长晶炉的制作方法

专利名称：长晶炉的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及长晶炉，具体地说，是一种蓝宝石长晶炉。
背景技术：
一般制备蓝宝石的方法是，采用直拉晶棒制备方法。具体地说，其步骤a)、加料:将蓝宝石原料放入石英坩埚内；b)、融化:把加好原料的石英坩埚放入长晶炉(真空石墨电阻炉)内，然后长晶炉关闭并抽成真空后充入惰性气体，然后打开石墨加热器电源，加热至熔化温度以上，将蓝宝石原料熔化；c)、缩颈生长:当熔体的温度稳定之后，将籽晶慢慢浸入坩埚中，将籽晶快速向上提升，使长出的籽晶的直径缩小到4-6_ ；d)、放肩生长:长完细颈之后，须降低温度与拉速，使得晶体的直径渐渐增大到所需的大小；e)、等径生长:长完细颈和肩部之后，借着拉速与温度的不断调整，可使晶棒直径维持在正负2_之间，这段直径固定的部分即称为等径部分；f)、尾部生长:在长完等径部分之后，必须先将晶棒的直径慢慢缩小，直到成一尖点而与液面分开，长完的晶棒被升至上炉室冷却一段时间后取出，即完成一次生长周期。在缩颈生长、放肩生长、等径生长、尾部生长的过程中，晶棒与坩埚要相对转动。一般是把坩埚放置在一个在传动机构带动下转动的转盘上，使得转盘带动坩埚绕晶棒的轴线转动而晶棒不动。由于晶体生长时，由于坩埚转动而产生熔体涡流，熔体固液界面上温度和浓度的波动大，晶体产生的缺陷多。
发明内容本实用新型的目的是提供一种保证生成的晶体缺陷少、使用方便的长晶炉。本长晶炉，包括真空电阻炉，在真空电阻炉的底部设置有一热交换器，热交换器内具有与用于通入冷却介质的冷却介质流道；用于通入冷却气体的冷却气体管伸入到真空电阻炉的底部；坩埚置于热交换器的顶端，坩埚底部中心与热交换器顶端中心相重合。本实用新型的有益效果:使用时，把籽晶和需要熔化蓝宝石原料置于坩埚内，其中籽晶要放在坩埚底部的中心处。当真空电阻炉(真空电阻炉属于现有设备)开始升温，坩埚内的原料被加热熔化的同时，使冷却介质流经热交换器，通过热交换器对籽晶冷却，使籽晶不会熔化。当冷却介质流量逐渐加大后，则从熔体带走的热量亦相应增加，使籽晶逐渐长大。通过冷却气体管通入冷却气体，用于长晶阶段降温。调节冷却气体的流量就可控制长晶炉内的温度，使得晶体生长在温度梯度场中进行。这样，通过控制冷却介质流量和冷却气体流量，最终使整个坩埚内的熔体全部凝固。本长晶炉的主要优点如下:1)晶体生长时，坩埚、晶体和加热区都不移动，这就消除了由于机械运动而产生的熔体涡流，调节冷却气体的流量就可控制长晶炉内的温度，使得晶体生长在温度梯度场中进行，抑制了熔体的涡流和对流，可以消除固液界面上温度和浓度的波动，以避免晶体造成过多的缺陷。2 )刚生长出来的晶体被熔体所包围，这样就可以控制它的冷却速率，以减少晶体的热应力及由此产生的开裂和位错等缺陷。同时，也可以长出与坩埚形状和尺寸相仿的单晶。[0007]为了精确控制真空电阻炉的功率、调节熔体温度，上述的长晶炉，它包括用于控制真空电阻炉的加热功率的控制器，用于检测真空电阻炉内温度的温度传感器，温度传感器的输出接控制器。上述的长晶炉，真空电阻炉的加热元件为石墨制成的环形加热元件，坩埚位于环形加热元件的中心；冷却气体管的出口位于坩埚与环形加热元件的真空电阻炉的底部。上述的长晶炉，冷却气体和冷却介质均为氦气。

图1是长晶炉的示意图。图2是坩埚、热交换器、籽晶等示意图。
具体实施方式
