一種新型節能藍寶石長晶熱場的設計及應用的製作方法

2023-05-08 18:01:46 1

本實用新型涉及一種全新的藍寶石晶體生長熱場的設計及應用，屬於LED晶體生長領域。

背景技術：

藍寶石晶體生長方法有熔焰法、區熔法、坩堝移動法、提拉法、導模法、溫度梯度法、熱交換法和泡生法等，其中，泡生法市場佔有率達80％以上。但是，上述方法都存在各自的缺點和局限性，較難滿足未來藍寶石晶體的大尺寸、高質量、低成本發展需求。熔焰法和區熔法生長的晶體質量和尺寸都受到限制，難以滿足光學器件的高性能要求；熱交換法、溫度梯度法和泡生法等方法生長的藍寶石晶體尺寸大，可以生長質量較高的單晶。但熱交換法需要氦氣作冷卻劑，且籽晶發育過程及生長初期無法控制缺陷，晶體生長過程容易發生滑移，產生小角度晶界等缺陷，良品率較低；溫度梯度法生長的優點是設備簡單，操作方便，無機械擾動，界面穩定，成品率高，可生長C軸晶體缺點是尺寸小，溫場不易均勻，晶體需後續退火處理，周期長，坩堝強制作用顯著，坯料的後續處理工藝比較複雜、成本高，晶體存在較為嚴重的晶界等缺陷，良率低，成本高，不利於規模化生產。提拉法的優點是晶體生長情況方便觀察，縮頸工藝晶體完整性比較好，不受坩堝的強制作用，而缺點是晶體尺寸小，缺陷較多，易受到機械振動的影響，熔體不規則對流，晶體需後續退火處理，周期長，成本高；

泡生法的優點是熔體無強制對流影響，晶體處於熔體中自發生長，可以精確控制生長速率和冷卻速度，晶體質量高，晶體完整性較好，可實現原位退火。而目前泡生法普遍缺點是擴肩及生長過程不可目視，易受到溫度波動的影響，晶體質量受熱場結構設計影響較大，容易發生粘鍋、開裂、起泡等問題。全金屬熱場使用壽命短，且金屬易發生變形，穩定性和重複性較差，導致熱場溫度梯度變化，成晶率較低。

技術實現要素：

本實用新型所要解決的技術問題是：為了克服現有技術中熱場溫度梯度變化，成晶率較低的不足，本實用新型提供一種新型節能藍寶石長晶熱場的設計及應用，提供了一種全新的藍寶石長晶熱場結構設計和工藝技術，通過熱場結構設計、保溫材料更換，使得熱場穩定性和重複性大幅度提升，提高晶體質量和良率，將能耗和生產成本降至最低，並增加了超高溫晶體生長爐的安全性。

本實用新型解決其技術問題所要採用的技術方案是：一種新型節能藍寶石長晶熱場的設計及應用，包括從內到外依次設置的鎢坩堝、鳥籠式加熱器和保溫結構，所述保溫結構包括設置在加熱器開口上的上保溫、設置在加熱器側壁外側的側保溫以及從上到下設置在加熱器下方的下保溫和底保溫。

本實用新型採用的加熱器設計是鳥籠式加熱器，加熱器鎢杆分為縱向鎢杆和軸向鎢杆。其中，縱向鎢杆又分為高溫區鎢杆和低溫區鎢杆。設計高溫區鎢杆直徑，其範圍為5mm-8mm，低溫區鎢杆直徑為6mm-8mm，軸向鎢杆直徑為5mm-10mm。根據熱場實際情況，可分別調整各區域鎢杆直徑，以達到調整熱場縱/徑向溫度梯度的目的。

本實用新型中涉及的保溫材料包括氧化鋯纖維製品、氧化鋯陶瓷製品、氧化鋯空心球製品、鎢/鉬金屬製品。根據各種材料的使用溫度、荷軟溫度、導熱率、反射率、熱容量、高溫揮發、熱承壓性能等參數，綜合設計熱場保溫結構。其中，本實用新型首次採用三種物理形態的氧化鋯材料，並將三種材料進行獨特結構設計成為一個整體，製備成熱場保溫材料。

