一種泡生法單晶爐的全角度視窗的製作方法
2023-10-22 18:32:52 1
專利名稱：一種泡生法單晶爐的全角度視窗的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及人造藍寶石技術領域，涉及藍寶石單晶爐的設計與製造，具體的是一種泡生法單晶爐的全角度視窗。
技術背景藍寶石單晶爐是將氧化鋁(Al2O3)塊狀原料或者藍寶石籽晶製作成排列有序的藍寶石晶體的重要設備。而藍寶石晶體的穩定性好，其絕緣、透明、易導熱、硬度高、耐磨等優點使之成為半導體GaNAl2O3發光二極體(LED)、大規模集成電路SOI和SOS以及超導納米結構薄膜重要的襯底材料，是大有發展前途的晶體材料。目前，LED得到了很好的開發和應用，成為一種節能環保、壽命長、多用途的環保光源，因此，藍寶石晶體的發展將能夠直接影響LED產業的發展。在利用單晶爐人造藍寶石單晶的過程中，需要通過爐體上的視窗觀察藍寶石單晶的生長過程，及時調整參數，生產高質量的藍寶石單晶體。因此，如何能夠全面地觀察單晶爐內藍寶石單晶完整的生成狀況，成為生產者所關心的問題。現有的單晶爐，爐體上的視窗採用的是雙層石英玻璃，雙層石英玻璃的中間設有冷卻水循環系統。現有視窗結構的不足之處是(I)雙層石英玻璃中間水的流動會產生波紋，影響觀察藍寶石單晶完整生成的準確度；(2)由於藍寶石單晶爐爐內的溫度高達2100°C，一旦冷卻水不均勻就會導致視窗玻璃的破碎；(3)視窗的裡面是凹面結構，這不僅加工難度很大，而且可進行的視窗觀察都是單側觀察，這就使視窗的觀察有局限性，對籽晶下種操作的支持不夠，使籽晶下種的操作不那麼方便；(4)不能通過視窗充分了解爐內晶體生長的全部情況。
實用新型內容本實用新型的目的在於解決上述問題，提供一種泡生法單晶爐的全角度視窗，它不僅結構簡單、安裝方便、能夠在2100°C的高溫下工作，而且能夠全面觀察單晶爐內藍寶石單晶完整的生長過程，了解爐內整體的運行狀況。為實現上述目的，本實用新型採取的技術方案為—種泡生法單晶爐的全角度視窗，含有爐體、坩堝、爐蓋，在爐體內設置坩堝，在坩堝的中間設置籽晶杆，其特徵在於，水冷籽晶杆頂端的密封通道包括設置在爐蓋中央的爐蓋上凸口、密封連接體和波紋管，所述爐蓋上凸口通過密封連接體連接著波紋管，實現了真空狀態下通過波紋管對籽晶杆的真空密封連接；所述爐蓋的上下表面都為平面結構，在爐蓋上設置三個視窗，即第一視窗、第二視窗、第三視窗和三個擋板控制按鈕；所述的三個視窗通過三個視窗筒體，即第一視窗筒體、第二視窗筒體、第三視窗筒體密封連接在爐蓋上並高於爐蓋的平面定義一垂面，所述垂面垂直於爐蓋表面並通過爐蓋的直徑，所述視窗筒體的中心線位於所述垂面上並傾斜於爐蓋表面，所述視窗筒體在其中心線與所述爐蓋直徑近圓心端形成一個120° 125°度的鈍角，所述視窗筒體在其中心線與所述爐蓋直徑遠圓心端形成一個55° 60°度的銳角，所述視窗筒體的中心線與爐蓋上表面的交點到爐蓋中心保持一定的距離，所述的三個視窗筒體成陣列設置在爐蓋上；在所述的三個視窗筒體的頂端通過密封圈安裝石英玻璃，使石英玻璃與爐體保持有一定的距離；通過所述的三個視窗能全角度地觀察單晶爐爐體內的單晶生長區域；在所述三個視窗筒體下端連接的爐蓋的下表面設有三快擋板，所述三快擋板對應所述的三個視窗筒體的位置並與所述的三個擋板控制按鈕連接；所述的三快擋板受三個擋板控制按鈕的控制需要觀察時，通過擋板控制按鈕轉開擋板即可通過視窗進行觀察，不需要觀察時，將擋板遮住視窗的下端起到隔熱的效果，保護石英玻璃在高溫下的工作狀態。