一種用于定向生長(zhǎng)藍(lán)寶石單晶的石墨加熱器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種用于定向生長(zhǎng)藍(lán)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(shí)用新型用于定向生長(zhǎng)藍(lán)寶石單晶的石墨加熱器，制造成本低，性能穩(wěn)定，使用時(shí)間長(zhǎng)，重復(fù)性好，適合于低成本、規(guī)?；a(chǎn)大尺寸、高品質(zhì)的藍(lán)寶石單晶。
【專利說(shuō)明】—種用于定向生長(zhǎng)藍(lán)寶石單晶的石墨加熱器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及晶體制造【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種用于定向生長(zhǎng)藍(lán)寶石單晶的石墨加熱器。

【背景技術(shù)】
[0002]定向生長(zhǎng)藍(lán)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(zhǎng)方法中，熱交換法是最具代表性也是運(yùn)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(qū)動(dòng)的晶體生長(zhǎng)方法，其熱場(chǎng)，坩堝和晶體均無(wú)需任何物理移動(dòng)，晶體的生長(zhǎng)完全依靠熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)所形成的溫度梯度并通過(guò)底部導(dǎo)熱而完成。
[0004]HEM(熱交換)法的籽晶置于坩堝底部，其籽晶保護(hù)由坩堝底部的氦氣冷卻實(shí)現(xiàn)。通過(guò)控制坩堝底部的氦氣流量保證籽晶處于半熔狀態(tài)，即當(dāng)坩堝中的原料全部熔化后，籽晶只是部分熔化從而與熔液形成固液界面并作為晶種啟動(dòng)生長(zhǎng)。晶體生長(zhǎng)由坩堝底部氦氣流量控制。通過(guò)加大氦氣的流量，使低溫區(qū)逐漸向上擴(kuò)大，從而使固液界面向上移動(dòng)。熱交換法除了通過(guò)控制氦氣流量來(lái)控制晶體的冷卻速率外，還可以通過(guò)控制加熱器的加熱功率來(lái)調(diào)節(jié)熱場(chǎng)溫度。
[0005]HEM法具有較強(qiáng)的自動(dòng)化控制性能，能減少對(duì)操作人員的依賴，實(shí)現(xiàn)精確的自動(dòng)化工藝控制，同時(shí)在生長(zhǎng)過(guò)程中，溫度梯度較小，能通過(guò)原位退火去除應(yīng)力，是規(guī)?；a(chǎn)大尺寸、高品質(zhì)藍(lán)寶石晶體的較佳方法。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)中，熱交換法(HEM)采用的是均勻壁厚的直筒石墨加熱器，將裝有晶體生長(zhǎng)原料的一次性鑰坩堝置于石墨加熱器的中心位置進(jìn)行熔化、生長(zhǎng)和退火。晶體生長(zhǎng)由置于坩堝底部中心位置的氦氣冷卻驅(qū)動(dòng)，退火時(shí)關(guān)閉氦氣冷卻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)原位退火，均勻壁厚的加熱器的能夠提供實(shí)現(xiàn)一個(gè)內(nèi)部非常均勻的熱場(chǎng)，有利于原位退火，但是其不足處是必須有一套昂貴的氦氣冷卻系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)晶體生長(zhǎng)。
[0007]通過(guò)氦氣冷卻驅(qū)動(dòng)生長(zhǎng)，不但其流量很難精確控制，影響晶體生長(zhǎng)的穩(wěn)定性，而且生長(zhǎng)及保護(hù)氣體都需要消耗大量的氦氣，成本較高，同時(shí)氦氣局部冷卻坩堝底部的方法，產(chǎn)生了一個(gè)非常凸出的固/液凝固界面，增加了晶體生長(zhǎng)過(guò)程中位錯(cuò)等缺陷的產(chǎn)生，因此，需要提供一種能夠取代氦氣冷卻系統(tǒng)且能驅(qū)動(dòng)晶體生長(zhǎng)的溫控裝置，以提高晶體品質(zhì)，降低制造成本。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0008]本實(shí)用新型提供了一種用于定向生長(zhǎng)藍(lán)寶石單晶的石墨加熱器，通過(guò)對(duì)石墨加熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為晶體生長(zhǎng)提供了穩(wěn)定均勻的軸向溫度梯度，不需要氦氣冷卻系統(tǒng)，也能實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石單晶的生長(zhǎng)。
[0009]一種用于定向生長(zhǎng)藍(lán)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(shí)用新型適合于沒(méi)有氦氣冷卻系統(tǒng)的定向生長(zhǎng)藍(lán)寶石晶體的熱場(chǎng)系統(tǒng)，由于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(nèi)部提供一個(gè)穩(wěn)定均勻的軸向溫度梯度。
[0011]穩(wěn)定均勻的軸向溫度梯度為藍(lán)寶石單晶的生長(zhǎng)提供了驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)也改善了藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)固/液界面的形狀，使固/液界面趨于平整，從而減少了藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)的熱應(yīng)力以及缺陷，提高藍(lán)寶石單晶的品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)無(wú)氦氣冷卻的熱場(chǎng)系統(tǒng)中的藍(lán)寶石定向生長(zhǎng)。
