用新型内容[0003]本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型需 要提供一种制造单晶锭的装置，所述装置可以改善例如蓝宝石的单晶锭的质量、且充分利 用冷却流体的利用效率。[0004]根据本实用新型的一方面，提供了一种制造单晶锭的装置，包括主体；设置在所 述主体内的坩埚，所述坩埚的下部形成有锥形部分；至少一个主加热部件，所述加热部件用 于加热和完全熔化容纳在所述坩埚内的给料，以及部分熔化设置在所述锥形部分底部中心 位置的籽晶；辅助温度调节部件，所述辅助温度调节部件与所述锥形部分相邻设置；热交 换器，所述热交换器相邻地设置在所述坩埚底部的中心位置，用于通过从主体之外将用于 热交换的流体循环地通入到所述热交换器内来控制所述坩埚内的热交换，以控制所述部分 熔化的籽晶和熔化的给料的定向凝固；以及绝热件，所述绝热件设置在所述主体内，且位于 所述主加热部件和主体之间。[0005]根据本实用新型的制造单晶锭的装置，通过利用所述热交换器，可以通过从主体 之外将用于热交换的流体循环地通入到所述热交换器内来控制所述坩埚内的热交换，以 控制所述部分熔化的籽晶和熔化的给料的定向凝固，从而实现了例如氦气的流体的充分利 用。此外，由于所述坩埚的下部锥形部分可以在所述坩埚之内获得更好的温度梯度场，所述 锥形部分还有利于将晶体生长中形成的位错排出晶体外，降低晶体的位错密度，从而实现 了所述单晶锭的良好生长，并提高了所述单晶锭的质量。[0006]另外，根据本实用新型上述实施例的制造单晶锭的装置还可以具有如下附加的技 术特征[0007]根据本实用新型的一个实施例，所述热交换器包括第一管，所述第一管的伸入到 所述坩埚底部的端部密封；以及第二管，所述第二管插入到所述第一管内，所述流体从第二 管流入并从所述第一管流出。[0008]根据本实用新型的一个实施例，所述第一管的外表面形成有绝热层。[0009]根据本实用新型的一个实施例，所述热交换器进一步包括热交换部件，所述热交 换部件设置在所述第一管和所述坩埚的底部中心之间，用于在所述第一管和所述坩埚的底 部中心之间进行热交换。[0010]根据本实用新型的一个实施例，所述流体为氦气，且所述流体的流速在化料阶段 控制成保持所述籽晶部分被熔化，在定向凝固阶段控制成保持晶体生长所需的温度梯度。[0011]根据本实用新型的一个实施例，所述锥形部分的底部形成有籽晶槽，用于放置籽曰曰曰O[0012]根据本实用新型的一个实施例，所述锥形部分相对于纵向的斜度为30-60度。[0013]根据本实用新型的一个实施例，所述辅助温度调节部件由辅助加热器形成，用于 加热所述锥形部分。[0014]根据本实用新型的一个实施例，所述辅助温度调节部件由与所述锥形部分外表面 相邻设置的热反射部件形成，用于反射所述锥形部分辐射的热量。[0015]根据本实用新型的一个实施例，所述辅助温度调节部件由与所述锥形部分外表面 相邻设置的保温部件形成，用于所述锥形部分的保温。[0016]根据本实用新型的一个实施例，所述制造单晶锭的装置进一步包括辅助绝热部 件，所述辅助绝热部件位于主体内部，且水平设置在所述辅助温度调节部件和所述主体之 间。[0017]根据本实用新型的一个实施例，所述主加热部件由钨、钨钼合金或石墨形成。[0018]根据本实用新型的一个实施例，所述单晶锭为蓝宝石晶锭。[0019]本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述 中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
[0020]本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中 将变得明显和容易理解，其中[0021]图1是根据本实用新型的一个实施例的制造单晶锭的装置的结构示意图；以及[0022]图2是图1中A部分的放大示意图。
具体实施方式
