本實用新型涉及寶石長晶領(lǐng)域，具體地，涉及一種寶石長晶爐的長晶部件及寶石長晶爐。

技術(shù)背景

藍寶石英文名稱為Sapphire，源于拉丁文Spphins，屬于剛玉族礦物，三方晶系，是世界上硬度僅次于金剛石的晶體材料，由于其具有高聲速、耐高溫、抗腐蝕、高硬度、高透光性、高熔點等優(yōu)良的物理、機械和化學(xué)性能，一直是微電子、航空航天、軍工等領(lǐng)域繼續(xù)的材料。

藍寶石晶體生長方法包括熔體生長、溶液生長、氣相生長和固相生長，其中，世界上主要的熔體生長方法包括晶體提拉法、導(dǎo)模法、熱交換法和泡生法。所述泡生法又稱凱氏長晶法，是先將原料加熱至熔點后熔化形成熔液，再以單晶之籽晶(Seed Crystal，又稱籽晶棒)接觸到熔液表面，在籽晶與熔液的界面上開始生長和籽晶相同晶體結(jié)構(gòu)的單晶，籽晶以極緩慢的速度往上拉升，在籽晶往上拉晶的一段時間內(nèi)形成晶頭，待熔液與籽晶界面的凝固速率穩(wěn)定后，籽晶不再拉升，也沒有作旋轉(zhuǎn)，僅以控制冷卻速率的方式來使單晶從上方逐漸往下凝固，最后凝固成一整個單晶晶錠。因此，泡生法是利用溫度控制來生長晶體。泡生法與柴氏拉晶法最大的區(qū)別在于只拉出晶頭，晶身部分是靠溫度變化生長，在拉晶頭的同時，調(diào)整加熱電壓，使熔融的原料達到最合適的長晶溫度范圍，從而長出藍寶石單晶。但是，現(xiàn)有技術(shù)對泡生法過程中有效控制冷卻速率的方式一致沒有很好的方式，也因此使藍寶石單晶的品質(zhì)不夠理想。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是針對如何有效控制泡生法藍寶石長晶過程中的冷卻速率，提供一種寶石長晶爐的長晶部件及寶石長晶爐。

本實用新型提供了一種寶石長晶爐的長晶部件，其中，該長晶部件包括籽晶桿、籽晶夾和水冷套管，所述籽晶夾與籽晶桿下部相連，所述水冷套管位于所述籽晶桿的至少部分外周。

優(yōu)選地，所述水冷套管包括進水口和出水口。

優(yōu)選地，所述進水口和所述出水口分別位于所述水冷套管的上部。

優(yōu)選地，所述進水口和所述出水口位于所述籽晶桿圓周的同一直徑上。

優(yōu)選地，所述籽晶桿和水冷套管分別為圓柱形，所述水冷套管的截面直徑與所述籽晶桿的截面直徑的比值為1.1-5：1。

優(yōu)選地，所述水冷套管位于所述籽晶桿的全部外周。

本實用新型提供了一種寶石長晶爐，該寶石長晶爐包括長晶部件、坩堝、加熱部件，所述加熱部件位于所述坩堝的周圍，長晶部件設(shè)置于所述坩堝的上方，其中，所述長晶部件為本實用新型所述的長晶部件。

優(yōu)選地，所述加熱部件包括加熱線圈和保溫層，所述加熱線圈位于保溫層和坩堝之間。

優(yōu)選地，所述寶石長晶爐還包括坩堝支架，所述坩堝支架位于所述坩堝的下方。

優(yōu)選地，所述寶石長晶爐還包括抽真空口。

本實用新型所述長晶部件通過水冷套管中的水對拉升籽晶后形成的單晶進行冷凝，結(jié)合加熱部件，有效控制單晶的冷卻速率，以長出品質(zhì)優(yōu)異的寶石單晶。

本實用新型的其它特征和優(yōu)點將在隨后的具體實施方式部分予以詳細(xì)說明。

附圖說明

附圖是用來提供對本實用新型的進一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用于解釋本實用新型，但并不構(gòu)成對本實用新型的限制。在附圖中：

圖1是本實用新型提供的一種實施方式的長晶部件的示意圖；

圖2是本實用新型提供的一種實施方式的寶石長晶爐的示意圖。

附圖標(biāo)記說明

1 長晶部件； 11 籽晶桿；

12 籽晶夾； 13 水冷套管；

14 進水口； 15 出水口；

2 坩堝； 3 加熱部件；

31 加熱線圈； 32 保溫層；

4 坩堝支架。

具體實施方式

以下對本實用新型的具體實施方式進行詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用于說明和解釋本實用新型，并不用于限制本實用新型。

