一种梯度可调石墨加热器的制作方法

1.本技术涉及石墨热场蓝宝石单晶生长技术领域，尤其涉及一种梯度可调石墨加热器。


背景技术：

2.蓝宝石(α-al2o3，单晶)是一种简单配位型氧化物晶体，具有优良的光学、力学、热学、电学性能和化学稳定性，是一种综合性能优良的技术晶体。广泛应用于微电子和光学领域，特别是作为高亮度gan基led的衬底材料。随着led市场的迅速发展，要求生长出高质量、大尺寸、低成本、性能稳定的蓝宝石单晶，而生长出这样的蓝宝石单晶，对生长设备及技术提出了更高的要求。
3.生长蓝宝石晶体的技术主要有直拉法(cz)、热交换法(hem)，温梯法(tgt)，泡生法(kyropoulos)等。直拉法与温梯法主要生长100kg以下的晶体，热交换法生长的单晶外部易开裂，晶体易出现气泡、杂质坑及散射中心等缺陷。目前生长大尺寸蓝宝石主要使用的方法是泡生法，此种方法生长的晶体缺陷少、位错密度低。该方法通过加热器加热提供合适的温度，且生长前将籽晶牢牢固定于籽晶杆上，籽晶杆与热交换器中的工作流体直接接触，从而通过晶体、籽晶与热交换器之间形成一个热交换系统，在生长炉内形成上冷下热的温度梯度，促进蓝宝石单晶生长。
4.在石墨热场泡生法蓝宝石单晶生长中，单晶炉内的热场结构决定了晶体生长的热量、质量传输条件和晶体生长环境，对晶体质量至关重要。加热器作为蓝宝石热场体系结构中的基础部分，时刻影响着液面水平径向温差、纵向温差及长晶速率，并影响着晶体的生长形状。传统蓝宝石单晶炉中使用的加热器的结构如图1和图2所示，为筒状，沿筒壁的轴向相互错开一定位置设置开槽，开槽沿筒壁周向均匀分布，相邻开槽之间的片状部分的宽度一致，这样的结构设置使加热器单位长度内电阻相同，加热器通电后加热，等电位下加热器周向各部分发热量一致，通过热辐射将热量传送至位于加热器内部的坩埚的各个方位，坩埚中的晶体生长过程中，同一水平面上各个点的受热一致，使用传统的加热器无法实现变温差，加热器在竖直方向的温度梯度的调节性较差。由于长晶过程中需要形成下高上低的纵向温度梯度和边缘高中间低的径向温度梯度，传统的加热器已经不能满足晶体生长环境的更高需求，使用传统的加热器生长蓝宝石存在以下问题，一方面，加热器产生的底部温度梯度小，晶体生长收尾较困难，另一方面，晶体收尾阶段，易造成坩埚底部中心温度过高，长晶界面由微凸界面向凹界面转移，边缘长速过快，易形成倒扣碗状气泡。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种梯度可调石墨加热器，以解决传统石墨热场泡生法使用的加热器不能产生轴向热场梯度的问题。
6.本技术解决上述技术问题所采取的技术方案如下：
7.一种梯度可调石墨加热器，所述加热器包括筒状主体，所述筒状主体的筒壁上设
置若干轴向开口槽和若干周向开槽，所述轴向开口槽的设置方向与所述筒状主体的轴向方向一致，所述轴向开口槽包括轴向上开口槽和轴向下开口槽，所述轴向上开口槽的一端与所述筒状主体第一端连通，所述轴向下开口槽的一端与所述筒状主体第二端连通，所述周向开槽的设置方向与所述轴向开口槽的设置方向相垂直。
8.进一步的，所述周向开槽沿所述筒状主体的轴向在所述筒状主体筒壁上呈层状设置，且至少设置一层，同一层所述周向开槽位于与所述筒状主体轴向垂直的同一横截面上。
9.更进一步的，所述的同一层所述周向开槽的相邻两个所述周向开槽之间的距离相等，且每一层的所述周向开槽数量相等。
10.进一步的，所述轴向上开口槽与所述轴向下开口槽交替设置在所述筒状主体的筒壁上。
11.进一步的，相邻的所述轴向开口槽之间沿所述筒状主体周向的距离相等。
12.进一步的，所述周向开槽的宽度均一致，所述周向开槽的长度均一致。
13.进一步的，所述轴向开口槽的宽度均一致，所述轴向开口槽的长度均一致。
14.进一步的，所述周向开槽与所述轴向开口槽相交，且所述周向开槽被所述轴向开口槽分成长度相等的两部分。