[0023]下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始 至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参 考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的 限制。[0024]在本实用新型的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅 是为了便于描述本实用新型而不是要求本实用新型必须以特定的方位构造和操作，因此不 能理解为对本实用新型的限制。[0025]下面将参照附图来描述根据本实用新型的一个实施例的制造单晶锭的装置100， 其中图1是根据本实用新型的一个实施例的制造单晶锭的装置100的结构示意图。此外，在下述中将以制造蓝宝石单晶锭为例，来描述制造单晶锭的装置100。但是，需要说明的是， 本实用新型的制造单晶锭的装置100也可以利用制造其他类型的单晶，例如硅单晶、氧化 物(如钇铝石榴石YAG等)单晶等，此处只是出于示例的目的，而不是为了限制本实用新型 的保护范围。[0026]如图1中所示，制造蓝宝石单晶锭的装置100包括主体1 ；设置在所述主体1内 的坩埚2，所述坩埚2的下部形成有锥形部分3 ；主加热部件4，所述主加热部件4用于加热 和完全熔化容纳在所述坩埚2内的给料，以及部分熔化设置在所述锥形部分3底部中心位 置的籽晶5 ；辅助温度调节部件6，所述辅助温度调节部件6与所述锥形部分3相邻设置；热 交换器8，所述热交换器8相邻地设置在所述坩埚2底部的中心位置，用于通过从主体1之 外将用于热交换的流体循环地通入到所述热交换器8内来控制所述坩埚2内的热交换，以 控制所述部分熔化的籽晶5和熔化的给料的定向凝固；以及绝热件7，所述绝热件7设置在 所述主体1内，且位于所述主加热部件4和主体1之间。[0027]在上述的制造蓝宝石单晶锭的装置100中，主体1、坩埚2或者绝热件7等可以形 成为圆柱体形，但是需要说明的是，主体1、坩埚2或者绝热件7等也可以形成为其他的形 状，例如长方体形等，此处只是出于说明的目的，而不是为了限制本实用新型的保护范围。 主体1内可以容纳有多个主加热部件4和多个辅助温度调节部件6。[0028]由此，在根据本实用新型的制造单晶锭的装置100，通过利用所述热交换器8，可 以通过从主体1之外将用于热交换的流体循环地通入到所述热交换器内来控制所述坩埚 2内的热交换，以控制所述部分熔化的籽晶5和熔化的给料的定向凝固，从而实现了例如氦 气的流体的充分利用。[0029]此外，由于所述坩埚2的下部锥形部分可以在所述坩埚2之内获得更好的温度梯 度场，从而实现了所述单晶锭的良好生长，减少了晶体的内应力；并且，晶体中很少位错会 竖直延伸而纵向贯穿整个晶体，所述锥形部分使大部分位错延伸并终止到锥形表面，即有 利于将晶体生长中形成的位错排出晶体外，降低晶体的位错密度，从而提高了所述单晶锭 的质量。[0030]下面将参照图1来进一步详细描述制造单晶锭的装置100的各组成部件。[0031]如图1中所示，坩埚2的下部形成有锥形部分3，这主要是考虑了蓝宝石单晶锭的 生长过程中，坩埚2内的温度场分布不均勻，特别是在靠近坩埚2的侧壁的位置处，从而在 蓝宝石单晶锭的生长过程，由于局部区域温差过大导致巨大内应力，容易导致蓝宝石单晶 锭内部出现裂纹。通过形成锥形部分3，从而消除了坩埚2内部的温度场的不均勻性，使得 蓝宝石单晶锭生长的更加均勻，内应力更低。此外，所述锥形部分使大部分位错延伸并终止 到锥形表面，有利于将晶体生长中形成的位错排出晶体外，从而降低晶体的位错密度。[0032]根据本实用新型的一个实施例，所述锥形部分3相对于纵向的斜度为30-60度，以 获得最好的温度场分布。[0033]根据本实用新型的一个实施例，锥形部分3的底部形成有籽晶槽9，用于放置籽晶 5。籽晶槽9的作用如下[0034]首先，籽晶5可以被该籽晶槽9固定；[0035]其次，在化料过程中，由于籽晶槽9下部是热交换器8，这样更容易通过控制交换 的热量，实现籽晶部分熔化，而不是完全熔化或者完全不熔化；[0036]再次，籽晶向上生长时，在熔体与籽晶的界面由于热冲击的作用形成大量位错，这 些位错可以延伸到籽晶槽壁而终止，从而有利于将位错排出晶体，降低位错密度。[0037]为了控制坩埚2的锥形部分3处的温度场分布的均勻性，与该锥形部分3相邻处 设置辅助温度调节部件6，从而可以利用该辅助温度调节部件6来进一步优化锥形部分3处 的温度场，从而获得良好的蓝宝石单晶锭的生长温度梯度。