藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐熱場(chǎng)及設(shè)有該熱場(chǎng)的長(zhǎng)晶爐及其長(zhǎng)晶工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及藍(lán)寶石生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐熱場(chǎng)及設(shè)有該熱場(chǎng)的長(zhǎng)晶爐及其長(zhǎng)晶工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]藍(lán)寶石(Sapphire)是一種氧化鋁(α-Α1203)的單晶，又稱為剛玉，就顏色而言，單純的氧化鋁結(jié)晶是呈現(xiàn)透明無(wú)色的，在自然界藍(lán)寶石在生長(zhǎng)時(shí)，晶體內(nèi)含有鈦離子(Τ?3+)與鐵離子(Fe3+)時(shí)，會(huì)使晶體呈現(xiàn)藍(lán)色，而成為藍(lán)色藍(lán)寶石(Blue Sapphire)。藍(lán)寶石晶體化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，一般不溶于水和不受酸、堿腐蝕，晶體硬度很高，為莫氏硬度9級(jí)，僅次于最硬的金剛石。它具有很好的透光性，熱傳導(dǎo)性和電氣絕緣性，力學(xué)機(jī)械性能好，并且具有耐磨和抗風(fēng)蝕的特點(diǎn)。其獨(dú)特的晶格結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的熱學(xué)性能使藍(lán)寶石晶體成為L(zhǎng)ED、大規(guī)模集成電路SOI和SOS等最為理想的襯底材料，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)藍(lán)寶石晶體材料的尺寸、質(zhì)量不斷提出新的要求。目前，低成本、高質(zhì)量的大尺寸藍(lán)寶石單晶具有越來(lái)越大的市場(chǎng)需求。
[0003]隨著技術(shù)進(jìn)步，人工生產(chǎn)藍(lán)寶石晶體的方法越來(lái)越多，但無(wú)論哪一種好方法，只有達(dá)到藍(lán)寶石晶體的長(zhǎng)晶溫度，藍(lán)寶石晶體才能生長(zhǎng)，若沒有保溫層，爐內(nèi)2000多度的高溫很難保證，要達(dá)到藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)的溫度，就得不停的加熱，對(duì)電的消耗巨大，能源浪費(fèi)嚴(yán)重，更重要的是嚴(yán)重影響長(zhǎng)出的藍(lán)寶石晶體產(chǎn)品質(zhì)量，另一方面，針對(duì)改造后的大尺寸100-500KG級(jí)藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐，如何尋找出適合100-500KG級(jí)藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐長(zhǎng)晶工藝也尤為重要，國(guó)內(nèi)長(zhǎng)晶工藝正在摸索，長(zhǎng)出的晶體都有晶格缺陷，數(shù)值大于1000位錯(cuò)密度/pits.cm-2，晶體晶界多、氣泡多，這會(huì)嚴(yán)重影響藍(lán)寶石主導(dǎo)產(chǎn)品藍(lán)寶石襯底片和窗口片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和質(zhì)量，成品率極低，浪費(fèi)巨大，成本高，效率低，難以大規(guī)模生產(chǎn)。藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)爐熱場(chǎng)外采用什么保溫材料及采用什么工藝使其減少為錯(cuò)密度，成為國(guó)內(nèi)藍(lán)寶石行業(yè)關(guān)注的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的第一目的在于提供一種藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐熱場(chǎng)，該熱場(chǎng)提高了保溫效果，提高了晶體質(zhì)量和晶體成品率，并且該熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，適于大批量生產(chǎn)。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0006]—種藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐熱場(chǎng)包括不銹鋼桶，所述不銹鋼桶內(nèi)設(shè)有鎢筒，所述鎢筒內(nèi)設(shè)有加熱籠組件，所述加熱籠組件內(nèi)設(shè)有坩禍，所述鎢筒內(nèi)的底部設(shè)有坩禍支架，所述坩禍安裝在所述坩禍支架上，所述坩禍支架與所述鎢筒內(nèi)壁之間設(shè)有下隔熱鉬屏；還包括籽晶夾頭組件，所述籽晶夾頭組件包括籽晶桿，所述籽晶桿懸掛在所述加熱籠組件內(nèi)，且所述籽晶桿伸入所述坩禍內(nèi)。