15.进一步的，所述轴向开口槽和所述周向开槽的形状包括矩形槽、梯形槽、锥形槽、弧形槽。
16.本技术提供的技术方案包括以下有益技术效果：
17.本技术的梯度可调石墨加热器，包括筒状本体，筒状本体的筒壁上沿轴向方向设置有轴向开口槽，筒状本体的筒壁上还沿周向设置有周向开槽，轴向开口槽包括交替设置的轴向上开口槽和轴向下开口槽，相邻轴向开口槽之间的距离相等，且每个轴向开口槽的宽度相等，长度也相等，周向开槽与轴向开口槽相互垂直，且在筒状本体的筒壁上呈层状设置，每一层设置数量相同的周向开槽，同一层的相邻周向开槽之间的距离相等，该加热器在周向发热均匀，通过设置呈层状分布的周向开槽，并调整相邻两层周向开槽之间的轴向距离，可以实现加热器在轴向方向产生不同的热量，使加热器在轴向方向产生温差，形成需要的轴向热场梯度。
附图说明
18.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为现有技术提供的蓝宝石单晶炉中加热器的立体结构示意图；
20.图2为现有技术提供的蓝宝石单晶炉中加热器的主视图；
21.图3为本技术实施例提供的蓝宝石单晶炉中加热器的立体结构示意图；
22.图4为本技术实施例提供的蓝宝石单晶炉中加热器的主视图。
23.附图标记说明：1-筒状主体；2-筒状主体第一端；3-筒状主体第二端；11-周向加热片；12-轴向上开口槽；13-轴向下开口槽；22-周向第一开槽；23-周向第二开槽；24-周向第三开槽；25-周向第四开槽；l1-现有技术加热器轴向开口槽的宽度；h-现有技术加热器轴向开口槽的长度；w-周向加热片的宽度；l2-本技术实施例轴向开口槽的宽度；l3-周向开槽的
宽度；h1-本技术实施例轴向开口槽的长度；h2-周向开槽的长度；w1-周向第一开槽与筒状主体第二端之间的轴向距离；w2-周向第一开槽与周向第二开槽之间的轴向距离；w3-周向第二开槽与周向第三开槽之间的轴向距离；w4-周向第三开槽与周向第四开槽之间的轴向距离；w5-周向第四开槽与筒状主体第一端之间的轴向距离。
具体实施方式
24.为了使本领域技术人员更好地理解本技术中的技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
25.在石墨热场泡生法蓝宝石单晶生长中，单晶炉内的热场结构决定了晶体生长的质量，而加热器作为单晶炉中提供热量的部件，其结构决定着单晶炉中具体产生何种热场。
26.现有技术提供的蓝宝石单晶炉中加热器的结构如图1和图2所示，加热器呈圆筒状，在筒状主体1的筒壁上沿圆周方向，均匀的设置有轴向开口槽，轴向开口槽的设置方向与筒状主体的轴向一致，轴向开口槽包括轴向上开口槽12和轴向下开口槽13，轴向上开口槽12的一端与筒状主体第一端2相连通，轴向下开口槽13的一端与筒状主体第二端3相连通，轴向上开口槽12与轴向下开口槽13交替设置，两者之间形成周向加热片11，每个周向加热片11的宽度w均相同，即，任意相邻的两个轴向开口槽之间的距离相等，每个轴向开口槽的长度h均相同，即，任意的轴向上开口槽12的长度h相等，任意的轴向下开口槽13的长度h相等，且任意两者的长度也相等，每个轴向开口槽的宽度l1也相同，即，任意的轴向上开口槽12的宽度l1相等，任意的轴向下开口槽13的宽度l1相等，且任意两者的宽度相等。轴向开口槽之间的距离w、轴向开口槽的长度h和宽度l1分别均相等的设置，可以使加热器在圆周方向的发热是均匀的，即，加热器在任意圆周方向产生的热量是相同的。这样的设置虽然可以确保加热器在周向发热的均匀，但是在纵向产生的热量也是相同的，无法实现在纵向形成温差，形成热场梯度，即，加热器在轴向方向无法形成温差，不能形成热场梯度，不能满足现在对蓝宝石的生成要求。
27.本技术的实施例提供的蓝宝石单晶炉中加热器的结构如图3和图4所示，基于现有技术中的加热器不能在纵向产生热场梯度，本技术的实施例在作为加热器的筒状主体1的筒壁上增加了沿筒壁周向设置的周向开槽，具体的：
