[发明专利]蓝宝石晶体生长设备的多段式石墨加热系统及其使用方法

说明书

技术领域

本发明属于蓝宝石晶体生长炉设备技术领域，特别涉及一种蓝宝石晶体生长设备的多段式石墨加热系统及其使用方法。

背景技术

蓝宝石晶体是一种α-氧化铝的单晶体，熔点在2050℃左右，沸点接近3500℃，可在1900℃高温的恶劣条件下工作，透光性好，在紫外、可见、红外波段范围内具有很高的透光率，在3-5μm条件下透过率高达85%，抗辐射能力强，抗热冲击能力好，具有超强的耐腐蚀性能，被广泛应用于红外军事装置、卫星空间技术、高强度激光的窗口材料、超音速导弹的钟罩和潜艇的窗口等领域内；进一步地，由于蓝宝石的晶格结构与氮化镓比较接近，广泛应用于氮化镓基LED 外延生长的商业化衬底材料，在所有LED衬底材料中超过80%的份额；莫氏硬度为9.0，仅次于金刚石，具有优异的抗划伤性能，大量应用于高端手表表面、手机屏幕、手机摄像头保护罩及医疗设备等领域。

    蓝宝石晶体属于超高熔点晶体, 对晶体生长设备的要求很高，给晶体生长带来极大的困难。常用蓝宝石晶体的生长方法有泡生法、热交换法、提拉法、坩埚下降法、导模法和温度梯度法等。在所有蓝宝石晶体的生长设备中，热场是其中技术含量最高、最核心、设计难度最大的部分，而加热器或称为发热体是热场中最重要的部件。

钨、钼、钨合金或其它高熔点的金属常常被用来制作加热器的原料。金属或合金在高温下具有容易变形、挥发或氧化后变细、吸附挥发物后变粗、金属的晶粒长大而引起钨棒的微观组织结构发生变化的问题，极大地缩短了加热器的使用寿命。

在大尺寸的蓝宝石长晶设备中，通常一套价格3万元的金属加热器只能使用8次，导致生产成本非常昂贵，与高熔点的金属相比，石墨具有优良的高温性能，包括高温下很难变形、强度高、挥发物少等优点，因此石墨也用来制造蓝宝石晶体生长设备的加热器；目前存在的石墨加热器为单段式的，不能克服温度梯度小的缺点，并且在生长大尺寸蓝宝石晶体时头尾无法兼顾，导致生产质量较差。目前为止世界上还没有任何一款应用于泡生法生长蓝宝石的石墨加热器，单段式的石墨加热器根本无法应用在大尺寸的泡生法生长蓝宝石的设备中。

因此，蓝宝石晶体生长炉设备技术领域急需一种满足晶体生长各个阶段温度梯度的要求、降低成本、提高质量的蓝宝石晶体生长设备的多段式石墨加热系统及其使用方法。

发明内容

本发明提供了蓝宝石晶体生长设备的多段式石墨加热系统及使用方法，技术方案如下：

蓝宝石晶体生长设备的多段式石墨加热系统，其中，包括：上部加热器、中部加热器、底部加热器、电源装置、生长炉腔体、坩埚装置和保温层；

生长炉腔体，包括：小炉盖、大炉盖、炉筒和炉底盘，并且炉筒具有上、下开口，大炉盖为圆环结构，与炉筒的上开口用密封圈连接，小炉盖的外径略大于大炉盖的内径，小炉盖的外缘用密封圈与大炉盖连接，炉底盘与炉筒的下开口用密封圈连接，或者炉底盘焊接在炉筒的下底部；

坩埚装置，包括坩埚、坩埚托盘和坩埚支柱，坩埚支柱位于炉底盘的中心位置，与坩埚托盘相连接，坩埚托盘上部与坩埚相连接，坩埚用于盛装蓝宝石生长原料；

保温层，为立体结构，位于生长炉腔体的小炉盖、大炉盖、炉筒和炉底盘的内侧，并且位于坩埚外侧；

上部加热器，用一个完整的石墨圆筒制备，在石墨圆筒上切出凹槽，制成连续S型的栅栏状；4个石墨圆柱安装在上部加热器上沿的位置，石墨圆柱的外端与水冷铜柱相连，水冷铜柱固定在炉筒侧壁上， 1对短的水冷铜柱用于支撑上部加热器，另1对长的水冷铜柱穿过炉筒侧壁与炉筒外面的水冷电缆连接，用于固定上部加热器并且具有导电功能；

中部加热器，将4个石墨圆柱安装在中部加热器下沿的位置，其它结构与上部加热器一致；

底部加热器，为圆盘状，包括S型栅栏的石墨圆盘和2个石墨电极、水冷铜电极，2个石墨电极位于石墨圆盘的底部，通过螺纹与石墨圆盘相连接，2个石墨电极的底端与水冷铜电极通过螺纹相连接，水冷铜电极固定在炉底盘上，并穿过炉底盘与外部的水冷电缆相连接；

电源装置，由3个独立控制的电源组成，分别与上部加热器、中部加热器和底部加热器的水冷电缆相连接。

如上所述的蓝宝石晶体生长设备的多段式石墨加热系统，其中，3个独立控制的电源为IGBT直流电源、单相交流电源或三相交流电源。

如上所述的蓝宝石晶体生长设备的多段式石墨加热系统，其中，3个独立控制的电源的调整功率为0～200KW，调整精度为0.1～5‰。