[0007]優(yōu)選方式為，所述下隔熱鉬屏上設(shè)有氧化鋯纖維底板。
[0008]優(yōu)選方式為，所述下隔熱鉬屏設(shè)有夾層，所述氧化鋯纖維底板固定在所述夾層內(nèi)。
[0009]本發(fā)明的第二目的在于提供一種藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐，該長(zhǎng)晶爐的爐體密封性良好，使其內(nèi)部的溫度梯度一致性佳，從而提高了其生產(chǎn)的晶體質(zhì)量和品率，還提高了生產(chǎn)效率，適于大批量生產(chǎn)晶體。
[0010]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0011]一種藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐包括上述藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐熱場(chǎng)。
[0012]優(yōu)選方式為，所述不銹鋼桶外側(cè)依次設(shè)有加熱器、保溫層、爐體內(nèi)殼和爐體外殼。
[0013]優(yōu)選方式為，所述保溫層由氧化鋯制成。
[0014]優(yōu)選方式為，還包括智能控制系統(tǒng)，所述智能控制系統(tǒng)包括電連接的中央處理器模塊和電源模塊，還包括與所述中央處理器模塊電連接的控制面板，所述中央處理器模塊還分別與所述加熱器和所述藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐的所述加熱籠組件電連接，所述電源模塊與電網(wǎng)電連接，所述智能控制系統(tǒng)還包括光伏電池組件，所述光伏電池組件通過(guò)光伏處理模塊與所述電源模塊電連接。
[0015]優(yōu)選方式為，還包括智能控制系統(tǒng)，所述智能控制系統(tǒng)包括電連接的中央處理器模塊和電源模塊，還包括與所述中央處理器模塊電連接的控制面板，所述中央處理器模塊還分別與所述加熱器和所述藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐的所述加熱籠組件電連接，所述電源模塊與電網(wǎng)電連接，所述智能控制系統(tǒng)還包括風(fēng)能系統(tǒng)，所述風(fēng)能系統(tǒng)通過(guò)逆變電源與所述電源模塊電連接。
[0016]優(yōu)選方式為，還包括與所述中央處理器模塊電連接的籽晶夾頭組件驅(qū)動(dòng)部，所述籽晶夾頭組件驅(qū)動(dòng)部與所述籽晶夾頭組件傳動(dòng)連接。
[0017]本發(fā)明的第三目的在于提供一種藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐長(zhǎng)晶工藝，該工藝得到了優(yōu)化，生產(chǎn)效率高，適于大批量生產(chǎn)晶體。
[0018]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0019]—種藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐長(zhǎng)晶工藝，包括步驟:備料，準(zhǔn)備純凈的三氧化二氯作為原料，還包括以下步驟:
[0020]S(5)、填料和架晶，將所述三氧化二鋁填充入所述藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐熱場(chǎng)的所述坩禍內(nèi)，并將晶種夾在所述藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐熱場(chǎng)的所述籽晶夾頭組件的所述籽晶桿上；
[0021]S(1)、抽真空，使所述藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐熱場(chǎng)的所述不銹鋼桶內(nèi)真空；
[0022]S(15)、加熱，啟動(dòng)所述藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐給所述藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐熱場(chǎng)加熱；
[0023]S(20)、原料熔化，所述藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐熱場(chǎng)內(nèi)的功率在501?505KW功率范圍內(nèi)時(shí)，所述三氧化二鋁的融化成液體；當(dāng)所述藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐熱場(chǎng)的所述鎢筒內(nèi)的溫度落入2030°?2050°范圍時(shí)，進(jìn)行引晶；