可選的，所述的三個視窗，即第一視窗、第二視窗、第三視窗和所述三個視窗筒體，即第一視窗筒體、第二視窗筒體、第三視窗筒體採用圓形結構。進一步，所述的石英玻璃與所述的三個視窗筒體，即第一視窗筒體、第二視窗筒體、第三視窗筒體在筒體的頂端與視窗筒體中軸線呈垂直狀態密封安裝。可選的，所述的擋板為長橢圓型結構，一端為連軸端，另一端為開放活動端；所述開放活動端的旋轉角度是固定的，可防止擋板過度旋轉，影響視窗下端的密封效果。可選的，所述的擋板為用金屬鑰材料製作的擋板。本實用新型一種泡生法單晶爐的全角度視窗的積極效果是(I)在平面的爐蓋上設計三個傾斜的全角度視窗，能清晰觀察泡生法單晶爐內的情況，有利於技術人員對單晶爐的運行狀況進行很好的把握，對晶體的生長參數做出最準確的調整，從而長出優質的藍寶石單晶體。(2)全角度視窗的下端平時用擋板擋住，擋板的隔熱效果能保證石英玻璃在2100°C高溫下的正常工作狀態，可延長石英玻璃的使用效果和使用壽命。(3)波紋管下端與爐蓋凸出口的上端之間用密封連接體連接，實現了真空狀態下對籽晶杆的密封。(4)安裝了本實用新型的全角度視窗的泡生法單晶爐的工作效率會更高。
附圖I為本實用新型一種泡生法單晶爐的全角度視窗的結構示意圖；圖中的標號分別為I、坩堝；2、籽晶杆；3、爐蓋；4、爐蓋上凸口； 5、密封連接體；6、波紋管；71、第一視窗；72、第二視窗；73、第三視窗；81、第一視窗筒體；82、第二視窗筒體；83、第三視窗筒體；9、擋板控制按鈕。附圖2為實用新型一種泡生法單晶爐的全角度視窗的設計圖。
具體實施方式
以下結合附圖繼續解釋本實用新型一種泡生法單晶爐的全角度視窗的具體實施情況，但是，本實用新型的實施不限於以下的實施方式。參見附圖1，一種泡生法單晶爐的全角度視窗，含有爐體、坩堝I、爐蓋3，爐體的基本結構同現有的泡生法單晶爐的結構。在坩堝I的中間設置籽晶杆2，籽晶杆2頂端連接在爐蓋3中央的爐蓋上凸口 4上，所述爐蓋上凸口 4通過密封連接體5與波紋管6連接，可實現在真空狀態下通過波紋管6對籽晶杆2的控制。[0025]所述爐蓋3的上下表面都為平面結構，在爐蓋3上設置三個視窗，即第一視窗71、第二視窗72、第三視窗73和三個擋板控制按鈕9。所述的三個視窗通過三個視窗筒體，即第一視窗筒體81、第二視窗筒體82和第三視窗筒體83密封連接在爐蓋3上並高於爐蓋3的平面。實施時可先定義一垂面所述垂面垂直於爐蓋3表面並通過爐蓋3的直徑，所述視窗筒體的中心線位於所述垂面上並傾斜於爐蓋3表面，所述視窗筒體在其中心線與所述爐蓋3直徑近圓心端形成一個120° 125°度的鈍角，所述視窗筒體在其中心線與所述爐蓋直徑遠圓心端形成一個55° 60°度的銳角，所述視窗筒體的中心線與爐蓋3上表面的交點到爐蓋3中心保持一定的距離，將所述的三個視窗筒體成陣列設置爐蓋3上(三個視窗筒體具體設置的計算方法在下面介紹圖2時再詳細敘述)。所述的三個視窗和所述的三個視窗筒體可採用圓形結構。在所述的三個視窗筒體的頂端通過密封圈安裝石英玻璃，使石英玻璃能通過密封圈與爐體保持一定的距離。將石英玻璃與三個視窗筒體在筒體的頂端與視窗筒體中軸線呈垂直狀態密封安裝。這樣，通過三個視窗上的石英玻璃，即通過第一視窗71、第二視窗72和第三視窗73上的石英玻璃就能全角度地觀察單晶爐爐體內的單晶生長區域。·[0027]為保證石英玻璃在高溫下的正常工作，本實用新型在所述的三個視窗筒體下端連接爐蓋3的下表面上設置了三塊擋板(圖中未示)。