一種用於定向生長藍寶石單晶的石墨加熱器的製造方法
2023-10-17 15:56:19 1
一種用於定向生長藍寶石單晶的石墨加熱器的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用於定向生長藍寶石單晶的石墨加熱器，包括圓筒狀的加熱器本體，所述加熱器本體的壁厚沿軸向線性變化。所述加熱器本體的頂端和底端的壁厚比為0.5～0.9。所述加熱器本體的平均壁厚為5～30mm。本實用新型用於定向生長藍寶石單晶的石墨加熱器，製造成本低，性能穩定，使用時間長，重複性好，適合於低成本、規模化生產大尺寸、高品質的藍寶石單晶。
【專利說明】—種用於定向生長藍寶石單晶的石墨加熱器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及晶體製造【技術領域】，具體涉及一種用於定向生長藍寶石單晶的石墨加熱器。
【背景技術】
[0002]定向生長藍寶石單晶的方法主要有:熱交換法(HEM，GT)、溫度梯度法(TGT)、坩堝下降法(VGF)等，在這些生長方法中，熱交換法是最具代表性也是運用最為廣泛的一種。
[0003]HEM(熱交換)法是一種底部冷卻熱交換驅動的晶體生長方法，其熱場，坩堝和晶體均無需任何物理移動，晶體的生長完全依靠熱場結構所形成的溫度梯度並通過底部導熱而完成。
[0004]HEM(熱交換)法的籽晶置於坩堝底部，其籽晶保護由坩堝底部的氦氣冷卻實現。通過控制坩堝底部的氦氣流量保證籽晶處於半熔狀態，即當坩堝中的原料全部熔化後，籽晶只是部分熔化從而與熔液形成固液界面並作為晶種啟動生長。晶體生長由坩堝底部氦氣流量控制。通過加大氦氣的流量，使低溫區逐漸向上擴大，從而使固液界面向上移動。熱交換法除了通過控制氦氣流量來控制晶體的冷卻速率外，還可以通過控制加熱器的加熱功率來調節熱場溫度。
[0005]HEM法具有較強的自動化控制性能，能減少對操作人員的依賴，實現精確的自動化工藝控制，同時在生長過程中，溫度梯度較小，能通過原位退火去除應力，是規模化生產大尺寸、高品質藍寶石晶體的較佳方法。
[0006]現有技術中，熱交換法(HEM)採用的是均勻壁厚的直筒石墨加熱器，將裝有晶體生長原料的一次性鑰坩堝置於石墨加熱器的中心位置進行熔化、生長和退火。晶體生長由置於坩堝底部中心位置的氦氣冷卻驅動，退火時關閉氦氣冷卻系統，實現原位退火，均勻壁厚的加熱器的能夠提供實現一個內部非常均勻的熱場，有利於原位退火，但是其不足處是必須有一套昂貴的氦氣冷卻系統驅動晶體生長。
[0007]通過氦氣冷卻驅動生長，不但其流量很難精確控制，影響晶體生長的穩定性，而且生長及保護氣體都需要消耗大量的氦氣，成本較高，同時氦氣局部冷卻坩堝底部的方法，產生了一個非常凸出的固/液凝固界面，增加了晶體生長過程中位錯等缺陷的產生，因此，需要提供一種能夠取代氦氣冷卻系統且能驅動晶體生長的溫控裝置，以提高晶體品質，降低製造成本。
實用新型內容
[0008]本實用新型提供了一種用於定向生長藍寶石單晶的石墨加熱器，通過對石墨加熱器的結構優化，為晶體生長提供了穩定均勻的軸向溫度梯度，不需要氦氣冷卻系統，也能實現藍寶石單晶的生長。
[0009]一種用於定向生長藍寶石單晶的石墨加熱器，包括圓筒狀的加熱器本體，所述加熱器本體的壁厚沿軸向線性變化。
[0010]本實用新型適合於沒有氦氣冷卻系統的定向生長藍寶石晶體的熱場系統，由於加熱器本體的壁厚沿軸向線性變化，因此，可以在加熱器本體的內部提供一個穩定均勻的軸向溫度梯度。
[0011]穩定均勻的軸向溫度梯度為藍寶石單晶的生長提供了驅動力，同時也改善了藍寶石單晶生長固/液界面的形狀，使固/液界面趨於平整，從而減少了藍寶石單晶生長的熱應力以及缺陷，提高藍寶石單晶的品質，實現無氦氣冷卻的熱場系統中的藍寶石定向生長。
[0012]使用時，將坩堝置於加熱器本體的內腔中，為了配合藍寶石單晶的生長需要，加熱器本體的壁厚頂端最薄，底端最厚，加熱器本體壁厚的線性變化率決定了軸向溫度梯度的大小，優選地，所述加熱器本體的頂端和底端的壁厚比為0.5?0.9。
[0013]加熱器本體的壁厚變化改變了加熱器沿軸向的電阻變化，使加熱器的加熱功率密度沿軸向呈現由低到高的線性分布，從而形成穩定的軸向溫度梯度。加熱器本體的壁厚變化決定了藍寶石單晶生長的速度以及品質，進一步優選，所述加熱器本體的頂端和底端的壁厚比為0.7?0.8。
[0014]為了使加熱器本體具有合適的電阻，也即具有合適的加熱功率密度，優選地，所述加熱器本體的平均壁厚為5?30mm。
[0015]進一步優選，所述加熱器本體的平均壁厚為10?25mm。