[0024]S(25)、熔接晶種，所述藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐熱場(chǎng)的所述籽晶夾頭組件使籽晶下降接近所述三氧化二鋁液面，然后接觸所述三氧化二鋁液面，接著提起籽晶；重復(fù)上述操作完成洗晶；洗晶完畢后，將籽晶下降至所述三氧化二鋁液面下，進(jìn)行熔接晶種；進(jìn)行所述熔接晶種時(shí)，所述藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐熱場(chǎng)內(nèi)的功率范圍為500?504KW ;
[0025]S (30)、晶徑生長(zhǎng)，熔接晶種后所述藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐熱場(chǎng)的所述籽晶夾頭組件繼續(xù)提拉，使晶體的直徑變大，直至晶體重量在5?1KG重量范圍內(nèi)；
[0026]S (35)、晶體生長(zhǎng)，晶體從生長(zhǎng)階段進(jìn)入生產(chǎn)階段，生長(zhǎng)過(guò)程中根據(jù)晶體重量的變化速度，調(diào)整所述所述藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐熱場(chǎng)內(nèi)的功率；晶體重量持續(xù)不變生產(chǎn)完成；
[0027]S (40)、晶徑與坩禍分離，使所述藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐熱場(chǎng)的所述籽晶夾頭組件上拉，將晶徑與坩禍分離；
[0028]S(50)、冷卻取出晶體，所述藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐熱場(chǎng)的所述不銹鋼桶內(nèi)壓力為大氣壓時(shí)，打開所述藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐熱場(chǎng)的所述不銹鋼桶自然冷卻，經(jīng)過(guò)36小時(shí)后，取出晶體。
[0029]采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明的有益效果是:由于本發(fā)明的藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐熱場(chǎng)的鎢筒內(nèi)的坩禍被坩禍支架支撐設(shè)置，其中坩禍支架包括氧化鋯纖維板和下隔熱鉬屏，能夠使熱場(chǎng)內(nèi)的溫度梯度一致。同時(shí)本發(fā)明還將籽晶夾頭組件的籽晶桿懸掛在加熱籠組件內(nèi)，讓籽晶桿伸入坩禍內(nèi)，使籽晶在進(jìn)行提拉時(shí)，熱場(chǎng)的密封性也保持良好，進(jìn)一步使熱場(chǎng)內(nèi)的溫度梯度一致。而溫度梯度一致性良好，使晶體的質(zhì)量高，位錯(cuò)密度小，晶體晶界少、氣泡少。而本發(fā)明的藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐，因其設(shè)有本發(fā)明的熱場(chǎng)，使其生產(chǎn)晶體時(shí)，能夠生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的晶體，而且因溫度梯度一致，使其生產(chǎn)效率高。因此利用本發(fā)明的藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐的長(zhǎng)晶工藝生產(chǎn)的晶體，其晶體質(zhì)量和品率均得到了提高，節(jié)省了成本，提高了生產(chǎn)效率。
[0030]由于下隔熱鉬屏上設(shè)有氧化鋯纖維底板；該結(jié)構(gòu)使熱場(chǎng)內(nèi)的保溫效果更佳。
[0031]由于不銹鋼桶外側(cè)依次設(shè)有加熱器、保溫層、爐體內(nèi)殼和爐體外殼；該結(jié)構(gòu)使本發(fā)明的熱場(chǎng)具有雙重加熱，也具有雙重的保溫，也使熱場(chǎng)的密封性良好，從而保證了熱場(chǎng)內(nèi)的溫度梯度一致性。
[0032]由于保溫層由氧化鋯制成；因氧化鋯是一種高級(jí)耐火原料，其熔融溫度約為2900°C，選取氧化鋯因?yàn)樗蜏馗咔冶匦Ч?，進(jìn)一步保證了溫度梯度的一致性。
[0033]由于還包括智能控制系統(tǒng)，智能控制系統(tǒng)包括電連接的中央處理器模塊和電源模塊，還包括與中央處理器模塊電連接的控制面板，中央處理器模塊還分別與加熱器和藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐的加熱籠組件電連接，電源模塊與電網(wǎng)電連接，智能控制系統(tǒng)還包括光伏電池組件，光伏電池組件通過(guò)光伏處理模塊與電源模塊電連接；該光伏電池組件能夠?qū)⑻?yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，從而使本發(fā)明節(jié)