專利名稱：制造單晶錠的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及單晶錠制造領(lǐng)域，特別是涉及一種制造藍(lán)寶石單晶錠的裝置。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有的利用泡生法制造藍(lán)寶石單晶錠的裝置中，由于藍(lán)寶石給料在熔化過程中 會(huì)產(chǎn)生微氣泡。所產(chǎn)生的微氣泡將沿著生長中的藍(lán)寶石晶錠的外表面上浮。但是利用現(xiàn)有 的制造藍(lán)寶石單晶錠的裝置中，藍(lán)寶石晶錠的上部的生長速度較快，從而導(dǎo)致氣泡上浮被 已凝固的晶體阻擋，不易排出，從而導(dǎo)致藍(lán)寶石單晶錠中易形成微小氣泡及相關(guān)缺陷。此外，在現(xiàn)有的制造藍(lán)寶石單晶錠的裝置中，也容易發(fā)生藍(lán)寶石單晶錠與坩堝周 邊和底部相粘接的問題，從而給藍(lán)寶石單晶錠的生長帶來不利的影響。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。為此，本實(shí)用新型需 要提供一種制造單晶錠的裝置，所述裝置可以改善例如藍(lán)寶石的單晶錠的質(zhì)量、且充分利 用冷卻流體的利用效率。根據(jù)本實(shí)用新型的制造單晶錠的裝置，包括主體；設(shè)置在所述主體內(nèi)的坩堝；主 加熱器，所述主加熱器設(shè)置在所述坩堝的四周，用于熔化容納在坩堝內(nèi)的給料；籽晶夾頭， 所述籽晶夾頭位于所述坩堝之上，用于夾持籽晶；熱交換器，所述熱交換器位于所述坩堝的 頂部和籽晶夾頭之間，所述籽晶夾頭可升降地穿過所述熱交換器且所述熱交換器中通入冷 卻介質(zhì)以對所述籽晶進(jìn)行冷卻；和第一保溫部件，所述第一保溫部件設(shè)置在所述熱交換器 與所述坩堝之間。根據(jù)本實(shí)用新型的制造單晶錠的裝置，通過利用所述熱交換器，可以通過從主體 之外將用于熱交換的流體循環(huán)地通入到所述熱交換器內(nèi)來控制所述坩堝內(nèi)的熱交換，以 控制所述部分熔化的籽晶和熔化的給料的定向凝固，從而實(shí)現(xiàn)了例如氦氣的流體的充分利用。另外，根據(jù)本實(shí)用新型上述實(shí)施例的制造單晶錠的裝置還可以具有如下附加的技 術(shù)特征根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，第一保溫部件為熱反射屏和/或保溫層。熱反射 屏用于將來自坩堝的熱量反射回坩堝內(nèi)節(jié)省能量，保溫層也可以防止坩堝的熱量被散逸。根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，所述第一保溫部件之下設(shè)置有輔助加熱器。輔助 加熱器可用于在形成單晶錠的初始階段加熱以防止單晶錠在橫向方向上的過度生長，同時(shí) 也為了防止局部過冷。即，通過控制該輔助加熱器也可以控制單晶錠沿著橫向方向的結(jié)晶 速度。 根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，所述第一保溫部件和輔助加熱器產(chǎn)生的溫度場在 晶體生長的初始階段控制成使得朝向坩堝的側(cè)壁的單晶生長速度小于沿著縱向向下的單 晶生長速度。從而在晶體生長的初始階段單晶錠橫向生長少，有利于熔體中氣泡的上浮排出，減少了晶體中的氣泡及相關(guān)缺陷，實(shí)現(xiàn)了單晶錠的良好生長。根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，所述制造單晶錠的裝置進(jìn)一步包括溫控部件，所 述溫控部件設(shè)置在所述坩堝的底部中央。其中，所述溫控部件為溫度可調(diào)節(jié)的加熱器，以在形成單晶錠的過程加熱以防止 單晶錠粘接到坩堝的底部。根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，所述制造單晶錠的裝置進(jìn)一步包括稱重單元，所 述稱重單元連接至所述籽晶夾頭，用于稱取晶體的重量，所述溫控部件和/或所述主加熱 器基于稱重單元的檢測結(jié)果被控制加熱以防止單晶粘接到坩堝底部和/或側(cè)壁、并在發(fā)生 粘接時(shí)熔化粘接至所述坩堝的單晶。根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，所述制造單晶錠的裝置進(jìn)一步包括第二保溫部 件，所述第二保溫部件設(shè)置在所述主加熱器與所述主體之間；第三保溫部件，所述第三保溫 部件設(shè)在所述坩堝底部與所述主體之間?？