[0016]加熱器本體的壁厚線性變化有多種實現方式，例如，所述加熱器本體的內徑沿軸向不變，外徑沿軸向線性變化。加熱器本體的內徑沿軸向不變，使加熱器易於直接與現有技術中的坩堝相配合，又如，所述加熱器本體的外徑沿軸向不變，內徑沿軸向線性變化。所述加熱器本體的外徑沿軸向不變，使加熱器易於直接與現有技術中的熱場系統相配合。
[0017]作為可選的實施方式，所述加熱器本體的外徑和內徑均沿軸向線性變化。
[0018]所述加熱器本體開設有若干沿軸向布置的通槽，通槽的開口交替處在加熱器本體的頂端和底端。通槽的寬度優選3?10mm。
[0019]所述加熱器本體還包括用於與外部加熱電源相連接的支撐腳，該支撐腳需要滿足承受加熱器主體重量的強度，支撐腳的高度依據需要進行選擇，支撐腳垂直於加熱器本體軸向的厚度優選10?50mm。
[0020]本實用新型提供的石墨加熱器採用等靜壓石墨材質，沿石墨加熱器的圓周方向將石墨加熱器平均分割為若干個發熱體(發熱體的個數即為加熱器的瓣數)，根據加熱器所需的功率，發熱體的個數可以為16、20、24、28、36。
[0021]本實用新型用於定向生長藍寶石單晶的石墨加熱器，製造成本低，性能穩定，使用時間長，重複性好，適合於低成本、規模化生產大尺寸、高品質的藍寶石單晶。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為本實用新型用於定向生長藍寶石單晶的石墨加熱器的剖面示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖，對本實用新型用於定向生長藍寶石單晶的石墨加熱器做詳細描述。
[0024]如圖1所示，一種用於定向生長藍寶石單晶的石墨加熱器，包括圓筒狀的加熱器本體3，加熱器本體3的壁厚沿軸向線性變化。
[0025]圖1中所示，加熱器本體3的內徑沿軸向不變，外徑沿軸向線性變化。作為可選的實施方式，加熱器本體3也可以設置為外徑沿軸向不變，內徑沿軸向線性變化，或者加熱器本體3的外徑和內徑均沿軸向線性變化。
[0026]本實施例中，加熱器本體3的頂端和底端的壁厚比為0.9 (即圖1中B處尺寸與C處尺寸之比為0.9)，加熱器本體3的平均壁厚為20mm，加熱器本體3開設有若干沿軸向布置的通槽1，通槽I的開口交替處在加熱器本體3的頂端和底端,通槽I的寬度為5mm(圖1中D尺寸)。
[0027]加熱器本體3還包括用於與外部加熱電源相連接的支撐腳2，支撐腳2需要滿足承受加熱器主體重量的強度，支撐腳2垂直於加熱器本體3軸向的厚度(即圖中的A尺寸)為 30mm。
[0028]本實用新型提供的石墨加熱器採用等靜壓石墨材質，本實施例沿石墨加熱器的圓周方向將石墨加熱器平均分割為24個發熱體。
[0029]本實用新型用於定向生長藍寶石單晶的石墨加熱器使用時，將坩堝置於加熱器本體3的內腔中，由於加熱器本體3的壁厚沿軸向線性變化，在加熱器本體3的內部提供一個穩定均勻的軸向溫度梯度，該穩定均勻的軸向溫度梯度為藍寶石單晶的生長提供驅動力，能夠減少監寶石單晶生長的熱應力以及缺陷，提聞監寶石單晶的品質。
【權利要求】
1.一種用於定向生長藍寶石單晶的石墨加熱器，包括圓筒狀的加熱器本體，其特徵在於，所述加熱器本體的壁厚沿軸向線性變化。
2.如權利要求1所述的用於定向生長藍寶石單晶的石墨加熱器，其特徵在於，所述加熱器本體的頂端和底端的壁厚比為0.5?0.9。
3.如權利要求2所述的用於定向生長藍寶石單晶的石墨加熱器，其特徵在於，所述加熱器本體的頂端和底端的壁厚比為0.7?0.8。
4.如權利要求2或3所述的用於定向生長藍寶石單晶的石墨加熱器，其特徵在於，所述加熱器本體的平均壁厚為5?30mm。
5.如權利要求4所述的用於定向生長藍寶石單晶的石墨加熱器，其特徵在於，所述加熱器本體的平均壁厚為10?25mm。
6.如權利要求5所述的用於定向生長藍寶石單晶的石墨加熱器，其特徵在於，所述加熱器本體的內徑沿軸向不變，外徑沿軸向線性變化。
7.如權利要求5所述的用於定向生長藍寶石單晶的石墨加熱器，其特徵在於，所述加熱器本體的外徑沿軸向不變，內徑沿軸向線性變化。
8.如權利要求5所述的用於定向生長藍寶石單晶的石墨加熱器，其特徵在於，所述加熱器本體的外徑和內徑均沿軸向線性變化。
9.如權利要求1所述的用於定向生長藍寶石單晶的石墨加熱器，其特徵在於，所述加熱器本體開設有若干沿軸向布置的通槽，通槽的開口交替處在加熱器本體的頂端和底端。
【文檔編號】C30B29/20GK204151460SQ201420528366
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年9月15日 優先權日:2014年9月15日
【發明者】李喬, 沈葉江, 周曉峰 申請人:杭州鑄泰科技有限公司