参见图1、2所示的长晶炉，包括属于现有技术的真空石墨电阻炉I。真空石墨电阻炉主要包括炉壳11，在炉壳内有隔热材料12。在炉壳11上设置有真空泵15和两个温度传感器16。真空石墨电阻炉的炉腔内部有石墨制成的石墨加热器(环形加热元件)13。真空电阻炉底部14的中心设置有一钨钥制成的热交换器2，热交换器内具有与供氦气流过的冷却介质流道21。坩埚3位于环形加热元件的中心部，其底部与热交换器的顶面接触，且坩埚底部中心与热交换器顶面中心相重合。冷却坩埚的冷却气体管4穿过真空电阻炉底部14，冷却气体管4上部的冷却气体出口位于坩埚3与石墨加热器13之间。冷却气体管4下部的冷却气体入口与氦气源(未示出)相通。温度传感器16的输出接控制真空电阻炉加热功率的控制器17。长晶炉就是在真空石墨电阻炉的底部装上一个钨钥制成的热交换器，内有冷却氦气流过。把装有原料的坩埚放在热交换器的顶端，坩埚与热交换器两者中心互相重合，而籽晶5置于坩埚底部的中心处。通过真空泵对真空石墨电阻炉抽真空后，通过石墨加热器13进行加热升温。当坩埚内的原料被加热熔化以后，此时，由于氦气流经热交换器冷却，使籽晶不会熔化，当氦气流量逐渐加大后，则从熔体带走的热量亦相应增加，使籽晶逐渐长大。最后使整个坩埚内的熔体全部凝固。整个晶体生长过程分两个阶段进行，即成核阶段和生长阶段。本真空电阻炉的底部开有两路通入冷却气体的冷却气体的管路，一路用来冷却籽晶，确保籽晶不被融化掉，另一路用于长晶阶段降温。晶体生长的驱动力来自固液界面上的温度梯度。通过调节石墨加热器的功率，可达到调节熔体温度的目的。而晶体的热量可通过热交换器的氦气的流量带走。因此，在生长过程中，晶体的生长界面上可以建立起所需要的温度梯度。这种方法的主要优点如下:I)晶体生长时，坩埚、晶体和加热区都不移动，这就消除了由于机械运动而产生的熔体涡流，控制热交换器的温度，使晶体生长在温度梯度场中进行，抑制了熔体的涡流和对流，可以消除固液界面上温度和浓度的波动，以避免晶体造成过多的缺陷。2)刚生长出来的晶体被熔体所包围，这样就可以控制它的冷却速率，以减少晶体的热应力及由此产生的开裂和位错等缺陷。同时，也可以长出与坩埚形状和尺寸相仿的单晶。
权利要求1.长晶炉，包括真空电阻炉，其特征是:在真空电阻炉的底部设置有一热交换器，热交换器内具有与用于通入冷却介质的冷却介质流道；用于通入冷却气体的冷却气体管伸入到真空电阻炉的底部；坩埚置于热交换器的顶端，坩埚底部中心与热交换器顶端中心相重合。
2.如权利要求1所述的长晶炉，其特征是:它包括用于控制真空电阻炉的加热功率的控制器，用于检测真空电阻炉内温度的温度传感器，温度传感器的输出接控制器。
3.如权利要求1所述的长晶炉，其特征是:真空电阻炉的加热元件为石墨制成的环形加热元件，坩埚位于环形加热元件的中心；冷却气体管的出口位于坩埚与环形加热元件的真空电阻炉的底部。
4.如权利要求1-3任一所述的长晶炉，其特征是:冷却气体和冷却介质均为氦气。
专利摘要本实用新型提供一种保证生成的晶体缺陷少、使用方便的长晶炉。本长晶炉，包括真空电阻炉，在真空电阻炉的底部设置有一热交换器，热交换器内具有与用于通入冷却介质的冷却介质流道；用于通入冷却气体的冷却气体管伸入到真空电阻炉的底部；坩埚置于热交换器的顶端，坩埚底部中心与热交换器顶端中心相重合。
文档编号C30B29/20GK203007472SQ20132004070
公开日2013年6月19日 申请日期2013年1月25日 优先权日2013年1月25日
发明者杨宏伟, 王央文 申请人:江苏阳帆机电设备制造有限公司