一种泡生法蓝宝石晶体生长炉的制作方法
【技术领域】
[〇〇〇1] 本实用新型属于晶体生长设备领域，更具体地，涉及一种泡生法蓝宝石晶体生长炉。
【背景技术】
[0002]蓝宝石(α -A1203)俗称刚玉，具有优良的机械、光学、化学、电学特性，并且能够耐高温，抗辐射被广泛用于耐磨器件、光学窗口、衬底材料、导弹整流罩等领域。
[0003]泡生法，又称柴氏法，KY法，是目前大尺寸、高质量块状蓝宝石单晶批量生产的主流方法。泡生法蓝宝石晶体生长炉主要由加热系统(加热、控温)、保温系统(隔热屏)、真空控制系统、传动系统(提拉、旋转)、冷却系统等构成；晶体制备过程主要包括化料、长晶、退火及冷却等，该方法的优势在于晶体直径较大，可以长到距离坩埚10?20mm处，不与坩埚接触使得晶体内部热应力显著降低，大大减少了晶体破裂的发生；长晶过程中晶体内部温度梯度较小，能够有效地降低残余应力，获得低位错密度单晶；该方法的缺点在于晶体内部容易出现气泡，破裂等晶体缺陷，生产周期长以及高功耗。
[0004]如图2所示，现有技术中的一种泡生法蓝宝石单晶炉热场结构，包括上部加热器4’、下部加热器5’及底部加热器6’构成的加热系统及设置在加热器内的坩埚3’，坩埚及加热器轴对称置于炉体中心，坩埚3’内部为蓝宝石熔体15’，熔体上方是蓝宝石单晶锭2’，通过籽晶Γ与籽晶杆14’连接，坩埚3’与支架12’及炉体13’底部依次同轴连接；加热系统外部设置有侧部隔热屏9’、顶部隔热屏8’、顶部反射屏7’与底部隔热屏10’构成保温系统。底部隔热屏10’与炉体底部之间设置有底部保温层11’。
[0005]上述设备的泡生法蓝宝石单晶制备过程中，化料及长晶阶段，加热器温度高达2323K以上，靠近加热器的钼隔热屏温度较高，在此高温下钼隔热屏容易挥发出杂质，尤其是顶部隔热屏，一旦杂质被熔体俘获而进入晶体内部，可能引发位错、气泡等晶体缺陷而降低蓝宝石单晶质量；此外在放肩及等径生长阶段，加热器温度控制不当，可能导致晶体靠近凝固界面附近发生回熔现象；冷却过程中，蓝宝石顶部靠近籽晶处，散热过快可能导致局部应力过大而产生破裂，这对生长大尺寸、高质量蓝宝石单晶是很不利的。
【实用新型内容】
[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种泡生法蓝宝石晶体生长炉，不仅能够降低加热器功耗及材料损耗，而且还可以对加热器进行分区灵活调控，有效地改变晶体表面及凝固界面附近热环境，优化熔体流动特性，进而提高蓝宝石单晶锭质量。
[0007]为实现上述目的，按照本实用新型，提供了一种泡生法蓝宝石晶体生长炉，其特征在于:包括炉体、坩埚、炉盖和籽晶杆，其中
[0008]所述炉体为底端封闭的筒体，所述炉体内设有圆筒状的侧隔热屏，炉体内底部设置有底部保温层和支架，所述底部保温层的顶部设置有底部隔热屏，所述支架上放置所述坩埚，所述坩埚位于所述底部隔热屏上方；
[0009]所述炉盖底面设置有第一顶部隔热屏，籽晶杆的下端穿过所述炉盖和所述第一顶部隔热屏后伸入所述坩埚内，并且所述籽晶杆内设置有第一循环水道，以用于通入冷却水对籽晶杆进行冷却；
[0010]围绕所述坩埚安装有侧加热器，所述侧加热器包括上下设置的上部加热器和下部加热器并且二者均为圆筒形，所述上部加热器与所述下部加热器之间存在间距，也即二者独立进行加热；
[0011]所述炉体内还设置有底部加热器；所述底部加热器设置于所述坩埚的下方并与所述坩埚存在间距，其与所述下部加热器之间存在间距，也即二者独立进行加热；
[0012]所述侧隔热屏由多层同轴圆筒嵌套构成，其中，内径最小的圆筒的内壁上套装有由钨制成的、整体呈圆筒状的侧反射屏；
[0013]所述侧反射屏的内壁经过抛光处理成镜面，以用于反射热辐射，其下端抵接在所述底部保温层上。
[0014]所述第一顶部隔热屏和底部隔热屏均整体呈圆环状，二者分别由多层同心圆环堆叠构成。
[0015]优选地，所述底部隔热屏的顶端面上设置有由钨制成的、整体呈圆环状的底部反射屏，所述底部反射屏位于所述坩埚的下方，并且所述底部反射屏的顶端面经过抛光处理成镜面，以用于反射热辐射。