[0012]使用時(shí)，將坩堝置于加熱器本體的內(nèi)腔中，為了配合藍(lán)寶石單晶的生長(zhǎng)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(yōu)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(xiàn)由低到高的線性分布，從而形成穩(wěn)定的軸向溫度梯度。加熱器本體的壁厚變化決定了藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)的速度以及品質(zhì)，進(jìn)一步優(yōu)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(yōu)選地，所述加熱器本體的平均壁厚為5?30mm。
[0015]進(jìn)一步優(yōu)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(shí)現(xiàn)方式，例如，所述加熱器本體的內(nèi)徑沿軸向不變，外徑沿軸向線性變化。加熱器本體的內(nèi)徑沿軸向不變，使加熱器易于直接與現(xiàn)有技術(shù)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(nèi)徑沿軸向線性變化。所述加熱器本體的外徑沿軸向不變，使加熱器易于直接與現(xiàn)有技術(shù)中的熱場(chǎng)系統(tǒng)相配合。
[0017]作為可選的實(shí)施方式，所述加熱器本體的外徑和內(nèi)徑均沿軸向線性變化。
[0018]所述加熱器本體開(kāi)設(shè)有若干沿軸向布置的通槽，通槽的開(kāi)口交替處在加熱器本體的頂端和底端。通槽的寬度優(yōu)選3?10mm。
[0019]所述加熱器本體還包括用于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(qiáng)度，支撐腳的高度依據(jù)需要進(jìn)行選擇，支撐腳垂直于加熱器本體軸向的厚度優(yōu)選10?50mm。
[0020]本實(shí)用新型提供的石墨加熱器采用等靜壓石墨材質(zhì)，沿石墨加熱器的圓周方向?qū)⑹訜崞髌骄指顬槿舾蓚€(gè)發(fā)熱體(發(fā)熱體的個(gè)數(shù)即為加熱器的瓣數(shù))，根據(jù)加熱器所需的功率，發(fā)熱體的個(gè)數(shù)可以為16、20、24、28、36。
[0021]本實(shí)用新型用于定向生長(zhǎng)藍(lán)寶石單晶的石墨加熱器，制造成本低，性能穩(wěn)定，使用時(shí)間長(zhǎng)，重復(fù)性好，適合于低成本、規(guī)?；a(chǎn)大尺寸、高品質(zhì)的藍(lán)寶石單晶。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為本實(shí)用新型用于定向生長(zhǎng)藍(lán)寶石單晶的石墨加熱器的剖面示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型用于定向生長(zhǎng)藍(lán)寶石單晶的石墨加熱器做詳細(xì)描述。
[0024]如圖1所示，一種用于定向生長(zhǎng)藍(lán)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(nèi)徑沿軸向不變，外徑沿軸向線性變化。作為可選的實(shí)施方式，加熱器本體3也可以設(shè)置為外徑沿軸向不變，內(nèi)徑沿軸向線性變化，或者加熱器本體3的外徑和內(nèi)徑均沿軸向線性變化。
[0026]本實(shí)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(kāi)設(shè)有若干沿軸向布置的通槽1，通槽I的開(kāi)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還包括用于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(qiáng)度，支撐腳2垂直于加熱器本體3軸向的厚度(即圖中的A尺寸)為 30mm。
[0028]本實(shí)用新型提供的石墨加熱器采用等靜壓石墨材質(zhì)，本實(shí)施例沿石墨加熱器的圓周方向?qū)⑹訜崞髌骄指顬?4個(gè)發(fā)熱體。
[0029]本實(shí)用新型用于定向生長(zhǎng)藍(lán)寶石單晶的石墨加熱器使用時(shí)，將坩堝置于加熱器本體3的內(nèi)腔中，由于加熱器本體3的壁厚沿軸向線性變化，在加熱器本體3的內(nèi)部提供一個(gè)穩(wěn)定均勻的軸向溫度梯度，該穩(wěn)定均勻的軸向溫度梯度為藍(lán)寶石單晶的生長(zhǎng)提供驅(qū)動(dòng)力，能夠減少監(jiān)寶石單晶生長(zhǎng)的熱應(yīng)力以及缺陷，提聞監(jiān)寶石單晶的品質(zhì)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于定向生長(zhǎng)藍(lán)寶石單晶的石墨加熱器，包括圓筒狀的加熱器本體，其特征在于，所述加熱器本體的壁厚沿軸向線性變化。
2.如權(quán)利要求1所述的用于定向生長(zhǎng)藍(lán)寶石單晶的石墨加熱器，其特征在于，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(quán)利要求2所述的用于定向生長(zhǎng)藍(lán)寶石單晶的石墨加熱器，其特征在于，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(quán)利要求2或3所述的用于定向生長(zhǎng)藍(lán)寶石單晶的石墨加熱器，其特征在于，所述加熱器本體的平均壁厚為5?30mm。
5.如權(quán)利要求4所述的用于定向生長(zhǎng)藍(lán)寶石單晶的石墨加熱器，其特征在于，所述加熱器本體的平均壁厚為10?25mm。
6.如權(quán)利要求5所述的用于定向生長(zhǎng)藍(lán)寶石單晶的石墨加熱器，其特征在于，所述加熱器本體的內(nèi)徑沿軸向不變，外徑沿軸向線性變化。
7.如權(quán)利要求5所述的用于定向生長(zhǎng)藍(lán)寶石單晶的石墨加熱器，其特征在于，所述加熱器本體的外徑沿軸向不變，內(nèi)徑沿軸向線性變化。
8.如權(quán)利要求5所述的用于定向生長(zhǎng)藍(lán)寶石單晶的石墨加熱器，其特征在于，所述加熱器本體的外徑和內(nèi)徑均沿軸向線性變化。
9.如權(quán)利要求1所述的用于定向生長(zhǎng)藍(lán)寶石單晶的石墨加熱器，其特征在于，所述加熱器本體開(kāi)設(shè)有若干沿軸向布置的通槽，通槽的開(kāi)口交替處在加熱器本體的頂端和底端。
【文檔編號(hào)】C30B29/20GK204151460SQ201420528366
【公開(kāi)日】2015年2月11日 申請(qǐng)日期:2014年9月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月15日
【發(fā)明者】李喬, 沈葉江, 周曉峰 申請(qǐng)人:杭州鑄泰科技有限公司