[0038]根据本实用新型的一个实施例，所述辅助温度调节部件6可以由辅助加热器形 成，用于加热所述锥形部分3。[0039]根据本实用新型的一个实施例，所述辅助温度调节部件6也可由与所述锥形部分 3外表面相邻设置的热反射部件形成，用于反射所述锥形部分3辐射的热量。例如，所述辅 助温度调节部件6可以形成为热屏，该热屏由钨钼合金形成，且该热屏与锥形部分的表面 分开预定的距离，该热屏可以将从锥形部分3辐射出来的热量反射回去。[0040]根据本实用新型的一个实施例，所述辅助温度调节部件6也可以由与所述锥形部 分3外表面相邻设置的保温部件形成，用于所述锥形部分3的保温。从而防止锥形部分3 的热量被散逸，以防止晶体内部形成过大的温度梯度。[0041]下面将参照图2来说明制造单晶锭的装置100中的热交换器8。热交换器8包括 第一管81，第一管81的伸入到所述坩埚2底部的端部密封；以及第二管82，所述第二管82 插入到所述第一管81内，所述流体从第二管82流入并从所述第一管81流出。根据本实用 新型的一个实施例，所述第一管81的外表面可以形成有绝热层83。从而防止热量从主体1 内传递给例如氦气的冷却流体。[0042]根据本实用新型的一个实施例，所述热交换器进一步包括热交换部件84，所述 热交换部件84设置在所述第一管和所述坩埚2的底部中心之间，用于在第一管81和所述 坩埚2的底部中心之间进行热交换。[0043]根据本实用新型的一个实施例，所述流体为氦气，且所述流体的流速在化料阶段 控制成保持所述籽晶5部分被熔化，在定向凝固阶段控制成保持晶体生长所需的温度梯度。[0044]如图1中所示，制造单晶锭的装置100可以进一步包括辅助绝热部件10，辅助绝 热部件10位于主体1内部，且水平设置在辅助温度调节部件6和主体1之间。根据本实用 新型的一个实施例，所述辅助绝热部件10由钨、钼、或钨钼合金制成，用于反射从辅助温度 调节部件6和主加热部件4表面辐射的热量，以防止所述热量被辐射到所述主体1，从而造 成对所述装置100表面的损坏。根据本实用新型的另一个实施例，所述辅助绝热部件10由 保温碳毡制成，用于防止热量从辅助温度调节部件6和主加热部件4表面辐射到主体1。[0045]根据本实用新型的一个实施例，所述主加热部件4由钨、钨钼合金或石墨形成。[0046]下面将参照图1来简单描述制造蓝宝石单晶锭的过程。首先将蓝宝石给料放入到 坩埚中，并对主体1内抽真空，然后利用主加热器4进行化料，同时部分熔化籽晶5，此时将 流体通入到热交换器8内，且流体的流速在化料阶段控制成保持所述籽晶部分被熔化，然 后开始定向凝固生长晶体，流体的流速在定向凝固阶段控制成保持晶体生长所需的温度梯 度，定向凝固完成后，保温以降低晶体内应力，然后冷却出炉。如上所述，根据本实用新型的 制造单晶锭的装置100，通过利用所述热交换器8，可以通过从主体1之外将用于热交换的 流体循环地通入到所述热交换器8内来控制所述坩埚2内的热交换，以控制所述部分熔化6的籽晶5和熔化的给料的定向凝固，从而实现了例如氦气的流体的充分利用。此外，由于所 述坩埚2的形状可以在所述坩埚2之内获得更好的温度梯度场，从而实现了所述单晶锭的 良好生长，并提高了所述蓝宝石单晶锭的质量。[0047]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示 例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特 点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表 述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在 任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。[0048]尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解 在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换 和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。
