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，屬于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(qū)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，泡生法市場占有率達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(fā)展需求。熔焰法和區(qū)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(fā)育過程及生長初期無法控制缺陷，晶體生長過程容易發(fā)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(yōu)點是設備簡單，操作方便，無機械擾動，界面穩(wěn)定，成品率高，可生長C軸晶體缺點是尺寸小，溫場不易均勻，晶體需后續(xù)退火處理，周期長，坩堝強制作用顯著，坯料的后續(xù)處理工藝比較復雜、成本高，晶體存在較為嚴重的晶界等缺陷，良率低，成本高，不利于規(guī)?；a。提拉法的優(yōu)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(guī)則對流，晶體需后續(xù)退火處理，周期長，成本高；

泡生法的優(yōu)點是熔體無強制對流影響，晶體處于熔體中自發(fā)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(xiàn)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(fā)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(fā)生變形，穩(wěn)定性和重復性較差，導致熱場溫度梯度變化，成晶率較低。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型所要解決的技術問題是：為了克服現(xiàn)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(jié)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(wěn)定性和重復性大幅度提升，提高晶體質量和良率，將能耗和生產成本降至最低，并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采用的技術方案是：一種新型節(jié)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。

本實用新型采用的加熱器設計是鳥籠式加熱器，加熱器鎢桿分為縱向鎢桿和軸向鎢桿。其中，縱向鎢桿又分為高溫區(qū)鎢桿和低溫區(qū)鎢桿。設計高溫區(qū)鎢桿直徑，其范圍為5mm-8mm，低溫區(qū)鎢桿直徑為6mm-8mm，軸向鎢桿直徑為5mm-10mm。根據(jù)熱場實際情況，可分別調整各區(qū)域鎢桿直徑，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制品、氧化鋯陶瓷制品、氧化鋯空心球制品、鎢/鉬金屬制品。根據(jù)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(fā)、熱承壓性能等參數(shù)，綜合設計熱場保溫結構。其中，本實用新型首次采用三種物理形態(tài)的氧化鋯材料，并將三種材料進行獨特結構設計成為一個整體，制備成熱場保溫材料。

本實用新型中采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鏈接，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。

本實用新型中采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(fā)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(fā)生快速吸熱反應，并迅速固化降溫。

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(xiàn)有技術相比，本實用新型的優(yōu)勢在于：

(1)采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(tǒng)單一加熱器無法改變溫區(qū)梯度，且隨著使用爐次增加，高溫下鎢桿直徑再結晶異常粗大，電阻下降明顯，加熱器發(fā)熱量不均勻，導致熱場不穩(wěn)定。本設計中加熱器可根據(jù)使用情況調整加熱器直徑，從而改變發(fā)熱量，穩(wěn)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)本設計采用的鎢坩堝設計，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(xiàn)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(jié)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位于坩堝液面上部，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鎢桿分為縱向鎢桿和軸向鎢桿。其中，縱向鎢桿又分為高溫區(qū)鎢桿和低溫區(qū)鎢桿。設計高溫區(qū)鎢桿直徑，其范圍為5mm-8mm，低溫區(qū)鎢桿直徑為6mm-8mm，軸向鎢桿直徑為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(fā)熱過大導致鎢桿異常變粗，從而提高加熱器2使用壽命。根據(jù)熱場實際情況，可分別調整各區(qū)域鎢桿直徑，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采用的保溫材料包括氧化鋯纖維制品、氧化鋯陶瓷制品、氧化鋯空心球制品、鎢/鉬金屬制品。根據(jù)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(fā)、熱承壓性能等參數(shù)，綜合設計熱場保溫結構。其中，首次采用三種物理形態(tài)的氧化鋯材料，并將三種材料進行獨特結構設計成為一個整體，制備成熱場保溫材料。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，制備出復合保溫材料熱場，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，內壁采用變徑式設計，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鏈接，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(jù)時間保溫效果和熱場縱/徑向溫度梯度情況，進行高低溫區(qū)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(jù)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制高溫保護材料，其目的是在超高溫條件下的氧化鋁溶液發(fā)生溢流時，可與氧化鋁液體反應并迅速固化，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(fā)生快速吸熱反應，并迅速固化降溫。

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(jù)公式：R＝ρ*l/s

其中ρ為電阻率，l為長度，s為面積。

鎢桿電阻與鎢桿直徑成反比平方關系，與加熱效果成反比關系。即恒大電流I條件下，直徑改變使電阻和壓降發(fā)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(fā)生變形、收縮、開裂、晶粒再結晶粗大、揮發(fā)等一系列材料物理屬性問題；其次，熱場設計要實現(xiàn)合理的溫度梯度，以利于晶體生長，同時兼顧節(jié)能環(huán)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(yōu)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(fā)?。汇f材料反射能力強、成本低。通過設計特殊的材料結構方式，制備復合保溫材料熱場。通過增加特殊局部保溫裝置和調整加熱器2直徑，可調節(jié)熱場梯度。

以上述依據(jù)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范圍內，進行多樣的變更以及修改。本項實用新型的技術范圍并不局限于說明書上的內容，必須要根據(jù)權利要求范圍來確定其技術性范圍。