蛇x地，所述第二保溫部件為熱反射屏和/或保溫層，以及所述第三保溫部件為 熱反射屏和/或保溫層。其中熱反射屏可以將從坩堝和加熱器輻射出來的熱量反射回去； 保溫層也可以防止坩堝的熱量被散逸，以防止晶體內(nèi)部形成過大的溫度梯度，從而使得在 結(jié)晶過程中，單晶錠不會(huì)與坩堝的內(nèi)壁粘接，晶體的內(nèi)應(yīng)力也得到控制。其中，所述熱反射屏由鎢、鉬、鎢鉬合金或石墨形成，所述保溫層由保溫碳?xì)中纬?。根?jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，所述冷卻介質(zhì)為水或者氦氣。根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，所述主加熱器由鎢、鉬、鎢鉬合金或石墨形成。根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，所述單晶錠為藍(lán)寶石晶錠。根據(jù)本實(shí)用新型的制造單晶錠的裝置，通過第一保溫部件和輔助加熱器在晶體生 長的初始階段形成控制晶體縱向生長速度高于橫向生長速度的溫度梯度場，且通過溫控部 件防止單晶錠粘接到坩堝的底部，從而實(shí)現(xiàn)了所述單晶錠的良好生長，減少了晶體中的氣 泡，提高了所述藍(lán)寶石單晶錠的質(zhì)量，并提取方便。本實(shí)用新型的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述 中變得明顯，或通過本實(shí)用新型的實(shí)踐了解到。

本實(shí)用新型的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對實(shí)施例的描述中 將變得明顯和容易理解，其中圖1是根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例的制造單晶錠的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；以及圖2是圖1中坩堝內(nèi)生長單晶錠的部分結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面詳細(xì)描述本實(shí)用新型的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始 至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參 考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本實(shí)用新型，而不能理解為對本實(shí)用新型的 限制。 在本實(shí)用新型的描述中，術(shù)語“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“頂”、“底”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本實(shí)用新型而不 是要求本實(shí)用新型必須以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本實(shí)用新型的限制。下面將參照附圖來描述根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的制造單晶錠的裝置，其中圖1是 根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例的制造單晶錠的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。此外，在下述中將以制 造藍(lán)寶石單晶錠為例，來描述制造單晶錠的裝置。但是，需要說明的是，本實(shí)用新型的制造單晶錠的裝置也可以利用制造其他類型 的單晶，例如硅單晶、氧化物(如釔鋁石榴石YAG等)單晶等，此處只是出于示例的目的，而 不是為了限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。如圖1-圖2所示，根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的制造單晶錠的裝置，包括主體1、坩堝 2、主加熱器3、籽晶夾頭4、熱交換器5和第一保溫部件71，其中坩堝2設(shè)置在主體1內(nèi)。主加熱器3設(shè)置在坩堝2的四周，用于熔化容納在坩堝2內(nèi)的給料。籽晶夾頭4 位于坩堝2之上，用于夾持籽晶。熱交換器5位于坩堝2的頂部和籽晶夾頭4之間，籽晶穿 過熱交換器5且熱交換器5中通入冷卻介質(zhì)以對籽晶進(jìn)行冷卻?？蛇x地，冷卻介質(zhì)為水或 者氦氣。