所述三塊擋板的設置位置對應所述的三個視窗筒體的位置並與所述的三個擋板控制按鈕9連接。所述擋板應採取用金屬鑰材料製作的擋板，它們能有效地抵禦高溫。所述擋板可設計成長橢圓型結構，其凸起的一端為連軸端，與擋板控制按鈕9連接；其另一端為開放活動端，應將所述開放活動端的旋轉角度設置成固定的，以防止擋板的過度旋轉而影響視窗下端的密封效果。所述的三塊擋板受三個擋板控制按鈕9的控制需要觀察時，通過擋板控制按鈕9轉開擋板即可通過視窗進行觀察所述的三塊擋板能一個一個分開打開，這樣，能更好地對未進行觀察的視窗上的石英玻璃進行保護。不需要觀察時，將擋板遮住視窗的下端起隔熱保護的作用，保護石英玻璃在2100°C高溫下的正常工作狀態，也可延長石英玻璃的使用效果和使用壽命。在本實施例中，雖然擋板與視窗之間沒有密封結構，但是，由於爐體內部已經是真空狀況，所以擋板的打開和關閉不會影響爐內氣壓的變化。注意擋板在不觀察時必須關閉！因為2100°C的高溫肯定會影響全角度視窗上石英玻璃的壽命和密封效果。參見附圖2。附圖2為本實用新型一種泡生法單晶爐的全角度視窗的設計圖，圖中的標號分別為D為所要觀察的坩堝I的直徑；d為視窗通道的內直徑；H為所要觀察的坩堝I的高度；hl為視窗距離爐蓋3表面的高度；h2為爐蓋3距離坩堝口的距離；Θ為視窗的傾斜角度山為視窗通道中心與爐蓋3上表面的交點到爐蓋中心的距離(確定視窗的位置)。所述的三個視窗筒體，即第一視窗筒體81、第二視窗筒體82和第三視窗筒體83採用夾角精確設計，可在爐蓋3上方通過視窗全角度對泡生法單晶爐內進行觀察，有利於全面、大範圍觀察藍寶石單晶的生長情況，有利於對單晶爐內的運行狀況和晶體的生長參數做出準確的判定，對藍寶石單晶生長的操作更為有利。所述視窗通道直徑的臨界值可由公式(I)計算得到，Γ . Μ·￡)χ、d = —~—(I)；
hl + hd所述視窗通道位置的臨界距離可由公式(2)計算得到，
r T D(H+k2),、L= ' ~-(2)；
δΗ所述視窗通道傾斜的臨界角度可由公式(3)計算得到， H
「 n =----— ,、,.DD(3)。
Al---1--
H 2在本實用新型的具體實施中可以設定d彡視窗通道直徑臨界值，L彡視窗通道位置的臨界距離，Θ彡視窗通道傾斜的臨界角度，設H= 500mm ; D = 250mm ; hi = 80mm ; h2 = 600mm ;則可以計算出d= 29.413mm; L = 275mm; Θ= 55.6。。當然，在具體的泡生法單晶爐全角度視窗的設計中，可根據單晶爐的直徑、高度等具體情況在合理的範圍內對視窗的角度和位置進行具體的設計與調整，按實際使用的坩堝I的尺寸及坩堝I的位置進行具體的計算和設計。以上所述僅為本實用新型的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員而言，在不脫離本實用新型結構的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應該視為本實用新型的保護範圍內。
