一种晶体生长用加热器
技术领域
本申请涉及晶体生长装置技术领域领域，尤其涉及一种晶体生长用加热器。
背景技术
蓝宝石晶体是一种简单配位型氧化物晶体，具有优良的光学、力学、热学、电学性能和化学稳定性，是一种综合性能优良的技术晶体，广泛应用于微电子和光学领域，特别是作为高亮度GaN(氮化镓)基LED(Light Emitting Diode)的衬底材料。随着LED市场的迅速发展，要求生长出高质量、大尺寸、低成本、性能稳定的蓝宝石单晶，这就对蓝宝石单晶生长设备及技术提出了更高要求。
生长蓝宝石晶体的技术主要有直拉法、热交换法，温梯法，泡生法等。直拉法与温梯法主要生长100kg以下的晶体，热交换法生长的单晶外部易开裂，晶体易出现气泡、杂质坑及散射中心等缺陷。目前生长大尺寸蓝宝石主要使用泡生法，此种方法生长的晶体缺陷少、位错密度低。该方法通过加热器加热提供合适的温度，且生长前将籽晶牢牢固定于籽晶杆上，籽晶杆与热交换器中的工作流体直接接触，从而通过晶体、籽晶与热交换器之间形成一个热交换系统，在生长炉内形成上冷下热的温度梯度，促进蓝宝石单晶生长。
泡生法蓝宝石单晶生长工艺中长晶炉使用的加热器的同一水平面横向温度梯度与径向温度一致，从而生长出的晶体多为圆形结构。由于纵向长晶位错可在长晶过程中中断，从而可获得更高质量的蓝宝石。目前蓝宝石长晶普遍采用纵向生长，纵向生长需横向掏取晶圆棒，而圆形结构的晶体在掏取晶圆棒过程后，四周残余晶体废料较多，造成晶体取材率低。
综上所述，如何解决蓝宝石晶体取材率低，提高蓝宝石晶体取材率，是本领域技术人员亟待解决的问题。
实用新型内容
本申请提供了一种晶体生长用加热器，以解决蓝宝石晶体取材率低的问题。
其采用的具体技术方案是：
一种晶体生长用加热器，包括长晶炉和加热装置；
加热装置为鸟笼形中空结构，长晶炉设置于加热装置内部；
加热装置包括第一U型加热棒、第二U型加热棒、第三U型加热棒、第一固定圈、第二固定圈、第三固定圈和第四固定圈；
第二固定圈位于第一固定圈与第三固定圈之间；
第一U型加热棒底端连接第一固定圈，U型开口端连接第四固定圈；
第二U型加热棒底端连接第二固定圈，U型开口端连接第四固定圈；
第三U型加热棒底端连接第三固定圈，U型开口端连接第四固定圈；
第一U型加热棒底面与第三U型加热棒底面交叉放置，形成井字形结构；
第一U型加热棒、第二U型加热棒和第三U型加热棒的U型开口端在第四固定圈上形成完整圆周，底部留有方形开口；
第一U型加热棒和第三U型加热棒的直径相同，第二U型加热棒的直径大于第一U型加热棒和第三U型加热棒的直径。
进一步地，第一U型加热棒、第一U型加热棒和第三U型加热棒的直径为5～8mm；
第二U型加热棒的直径比第一U型加热棒和第三U型加热棒的直径大1mm。
进一步地，第一U型加热棒、第二U型加热棒和第三U型加热棒均为钨棒。
进一步地，第一固定圈、第二固定圈和第三固定圈的层间间距为15～25mm。
进一步地，第一U型加热棒、第二U型加热棒和第三U型加热棒拐角半径为10mm～40mm。
进一步地，第一固定圈、第二固定圈和第三固定圈上分别与第一U型加热棒、第二U型加热棒和第三U型加热棒的拐角处连接；
第一固定圈、第二固定圈和第三固定圈直径为700mm～750mm。
进一步地，长晶炉包括坩埚、坩埚托盘和坩埚轴；
坩埚托盘设置在坩埚下方，用于托住坩埚；
坩埚轴设置在坩埚托盘正下方，用于支撑坩埚托盘；
坩埚轴通过坩埚托盘连接坩埚；
坩埚轴穿过加热装置底部井字形结构。
本申请提供的技术方案包括以下有益技术效果：
本申请提供的晶体生长用加热器，包括长晶炉和加热装置，加热装置为鸟笼形中空结构，长晶炉设置于所述加热装置内部，加热装置包括第一U型加热棒、第二U型加热棒、第三U型加热棒、第一固定圈、第二固定圈、第三固定圈和第四固定圈。通过设置的第一U型加热棒、第二U型加热棒、第三U型加热棒共三层U型加热棒，在相同通电量的情况下，由于第二U型加热棒直径比第一U型加热棒和第二加热棒的直径大，将会产生更高的温度，从而在长晶炉内提供存在不同温度区间的温度场，实现晶体不同区域生长速度不同，生长出取材率更高的晶体形状，提高蓝宝石晶体取材率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的晶体生长用加热器结构示意图。