本實用新型提供了一種寶石長晶爐的長晶部件，其中，如圖1所示，該長晶部件包括籽晶桿11、籽晶夾12和水冷套管13，所述籽晶夾12與籽晶桿11下部相連，所述水冷套管13位于所述籽晶桿11的至少部分外周。

采用本實用新型所述的長晶部件進行泡生法寶石長晶時，通過所述籽晶夾12夾持籽晶，并通過水冷套管中的水帶走由籽晶傳遞到籽晶桿11的熱量，進而對由籽晶夾12從熔液中拉升出來的單晶進行冷卻凝固。

本實用新型中，對所述水冷套管13的具體結(jié)構(gòu)沒有特別的限定，只要其能夠提供水用于冷卻即可，優(yōu)選情況下，所述水冷套管13包括進水口14和出水口15。所述進水口14和所述出水口15可以保持所述水冷套管13中的水始終處于流動狀態(tài)，以達到最佳冷卻效果。

本實用新型中，對所述進水口14和所述出水口15在所述水冷套管13上的分布位置沒有特別的限定，只要能達到冷卻效果即可。優(yōu)選情況下，所述進水口14和所述出水口15分別位于所述水冷套管13的上部。在上述結(jié)構(gòu)中，可以使所述水冷套管13中的水達到充分冷卻籽晶桿11的作用。

根據(jù)本實用新型的一種更優(yōu)選的實施方式，所述進水口14和所述出水口15位于所述籽晶桿11圓周的同一直徑上。在該優(yōu)選的實施方式中，可以充分利用水的冷卻作用。

本實用新型中，對所述籽晶桿11和水冷套管13的形狀選擇沒有特別的限定，但是，為了提高水冷效果，優(yōu)選情況下，所述籽晶桿11和水冷套管13分別為圓柱形，所述水冷套管13的截面直徑與所述籽晶桿11的截面直徑的比值為1.1-5：1。

本實用新型中，為了提高所述水冷套管13的水冷效率，優(yōu)選情況下，所述水冷套管13位于所述籽晶桿11的全部外周?！叭客庵堋笔侵杆鲎丫U11的外壁全部位于所述水冷套管13內(nèi)。

本實用新型還提供了一種寶石長晶爐，其中，如圖2所示，該寶石長晶爐包括長晶部件1、坩堝2、加熱部件3，所述加熱部件3位于所述坩堝2的周圍，長晶部件1設(shè)置于所述坩堝2的上方，其中，所述長晶部件1為本實用新型所述的長晶部件。

本實用新型中，所述加熱部件3用于加熱坩堝中的原料，本實用新型對所述加熱部件3的選擇沒有特別的限定，可以為本領(lǐng)域常規(guī)的選擇。優(yōu)選情況下，所述加熱部件3包括加熱線圈31和保溫層32，所述加熱線圈31位于保溫層32和坩堝2之間。所述加熱線圈31用于為坩堝中的物料提供熱量，所述保溫層32用于將坩堝體系與外界隔開，以保證所述加熱線圈31的加熱效率。

本實用新型中，所述寶石長晶爐還可以包括坩堝支架4，所述坩堝支架4位于所述坩堝2的下方。所述坩堝支架4用于對坩堝起支撐和固定的作用。

泡生法寶石長晶的過程中，籽晶在真空條件下生長的單晶具有較好品質(zhì)，因此，優(yōu)選情況下，所述寶石長晶爐還包括抽真空口。所述抽真空口可以與機械泵和擴散泵連接，用于提供抽真空的動力。

本實用新型中，所述寶石長晶爐還可以包括重量傳感器，用來檢測樣品重量。

以藍寶石長晶為例，泡生法寶石長晶的過程可以包括以下步驟：

a.檢查寶石長晶爐內(nèi)部是否有異物或雜質(zhì)，因為在晶體生長過程中，爐體內(nèi)的雜質(zhì)或異物會因高溫而造成晶體受到污染，從而影響晶體的質(zhì)量，因此在實驗開始之前，必須將爐體清理干凈，降低雜質(zhì)析出的可能性；

b.以電子秤量取固定重量的原料并裝填到坩堝2內(nèi)，由塊料與粉料依預(yù)定的比例組合而成，擺放時縫隙愈少愈好，以達到充填致密的效果；原料填充好后，將坩堝2放進爐體內(nèi)加熱部件3的中央，用坩堝支架4支撐固定，此時必須非常小心，避免坩堝碰撞到加熱部件3而造成加熱部件3產(chǎn)生裂縫或斷裂；

c.通過籽晶夾13將籽晶固定在拉晶桿11上，以利于下籽晶或取出晶體時可用拉晶裝置來控制高度，由于晶體生長過程的溫度很高，籽晶夾13必須為耐高溫的材料，水冷套管13的進水口14與進水管路連通，出水口15與出水管路連通；