[0016]优选地，所述第一顶部隔热屏位于所述上部加热器的上方，其底端面上安装有第二顶部隔热屏，所述第二顶部隔热屏位于所述上部加热器的内腔，并且所述第二顶部隔热屏的底端面安装有由钨制成的、整体呈圆环状的顶部反射屏，所述顶部反射屏的底端面经过抛光处理成镜面，以用于反射热辐射。
[0017]优选地，所述侧隔热屏和侧反射屏共同支撑有第三顶部隔热屏，所述第三顶部隔热屏整体呈圆环状，其由多层同心圆环堆叠构成并且其内径大于所述第一顶部隔热屏的外径。
[0018]优选地，所述炉体内设置有第二循环水道，以用于通往冷却水对所述炉体进行冷却。
[0019]优选地，所述籽晶杆的中心线与坩埚的中心线重合。
[0020]优选地，所述上部加热器与下部加热器的高度比为0.6:1?0.7:1。
[0021]优选地，所述第一顶部隔热屏外径大于所述上部加热器的外径，以用于削弱上部加热器的热损耗。
[0022]总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果
[0023]1)本实用新型通过对隔热屏结构布置及表面处理不仅能够提高隔热系统保温效果，而且还大大延长隔热屏使用寿命，进而降低了蓝宝石晶锭总的生产成本；
[0024]2)本实用新型通过采用分段式加热系统，在蓝宝石放肩、等径生长阶段通过适当调整加热器不同分段功率比，优化坩埚内部熔体流动，获得微凸凝固界面，不仅可以降低凝固界面附近晶体内部热应力而且使得界面前沿气泡沿凝固界面逸出自由液面，消除晶体内部气泡；此外，适当的调整上部加热器功率比还能够有效的避免凝固界面附近回熔现象。
[0025]3)本实用新型退火及冷却过程中籽晶杆按一定速率旋转，有助于提高蓝宝石晶体表面温度均匀，能够避免因局部受热不均匀导致开裂；此外，适当的调整加热器功率比，能够有效的降低晶体内部最大热应力，并缩短冷却周期；
[0026]4)本实用新型能有效的抑制晶体缺陷，提尚晶体质量，也能显者的提尚晶体成品率，降低生产成本。
【附图说明】
[0027]图1是现有技术中的一种泡生法蓝宝石单晶炉热场结构示意图；
[0028]图2是本实用新型工作时的结构示意图。
【具体实施方式】
[0029]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0030]参照图2,一种泡生法蓝宝石晶体生长炉，包括炉体13、坩埚3、炉盖17和籽晶杆14,其中
[0031]所述炉体13为底端封闭的筒体，所述炉体13内设有圆筒状的侧隔热屏16,炉体13内底部设置有底部保温层11和支架12,底部保温层11能削弱隔热屏向炉体13底部的散热；所述底部保温层11的顶部放置有底部反射屏18,所述支架12上放置所述坩埚3,坩埚3内有蓝宝石熔体15 ;所述坩埚3位于所述底部隔热屏18上方；优选地，所述炉体13内设置有第二循环水道，以用于通往冷却水对所述炉体13进行冷却，以使炉体13保持室温。
[0032]所述炉盖17底面设置有第一顶部隔热屏8,籽晶杆14的下端穿过所述炉盖17和所述第一顶部隔热屏8后伸入所述坩埚3内，并且所述籽晶杆14内设置有第一循环水道，以用于通入冷却水对籽晶杆14进行冷却；
[0033]围绕所述坩埚3安装有侧加热器，所述侧加热器包括上下设置的上部加热器4和下部加热器5并且二者均为圆筒形，所述上部加热器4与所述下部加热器5之间存在间距，也即二者独立进行加热；本实用新型通过采用分段式加热系统，在蓝宝石放肩、等径生长阶段通过适当调整加热器不同分段功率比，优化坩埚3内部熔体流动，获得微凸凝固界面，不仅可以降低凝固界面附近晶体内部热应力而且使得界面前沿气泡沿凝固界面逸出自由液面，消除晶体内部气泡；此外，适当的调整上部加热器4功率比还能够有效的避免凝固界面附近回熔现象。
[0034]所述炉体13内还设置有底部加热器6 ;所述底部加热器6设置于所述坩埚3的下方并与所述坩埚3存在间距，其与所述下部加热器5之间存在间距，也即二者独立进行加执.，
[0035]所述侧隔热屏16由多层同轴圆筒嵌套构成，其中，内径最小的圆筒的内壁上套装有由钨制成的、整体呈圆筒状的侧反射屏19 ;
[0036]所述侧反射屏19的内壁经过抛光处理成镜面，以用于反射热辐射，其下端抵接在所述底部保温