28.在筒状主体1的筒壁上设置与现有技术中相同的轴向开口槽，即，沿筒状主体1的轴向方向，在筒壁上均匀、交替设置轴向上开口槽12和轴向下开口槽13，本技术实施例的每个轴向开口槽的长度h1均相等，宽度l2也均相等，且相邻的两个轴向开口槽之间的距离相等，这样的设置可以保证加热器在任意周向方向产生的热量相同；
29.周向开槽同样是设置在筒状主体1的筒壁上的，其设置方向与轴向开口槽的设置方向相互垂直，即，周向开槽是平行于筒状主体1的端面设置的，周向开槽在筒状主体1的筒壁上呈层状设置，即，同一层的周向开槽位于筒壁与轴线垂直的筒壁横截面上，每一层的周向开槽具有相同的数量，且每一层的周向开槽均匀分布在筒壁的同一横截面上，即，每一层的任意相邻的两个周向开槽之间的距离相等，不同层的周口开槽沿周向错开一定的角度，
周向开槽与轴向开口槽相交，且周向开槽被轴向开槽分成长度相等的两部分，任意周向开槽的宽度l3可相等，也可不相等，任意周向开槽的长度h2可相等，也可不相等，如图3和图4所示的，由位于同一筒壁横截面的周向第一开槽22组成的第一层周向开槽，由位于同一筒壁横截面的周向第二开槽23组成的第二层周向开槽，由位于同一筒壁横截面的周向第三开槽24组成的第三层周向开槽，由位于同一筒壁横截面的周向第四开槽25组成的第四层周向开槽，相邻的每层周向开槽的距离可以相等，也可以不相等，即，第一层周向开槽与筒状主体第二端3之间的距离w1，第一层周向开槽与第二层周向开槽之间的距离w2，第二层周向开槽与第三层周向开槽之间的距离w3，第三层周向开槽与第四层周向开槽之间的距离w4，第四层周向开槽与筒状主体第一端2之间的距离w5，这五个距离可以相等，也可以根据需要选择合适的数值，周向开槽的层数也可以根据需要选择不同的数量，轴向开口槽和周向开槽的形状可以选择矩形开槽、梯形开槽、锥形开槽、弧形开槽等不同形状的开槽。
30.本技术的实施例提供的蓝宝石单晶炉中加热器，主要通过控制相邻两层周向开槽之间的距离和周向开槽与相邻的筒状主体端面之间的距离、周向开槽的长度、周向开槽的宽度，以及加热器厚度来实现电阻的合理设计，进而控制加热器对蓝宝石熔体的加热，本技术实施例提供的加热器的结构设计可以实现加热器的筒状主体第二端3的温度大于或等于筒状主体第一端2的温度，在热场体系中，可自身实现温差设计，形成合理的热场梯度。
31.具体的，根据电阻计算公式：r＝ρl/s，式中：r为电阻，ρ为电阻率，l为通流长度，s为通流截面积，本技术实施例中选择w1≤w2≤w3≤w4≤w5，w1为第一层周向开槽与筒状主体第二端3之间的距离，w2为第一层周向开槽与第二层周向开槽之间的距离，w3为第二层周向开槽与第三层周向开槽之间的距离，w4为第三层周向开槽与第四层周向开槽之间的距离，w5为第四层周向开槽与筒状主体第一端2之间的距离，随着每层周向开槽之间的距离依次增大，通流截面积s也依次增大，则相应的电阻依次减小，在同一个加热器中，单位长度内电流i一致，相应的发热量根据公式：q＝i2r，式中：r为电阻，i为单位长度内电流，可知，筒状主体第二端3处的发热量最大，筒状主体第一端2处的发热量最小，进而在加热器的轴向方向实现相应的温度差。
32.根据实际的使用需要，本技术实施例提供的加热器可以选择不同的相邻两层周向开槽之间的距离、周向开槽的宽度、周向开槽的数量、轴向开口槽的宽度、长度、数量等，实现加热器不同部分产生不同的热量，进而可以在加热器的轴向方向产生梯度热场。
33.需要说明的是，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
34.以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一
致的最宽的范围。
35.应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本技术的范围仅由所附的权利要求来限制。