權利要求1.一種泡生法單晶爐的全角度視窗，含有爐體、坩堝(I)、爐蓋(3)，在爐體內設置坩堝(1)，在坩堝(I)的中間設置籽晶杆(3)，其特徵在於，水冷籽晶杆(3)頂端的密封通道包括設置在爐蓋(3)中央的爐蓋上凸口(4)、密封連接體(5)和波紋管(6)，所述爐蓋上凸口(4)通過密封連接體(5 )連接著波紋管(6 )，實現了真空狀態下通過波紋管(6 )對籽晶杆(2 )的真空密封連接；所述爐蓋(3)的上下表面都為平面結構，在爐蓋(3)上設置三個視窗，即第一視窗(71)、第二視窗(72)、第三視窗(73)和三個擋板控制按鈕(9);所述的三個視窗通過三個視窗筒體，即第一視窗筒體(81)、第二視窗筒體(82)、第三視窗筒體(83)密封連接在爐蓋(3)上並高於爐蓋(3)的平面定義一垂面，所述垂面垂直於爐蓋(3)表面並通過爐蓋(3)的直徑，所述視窗筒體的中心線位於所述垂面上並傾斜於爐蓋(3)表面，所述視窗筒體在其中心線與所述爐蓋(3)直徑近圓心端形成一個120° 125°度的鈍角，所述視窗筒體在其中心線與所述爐蓋直徑遠圓心端形成一個55° 60°度的銳角，所述視窗筒體的中心線與爐蓋(3)上表面的交點到爐蓋(3)中心保持一定的距離，所述的三個視窗筒體成陣列設置在爐蓋上；在所述的三個視窗筒體的頂端通過密封圈安裝石英玻璃，使石英玻璃與爐體保持有一定的距離；通過所述的三個視窗能全角度地觀察單晶爐爐體內的單晶生長區域；在所述三個視窗筒體下端連接的爐蓋(3)的下表面設有三快擋板，所述三快擋板對應所述的三個視窗筒體的位置並與所述的三個擋板控制按鈕(9)連接；所述的三快擋板受三個擋板控制按鈕(9)的控制需要觀察時，通過擋板控制按鈕(9)轉開擋板即可通過視窗進行觀察，不需要觀察時，將擋板遮住視窗的下端起到隔熱的效果，保護石英玻璃在高溫下的工作狀態。
2.根據權利要求I所述的一種泡生法單晶爐的全角度視窗，其特徵在於，所述視窗筒體的中心線與爐蓋(3)上表面的交點到爐蓋(3)中心保持的距離是由以下公式計算得到的 所述視窗通道直徑的計算公式為
3.根據權利要求I所述的一種泡生法單晶爐的全角度視窗，其特徵在於，所述的三個視窗，即第一視窗(71)、第二視窗(72)、第三視窗(73)和所述三個視窗筒體，即第一視窗筒體(81)、第二視窗筒體(82)、第三視窗筒體(83)採用圓形結構。
4.根據權利要求I或3所述的一種泡生法單晶爐的全角度視窗，其特徵在於，所述的石英玻璃與所述的三個視窗筒體，即第一視窗筒體(81)、第二視窗筒體(82)、第三視窗筒體(83)在筒體的頂端與視窗筒體中軸線呈垂直狀態密封安裝。
5.根據權利要求I所述的一種泡生法單晶爐的全角度視窗，其特徵在於，所述的擋板為長橢圓型結構，一端為連軸端，另一端為開放活動端；所述開放活動端的旋轉角度是固定的，可防止擋板過度旋轉，影響視窗下端的密封效果。
6.根據權利要求5所述的一種泡生法單晶爐的全角度視窗，其特徵在於，所述的擋板為用金屬鑰材料製作的擋板。
專利摘要本實用新型一種泡生法單晶爐的全角度視窗，其特徵結構是籽晶杆頂端通過爐蓋中央的爐蓋上凸口，再通過密封連接體與波紋管連接，實現了真空狀態下通過波紋管對籽晶杆的控制；爐蓋為上下平面的結構，在爐蓋上設置三個視窗；三個視窗通過三個視窗筒體成陣列傾斜設置在爐蓋上並高於爐蓋的高度；視窗筒體的頂端通過密封圈安裝石英玻璃；在三個視窗筒體下端的爐蓋上設有三快受控制按鈕控制的擋板需要觀察時，轉開擋板通過視窗觀察爐內情況，不需觀察時，用擋板遮住視窗下端，其隔熱作用能保護石英玻璃在高溫下正常工作。本實用新型有利於清晰觀察泡生法單晶爐內晶體的生長情況，有利於技術人員控制和及時調整，有利於長出優質的藍寶石單晶體。
文檔編號C30B15/00GK202595329SQ20122010224
公開日2012年12月12日 申請日期2012年3月19日 優先權日2012年3月19日
發明者王元斌, 鄒宇琦, 曹鳳凱, 劉獻偉 申請人:上海施科特光電材料有限公司