在上述的制造藍(lán)寶石單晶錠的裝置100中，主體1、坩堝2等可以形成為圓柱體形， 但是需要說明的是，主體1、坩堝2等也可以形成為其他的形狀，例如長方體形等，此處只是 出于說明的目的，而不是為了限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍?？梢岳斫獾氖?，主體1內(nèi)可以容 納有多個(gè)主加熱器3。由此，通過利用熱交換器5，可以通過從主體1之外將用于熱交換的冷卻介質(zhì)例如 水或氦氣循環(huán)地通入到熱交換器5內(nèi)來控制坩堝2內(nèi)的熱交換，以控制部分熔化的籽晶和 熔化的給料的定向凝固，并實(shí)現(xiàn)了例如水或氦氣的冷卻介質(zhì)的充分利用。在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，第一保溫部件71設(shè)置在熱交換器5和坩堝2的頂 部之間?？蛇x地，第一保溫部件71為熱反射屏，如圖1和圖2所示，熱反射屏7用于將來自 坩堝2的熱量反射回坩堝2內(nèi)節(jié)省能量。當(dāng)然，第一保溫部件71也可以為保溫層，以防止 坩堝的熱量被散逸。進(jìn)一步地，在熱交換器5的熱交換作用和第一保溫部件71的保溫作用 的共同影響下，坩堝內(nèi)熔體的橫向溫度梯度小，從而使得如圖2中所示的單晶錠沿著橫向 方向的結(jié)晶速度小于沿著縱向方向的結(jié)晶速度，所述單晶錠在結(jié)晶的初始階段大致沿著豎 直的方向生長，即在晶體生長的初始階段單晶錠橫向生長少，熔體中的氣泡可以方便地沿 著單晶錠的外表面上浮并排出坩禍，因此提高了所結(jié)晶的單晶錠的質(zhì)量。在本實(shí)用新型的另一個(gè)實(shí)施例中，在第一保溫部件71之下設(shè)置有輔助加熱器8。 如圖1和圖2所示，輔助加熱器8可用于在單晶生長的初始階段加熱，以防止單晶錠在生長 的初始階段于橫向方向上的過度生長，同時(shí)也為了防止局部過冷。即，通過控制該輔助加熱 器8也可以控制單晶錠沿著橫向方向的結(jié)晶速度。在本實(shí)用新型的其中一些示例中，輔助 加熱器產(chǎn)生的溫度場在單晶生長的初始階段可控制成使得朝向坩堝2的側(cè)壁的單晶生長 速度較大幅度地小于沿著縱向向下的單晶生長速度，生成的晶體形狀如圖2所示，這種晶 體形狀非常有利于熔體中氣泡的上浮排出，從而提升了單晶錠的質(zhì)量。待晶體的底部生長 接近坩堝底部時(shí)，進(jìn)入單晶生長的中后期，逐漸降低輔助加熱器8的功率直至停止加熱，使 得晶體的橫向生長逐漸緩慢進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)了單晶錠的良好生長。 溫控部件6設(shè)置在坩堝2的底部中央，在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，溫控部件6可為溫度可調(diào)的電阻加熱器，以在形成單晶錠的過程加熱以防止單晶錠粘接到坩堝2的底 部。在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，制造單晶錠的裝置進(jìn)一步包括稱重單元，稱重單 元9連接至籽晶夾頭4，用于稱取晶體的重量，并根據(jù)稱重結(jié)果控制溫控部件6和主加熱器 3的加熱，根據(jù)晶體重量的變化調(diào)整溫控部件6和主加熱器3的加熱功率，使坩堝底部和側(cè) 壁保持適當(dāng)?shù)臏囟忍荻?，并防止籽晶粘接至坩?的底部和側(cè)壁。在單晶錠結(jié)晶的過程中 若粘接至坩堝2的底部或側(cè)壁上時(shí)，該稱重單元9便可檢測到晶體重量的突然變化，從而觸 發(fā)控制信號，使得溫控部件6和/或主加熱器3基于檢測結(jié)果被控制加熱對坩堝進(jìn)行加熱， 以熔化被粘接到坩堝2的單晶。在本實(shí)用新型的一個(gè)示例中，稱重單元9設(shè)在主體1外，例 如在籽晶夾頭4的縱向正上方。而在本實(shí)用新型的另一個(gè)示例中，稱重單元9也可設(shè)在主 體1內(nèi)坩堝2的上方，例如設(shè)在籽晶夾頭4的縱向正上方。在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，制造單晶錠的裝置進(jìn)一步包括第二保溫部件72 和第三保溫部件73，如圖1所示。第二保溫部件72設(shè)置在主加熱器3與主體1之間，也就 是說，第二保溫部件72圍繞在主加熱器3的外圍。第三保溫部件73設(shè)在坩堝2底部與主 體1之間。在本實(shí)用新型的一個(gè)示例中，第二保溫部件72和第三保溫部件73可為熱反射屏。 熱反射屏可用于反射坩堝2和主加熱器3向外輻射的熱量，其中熱反射屏與坩堝2和主加 熱器3的外表面分開預(yù)定的距離，該熱反射屏可以將從坩堝2和加熱器輻射出來的熱量反 射回去。