权利要求1.一种制造单晶锭的装置，其特征在于，包括 主体；设置在所述主体内的坩埚，所述坩埚的下部形成有锥形部分； 至少一个主加热部件，所述加热部件用于加热和完全熔化容纳在所述坩埚内的给料， 以及部分熔化设置在所述锥形部分底部中心位置的籽晶；辅助温度调节部件，所述辅助温度调节部件与所述锥形部分相邻设置； 热交换器，所述热交换器相邻地设置在所述坩埚底部的中心位置，用于通过从主体之 外将用于热交换的流体循环地通入到所述热交换器内来控制所述坩埚内的热交换，以控制 所述部分熔化的籽晶和熔化的给料的定向凝固；以及绝热件，所述绝热件设置在所述主体内，且位于所述主加热部件和主体之间。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热交换器包括 第一管，所述第一管的伸入到所述坩埚底部的端部密封；以及第二管，所述第二管插入到所述第一管内，所述流体从第二管流入并从所述第一管流出ο
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一管的外表面形成有绝热层。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述热交换器进一步包括热交换部件，所述热交换部件设置在所述第一管和所述坩埚的底部中心之间，用于在 所述第一管和所述坩埚的底部中心之间进行热交换。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述流体为氦气，且所述流体的流速在化 料阶段控制成保持所述籽晶部分被熔化，在定向凝固阶段控制成保持晶体生长所需的温度 梯度。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述锥形部分的底部形成有籽晶槽，用于 放置籽晶。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述锥形部分相对于纵向的斜度为30-60度。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述辅助温度调节部件由辅助加热器形 成，用于加热所述锥形部分。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述辅助温度调节部件由与所述锥形部 分外表面相邻设置的热反射部件形成，用于反射所述锥形部分辐射的热量。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述辅助温度调节部件由与所述锥形部 分外表面相邻设置的保温部件形成，用于所述锥形部分的保温。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括辅助绝热部件，所述辅助绝热部件位于主体内部，且水平设置在所述辅助温度调节部 件和所述主体之间。
12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主加热部件由钨、钨钼合金或石墨 形成。
13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述单晶锭为蓝宝石晶锭。
专利摘要本实用新型公开了一种制造单晶锭的装置，包括主体；设置在所述主体内的坩埚，所述坩埚的下部形成有锥形部分；至少一个主加热部件；辅助温度调节部件，所述辅助温度调节部件与所述锥形部分相邻设置；热交换器，所述热交换器相邻地设置在所述坩埚底部的中心位置，用于通过从主体之外将用于热交换的流体循环地通入到所述热交换器内来控制所述坩埚内的热交换，以控制所述部分熔化的籽晶和熔化的给料的定向凝固；以及绝热件，所述绝热件设置在所述主体内，且位于所述主加热部件和主体之间。根据本实用新型的制造单晶锭的装置，不仅可以充分地循环利用例如氦气的冷却气体，而且可以提高所制造的单晶锭的质量。
文档编号C30B11/00GK201817570SQ20102056450
公开日2011年5月4日 申请日期2010年10月9日 优先权日2010年10月9日
发明者李园 申请人:王楚雯