d.將寶石長晶爐的爐體密封，啟動電源，使機器運轉(zhuǎn)并開始抽真空。抽真空時，先開啟機械泵，于1小時后再啟動擴散泵，當(dāng)擴散泵啟動1-2小時后，再開啟爐體閥門，將爐體抽真空2-4小時，真空度達到5×10^-3-6×10^-3Pa時，進入加熱程序，以1-2volt/小時的速率加熱；

e.加熱到電壓為10-10.5volt時，溫度可達2100-2150℃(藍寶石的熔點約2040℃)，可使原料完全熔化，形成熔體；

f.原料完全形成熔體后，熔體持溫1-1.5小時，熔體內(nèi)部溫度分布均勻且溫度適中，下放長晶部件1使籽晶接觸熔體，在下籽晶前，必須先作凈化籽晶的動作，凈化籽晶是將籽晶底端熔化一部分，使預(yù)定生長晶體之籽晶表面更干凈，以提高晶體生長的質(zhì)量；

g.當(dāng)籽晶接觸到熔體時，此時將產(chǎn)生一固液接口，晶頸便從籽晶接觸到熔體的固液接口處開始生長，這個過程中使用拉晶裝置來拉晶頸部分，這個階段主要是判斷并微調(diào)生長晶體之熔體溫度，若晶頸生長速度太快，表示溫度過低，必須調(diào)高溫度；若晶體生長速度太慢，或是籽晶有熔化現(xiàn)象，表示溫度過高，必須調(diào)降溫度；由縮頸的速度來調(diào)整溫度，使晶體生長溫度達到最適化；

h.當(dāng)溫度調(diào)整到最適化時，就停止縮頸程序，并開始生長晶身，生長晶身時不需要靠拉晶裝置往上提拉，此時只需要以自動方式調(diào)降電壓值，并通過水冷套管(13)進行水冷處理，使溫度慢慢下降，熔體就在坩堝內(nèi)從籽晶所延伸出來的單晶接口上，從上往下慢慢凝固成一整個單晶晶碇；

i.從重量傳感器顯示的數(shù)據(jù)變化，可得知晶體是否沾黏到坩堝內(nèi)壁，當(dāng)熔體在坩堝中凝固形成晶體后，晶體周圍會黏著坩堝內(nèi)壁，必須在晶體生長完成后使晶體與坩堝內(nèi)壁分離，以利后續(xù)之晶體取出，使用的方式是瞬間加熱，使黏住坩堝部份的晶體熔化，從重量傳感器顯示的數(shù)據(jù)可以得知晶體與坩堝是否分離，當(dāng)晶體與坩堝分離后，必須繼續(xù)降溫，否則會使晶體重新熔化回去；

j.晶體生長完畢又完成與坩堝脫離程序后，必須讓晶體在爐體內(nèi)緩慢的降溫冷卻，利用冷卻過程來使晶體進行退火，以消除晶體在生長時期內(nèi)部所累積的內(nèi)應(yīng)力，避免所殘留的內(nèi)部應(yīng)力，造成晶體在降溫時因釋放應(yīng)力而產(chǎn)生龜裂，待完成退火后，關(guān)掉加熱電壓，繼續(xù)冷卻，當(dāng)爐內(nèi)溫度降至室溫后再取出藍寶石晶體以繼續(xù)后續(xù)的分析程序。

上述寶石長晶的過程具有以下優(yōu)點：

(1)通過在“冷心位置”處放肩，使得在整個結(jié)晶過程中，寶石單晶的晶向遺傳特性良好，即可保證高質(zhì)量寶石單晶的生長；

(2)通過高精度的能量控制配合微量提拉，使得在整個結(jié)晶過程中無明顯的溫場擾動，產(chǎn)生缺陷的幾率明顯降低；

(3)在整個晶體生長過程中，晶體式中處于坩堝內(nèi)，即一直處于熱區(qū)，可精確控制其冷卻速率，減少熱應(yīng)力；

(4)材料綜合利用率是傳統(tǒng)泡生法的1.2倍以上；

(5)在引晶和放肩階段引入提拉基質(zhì)，并通過合理的溫場設(shè)計與工藝控制，保證在熔體冷卻處引晶，克服了傳統(tǒng)泡生法只能生長大直徑、但高度較小的不足；

(6)在降溫過程中，晶體可以實現(xiàn)原位退火，即可降低氧缺位，并可簡化程序、節(jié)省能源。

以上詳細(xì)描述了本實用新型的優(yōu)選實施方式，但是，本實用新型并不限于上述實施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本實用新型的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本實用新型的技術(shù)方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本實用新型的保護范圍。

另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合，為了避免不必要的重復(fù)，本實用新型對各種可能的組合方式不再另行說明。

此外，本實用新型的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本實用新型的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本實用新型所公開的內(nèi)容。