在本實(shí)用新型的另一個(gè)示例中，第二保溫部件72和第三保溫部件73可為保溫層， 用于對坩堝2的側(cè)壁和底部進(jìn)行保溫，從而使得在結(jié)晶過程中、單晶錠不會(huì)與坩堝的底部 粘接。此外，該保溫層也可以防止坩堝2的熱量被散逸，以防止晶體內(nèi)部形成過大的溫度梯度。當(dāng)然，本實(shí)用新型并不限于此?？梢岳斫獾氖牵诙夭考?2和第三保溫部件 73并不必須是同樣的熱反射屏或是保溫層，在本實(shí)用新型的其中一些示例中，第二保溫部 件72可為圍繞在坩堝2四周的熱反射屏來反射從坩堝輻射出的熱量，而第三保溫部件73 可為保溫層防止坩堝底部散逸出的熱量。當(dāng)然，在本實(shí)用新型的另外一些示例中，第二保溫 部件72可為圍繞在坩堝2四周的保溫層，而第三保溫部件73可為熱反射屏。進(jìn)一步可以 理解的是，第二保溫部件72和第三保溫部件73還可以是結(jié)合后的熱反射屏和保溫層。在上述描述中提到的熱反射屏可由鎢、鎢鉬合金或石墨形成，保溫層由保溫碳?xì)?形成。在本實(shí)用新型的一些實(shí)施例中，籽晶夾頭4在引晶階段的旋轉(zhuǎn)速度為5-lOrpm，其 提升速度為0. 01-0. 4毫米/小時(shí)，在籽晶的結(jié)晶過程中，籽晶夾頭逐漸由快到慢地向上提 升，從而可使單晶錠形成更均勻且沿縱向的單晶生長質(zhì)量更好。根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，所述主加熱器3由鎢、鉬、鎢鉬合金或石墨形成。下面將參照圖1-圖2來簡單描述制造藍(lán)寶石單晶錠的過程。 首先將藍(lán)寶石多晶給料放入到坩堝中，并對主體1內(nèi)抽真空，然后利用主加熱器3 進(jìn)行化料?；贤瓿珊?，進(jìn)入引晶階段，此時(shí)籽晶穿過熱交換器5，進(jìn)入熔體，實(shí)現(xiàn)籽晶部分 熔化。此時(shí)將流體通入到熱交換器5內(nèi)，且流體的流速在化料階段控制成保持所述籽晶被部分熔化，并使籽晶夾頭4以5-lOrpm的速度旋轉(zhuǎn)，且逐漸向上提升，以控制籽晶的引晶過程。引晶完成后開始晶體的定向凝固生長，在晶體生長的初始階段，輔助加熱器的溫 度場可控制成使得朝向坩堝2的側(cè)壁的單晶生長速度遠(yuǎn)小于沿著縱向的單晶生長速度，同 時(shí)通過溫控部件6在形成單晶錠的過程加熱以防止單晶錠縱向生長到粘接至坩堝2的底 部。待晶體的底部生長接近坩堝底部時(shí)，進(jìn)入單晶生長的中后期，此時(shí)逐漸降低輔助加熱器 8的功率直至停止加熱，使得晶體的橫向生長逐漸緩慢進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)了單晶錠的良好生 長。單晶錠完成后，保溫以降低晶體內(nèi)應(yīng)力，然后緩慢冷卻出爐。如上所述，根據(jù)本實(shí)用新型的制造單晶錠的裝置，通過利用所述熱交換器5，可以 通過從主體1之外將用于熱交換的流體循環(huán)地通入到所述熱交換器5內(nèi)來控制所述坩堝2 內(nèi)的熱交換，以控制所述部分熔化的籽晶和熔化的給料的定向凝固，從而實(shí)現(xiàn)了例如氦氣 的流體的充分利用。此外，通過輔助加熱器形成控制晶體縱向生長速度高于橫向生長速度 的溫度梯度場，且通過溫控部件防止單晶錠粘接到坩堝2的底部，從而實(shí)現(xiàn)了所述單晶錠 的良好生長，提高了所述藍(lán)寶石單晶錠的質(zhì)量，并提取方便。在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示 例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特 點(diǎn)包含于本實(shí)用新型的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表 述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在 任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。 盡管已經(jīng)示出和描述了本實(shí)用新型的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解 在不脫離本實(shí)用新型的原理和宗旨的情況下可以對這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換 和變型，本實(shí)用新型的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。