本實用新型中採用的鎢坩堝外形設計為圓柱狀，內壁形狀設計為圓臺形，內壁與外壁之間的夾角α控制在1.1°-1.8°之間。坩堝底部與內壁以圓弧連結，圓弧直徑控制30mm-80mm之間。坩堝徑高比控制在0.6-1之間。坩堝內外壁夾角設計可調整晶體生長的外形；坩堝圓弧角度設計可調整熔體對流分布；坩堝徑高比設計可改善晶體生長外形及熔體對流分布。

本實用新型中採用的熱場底層材料為特別選材，其目的是在超高溫條件下的氧化鋁溶液發生溢流時，能夠及時保護爐體受損和預防安全事故。其原理是利用高溫氧化鋁熔體與本實用新型中選材發生快速吸熱反應，並迅速固化降溫。

本實用新型中增加熱場局部保溫設計，改善熱場的縱/徑向溫度梯度，使得晶體轉肩和生長過程能夠得到有序控制，且防止粘鍋、晶界、開裂等長晶缺陷。

與現有技術相比，本實用新型的優勢在於：

(1)採用新型設計的氧化鋯組合保溫材料，設計更為合理的長晶溫度梯度，引晶功率降低至0.5-0.55KW/KG，能耗降低至180KW/KG以下，較之前均下降20％以上。熱場使用壽命提升20％，生長100KG藍寶石的生產周期縮短至16天；

(2)傳統單一加熱器無法改變溫區梯度，且隨著使用爐次增加，高溫下鎢杆直徑再結晶異常粗大，電阻下降明顯，加熱器發熱量不均勻，導致熱場不穩定。本設計中加熱器可根據使用情況調整加熱器直徑，從而改變發熱量，穩定長晶溫度梯度，同時，增加局部保溫設計，晶體生長過程中粘鍋、晶界、開裂等缺陷率大幅降低；

(3)本設計在爐底上增加了特殊保溫材料，提高了單晶爐的安全性；

(4)本設計採用的鎢坩堝設計，使得晶體外形生長近似圓柱形，增加了晶體的有效利用率。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。

圖1是本實用新型最佳實施例的結構示意圖；

圖2是鎢坩堝的結構示意圖。

圖中：1、鎢坩堝，2、加熱器，3、上保溫，4、側保溫，5、下保溫，6、底保溫。

具體實施方式

現在結合附圖對本實用新型作詳細的說明。此圖為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本實用新型的基本結構，因此其僅顯示與本實用新型有關的構成。

如圖1所示，本實用新型的一種新型節能藍寶石長晶熱場的設計及應用，包括從內到外依次設置的鎢坩堝1、鳥籠式加熱器2和保溫結構，所述保溫結構包括設置在加熱器2開口上的上保溫3、設置在加熱器2側壁外側的側保溫4以及從上到下設置在加熱器2下方的下保溫5和底保溫6。上保溫3位於坩堝液面上部，熔體液面以上增加局部保溫措施，使得生長的藍寶石晶體外形近似等柱狀。

加熱器2設計是鳥籠式加熱器2，加熱器2鎢杆分為縱向鎢杆和軸向鎢杆。其中，縱向鎢杆又分為高溫區鎢杆和低溫區鎢杆。設計高溫區鎢杆直徑，其範圍為5mm-8mm，低溫區鎢杆直徑為6mm-8mm，軸向鎢杆直徑為5mm-10mm。變徑式鎢加熱器2設計，使得加熱器2的熱量分布合理，防止局部發熱過大導致鎢杆異常變粗，從而提高加熱器2使用壽命。根據熱場實際情況，可分別調整各區域鎢杆直徑，以達到調整熱場縱/徑向溫度梯度的目的。