權(quán)利要求1.一種制造單晶錠的裝置，其特征在于，包括 主體；設(shè)置在所述主體內(nèi)的坩堝；主加熱器，所述主加熱器設(shè)置在所述坩堝的四周，用于熔化容納在坩堝內(nèi)的給料； 籽晶夾頭，所述籽晶夾頭位于所述坩堝之上，用于夾持籽晶；熱交換器，所述熱交換器位于所述坩堝的頂部和籽晶夾頭之間，所述籽晶夾頭可升降 地穿過所述熱交換器且所述熱交換器中通入冷卻介質(zhì)以對所述籽晶進(jìn)行冷卻；和 第一保溫部件，所述第一保溫部件設(shè)置在所述熱交換器與所述坩堝之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造單晶錠的裝置，其特征在于，第一保溫部件為熱反射屏 和/或保溫層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造單晶錠的裝置，其特征在于，所述第一保溫部件之下設(shè) 置有輔助加熱器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制造單晶錠的裝置，其特征在于，所述輔助加熱器產(chǎn)生的溫 度場在晶體生長的初始階段控制成使得朝向坩堝的側(cè)壁的單晶生長速度小于沿著縱向向 下的單晶生長速度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造單晶錠的裝置，其特征在于，進(jìn)一步包括 溫控部件，所述溫控部件設(shè)置在所述坩堝的底部中央。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制造單晶錠的裝置，其特征在于，所述溫控部件為溫度可調(diào) 節(jié)的加熱器。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制造單晶錠的裝置，其特征在于，進(jìn)一步包括稱重單元，所述稱重單元連接至所述籽晶夾頭，用于稱取晶體的重量，所述溫控部件和 /或所述主加熱器基于稱重單元的檢測結(jié)果被控制加熱以防止單晶粘接到坩堝底部和/或 側(cè)壁、并在發(fā)生粘接時(shí)熔化粘接至所述坩堝的單晶。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造單晶錠的裝置，其特征在于，進(jìn)一步包括 第二保溫部件，所述第二保溫部件設(shè)置在所述主加熱器與所述主體之間； 第三保溫部件，所述第三保溫部件設(shè)在所述坩堝底部與所述主體之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制造單晶錠的裝置，其特征在于，所述第二保溫部件為熱反 射屏和/或保溫層，以及所述第三保溫部件為熱反射屏和/或保溫層。
10.根據(jù)權(quán)利要求2或9所述的制造單晶錠的裝置，其特征在于，所述熱反射屏由鎢、 鉬、鎢鉬合金或石墨形成，所述保溫層由保溫碳?xì)中纬伞?br> 11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造單晶錠的裝置，其特征在于，所述冷卻介質(zhì)為水或者氦氣。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造單晶錠的裝置，其特征在于，所述主加熱器由鎢、鎢鉬 合金或石墨形成。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造單晶錠的裝置，其特征在于，所述單晶錠為藍(lán)寶石晶錠。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種制造單晶錠的裝置，包括主體；設(shè)置在主體內(nèi)的坩堝；主加熱器，所述主加熱器設(shè)置在坩堝的四周；籽晶夾頭，所述籽晶夾頭位于所述坩堝之上用于夾持籽晶；熱交換器，所述熱交換器位于所述坩堝的頂部和籽晶夾頭之間，所述籽晶夾頭可升降地穿過所述熱交換器且所述熱交換器中通入冷卻介質(zhì)以對所述籽晶進(jìn)行冷卻；和第一保溫部件，所述第一保溫部件設(shè)置在所述熱交換器與所述坩堝之間。根據(jù)本實(shí)用新型的制造單晶錠的裝置，可以通過從主體之外將用于熱交換的流體循環(huán)地通入到所述熱交換器內(nèi)來控制所述坩堝內(nèi)的熱交換，以控制所述部分熔化的籽晶和熔化的給料的定向凝固，從而實(shí)現(xiàn)了例如氦氣的流體的充分利用。
文檔編號C30B17/00GK201835006SQ201020592948
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月1日
發(fā)明者李園 申請人:王楚雯