本實用新型中涉及的保溫機構採用的保溫材料包括氧化鋯纖維製品、氧化鋯陶瓷製品、氧化鋯空心球製品、鎢/鉬金屬製品。根據各種材料的使用溫度、荷軟溫度、導熱率、反射率、熱容量、高溫揮發、熱承壓性能等參數，綜合設計熱場保溫結構。其中，首次採用三種物理形態的氧化鋯材料，並將三種材料進行獨特結構設計成為一個整體，製備成熱場保溫材料。設計和利用氧化鋯材料的低導熱率、高熱容量的特點，結合鎢鉬材料反射保溫的原理，製備出複合保溫材料熱場，構建縱/徑向溫度梯度，使之能夠生長A/C/R向藍寶石晶體。

如圖2所示，鎢坩堝1外形設計為圓柱狀，內壁採用變徑式設計，內壁形狀設計為圓臺形，鎢坩堝1的內徑由底部向上逐漸增大，內壁與外壁之間的夾角α控制在1.1°-1.8°之間。坩堝底部與內壁以圓弧連結，圓弧直徑控制30mm-80mm之間。坩堝徑高比控制在0.6-1之間。坩堝內外壁夾角設計可調整晶體生長的外形；坩堝圓弧角度設計可調整熔體對流分布；坩堝徑高比設計可改善晶體生長外形及熔體對流分布。加熱器2根據時間保溫效果和熱場縱/徑向溫度梯度情況，進行高低溫區變徑設計。

圖2中：r—坩堝半徑；h—坩堝高度；a—坩堝內外壁夾角；R—坩堝圓弧半徑。

設計要求：a＝1.1°-1.8°；r/h＝0.6-1；R＝15mm-40mm。

根據反應吸熱原理，在下保溫5下方設置底保溫6，底保溫6是在熱場底部鋪設一層特製高溫保護材料，其目的是在超高溫條件下的氧化鋁溶液發生溢流時，可與氧化鋁液體反應並迅速固化，能夠及時保護爐體受損和預防安全事故，達到保護爐體的目的，提高了超高溫長晶熱場的安全性。其原理是利用高溫氧化鋁熔體與本實用新型中選材發生快速吸熱反應，並迅速固化降溫。

本實用新型中增加熱場局部保溫設計，改善熱場的縱/徑向溫度梯度，使得晶體轉肩和生長過程能夠得到有序控制，且防止粘鍋、晶界、開裂等長晶缺陷。本實用新型的設計思路如下：

1)加熱器2設計思路，根據公式：R＝ρ*l/s

其中ρ為電阻率，l為長度，s為面積。

鎢杆電阻與鎢杆直徑成反比平方關係，與加熱效果成反比關係。即恆大電流I條件下，直徑改變使電阻和壓降發生改變，從而使得產生的熱量Q也隨之變化。

Q＝I2*R

2)熱場設計思路

超高溫熱場使用存在的主要難題有：超高溫調下的保溫材料容易受損嚴重，如發生變形、收縮、開裂、晶粒再結晶粗大、揮發等一系列材料物理屬性問題；其次，熱場設計要實現合理的溫度梯度，以利於晶體生長，同時兼顧節能環保降能耗。

本實用新型主要解決上述問題。集合不同類型材料的優點屬性：氧化鋯陶瓷材料高溫熱承壓性強，收縮性低；氧化鋯纖維導熱率低，保溫隔熱性能佳；氧化鋯空心球磚兼顧耐高溫、熱承重和保溫隔熱性能；鎢材料反射能力強、耐高溫且揮發小；鉬材料反射能力強、成本低。通過設計特殊的材料結構方式，製備複合保溫材料熱場。通過增加特殊局部保溫裝置和調整加熱器2直徑，可調節熱場梯度。

以上述依據本實用新型的理想實施例為啟示，通過上述的說明內容，相關的工作人員完全可以在不偏離本實用新型的範圍內，進行多樣的變更以及修改。本項實用新型的技術範圍並不局限於說明書上的內容，必須要根據權利要求範圍來確定其技術性範圍。