图2为本申请实施例提供的晶体生长用加热器的加热装置结构示意图。
图3为本申请实施例提供的晶体生长用加热器的加热装置底面结构示意图。
附图标记说明：
1-长晶炉，11-坩埚，12-坩埚托盘，13-坩埚轴，2-加热装置，21-第一U型加热棒，22-第二U型加热棒，23-第三U型加热棒，24-第一固定圈，25-第二固定圈，26-第三固定圈，27-第四固定圈。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
附图1为本申请实施例提供的晶体生长用加热器结构示意图。附图2为本申请实施例提供的晶体生长用加热器的加热装置结构示意图。附图3为本申请实施例提供的晶体生长用加热器的加热装置底面结构示意图。附图1、附图2和附图3示出本申请实施例提供的晶体生长用加热器的基本结构。
如附图1、附图2和附图3所示，本申请实施例提供的晶体生长用加热器，包括：长晶炉1和加热装置2。
加热装置2为鸟笼形中空结构，长晶炉1设置于加热装置2内部。
加热装置2包括第一U型加热棒21、第二U型加热棒22、第三U型加热棒23、第一固定圈24、第二固定圈25、第三固定圈26和第四固定圈27。
第二固定圈25位于第一固定圈24与第三固定圈26之间。
第一U型加热棒21底端连接第一固定圈24，U型开口端连接第四固定圈27。
第二U型加热棒22底端连接第二固定圈25，U型开口端连接第四固定圈27。
第三U型加热棒23底端连接第三固定圈26，U型开口端连接第四固定圈27。
第一U型加热棒21底面与第三U型加热棒23底面交叉放置，形成井字形结构。
第一U型加热棒21、第二U型加热棒22和第三U型加热棒23的U型开口端在第四固定圈上形成完整圆周，底部留有方形开口。
第一U型加热棒21和第三U型加热棒23的直径相同，第二U型加热棒22的直径大于第一U型加热棒21和第三U型加热棒23的直径。
本申请提供的晶体生长用加热器，通过在长晶炉1外部罩设加热装置2，加热装置2包括第一U型加热棒21、第二U型加热棒22、第三U型加热棒23、第一固定圈24、第二固定圈25、第三固定圈26和第四固定圈27。形成三层加热棒，其中第二U型加热棒22的直径比第一U型加热棒21和第三U型加热棒23的直径更高，在相同工作电流下，第二U型加热棒22将会比第一U型加热棒和第三U型加热棒产生更高的温度，从而在长晶炉内提供存在不同温度区间的温度场，实现晶体不同区域生长速度不同，生长出取材率更高的晶体形状，提高蓝宝石晶体取材率。
本申请实施例提供的第一U型加热棒21、第二U型加热棒22和第三U型加热棒23的直径为5～8mm，第二U型加热棒22的直径比第一U型加热棒21和第三U型加热棒23的直径大1mm。第一U型加热棒21和第三U型加热棒23粗细相同，等电位下电阻相同，发电量一致，第二U型加热棒22直径大了1mm，横截面积增大，减小了第二U型加热棒的电阻，根据等电位效应，电阻小，发热量大，从而在长晶炉内形成不同温度区间的温度场，满足蓝宝石晶体不同生长区域不同的生长速度。通过控制蓝宝石不同生长区域的生长速度，改变晶体生长形状，最终生长出椭圆形结构的蓝宝石晶体。相同体积的蓝宝石晶体在掏取晶棒时，椭圆形结构比传统的圆形结构取材率更高。
本申请实施例中，第一U型加热棒21、第二U型加热棒22和第三U型加热棒23均为钨棒，但不局限于钨棒，还可以为其他材料，如紫铜材料。钨棒的热膨胀系数低、导热性能好、熔点高。作为加热棒使用时，能够提供稳定的温度及热量。
第一固定圈24、第二固定圈25和第三固定圈26的层间间距为15～25mm，优选间距为20mm。
加热装置2底部的三层加热棒之间相互独立，为避免加热棒之间直接接触，导致发热稳定性下降，第一固定圈24、第二固定圈25和第三固定圈26之间需要留有间隔，同时为了保证热量集中，间隔范围为15～25mm，优选为20mm。
第一U型加热棒21、第二U型加热棒22和第三U型加热棒23拐角半径为10mm～40mm，优选半径为30mm。
本申请实施例中，第一U型加热棒21、第二U型加热棒22和第三U型加热棒23在工作过程中会产生大量的热量，加热棒拐角不宜直接使用直角拐角，直角拐角在加热棒反复加热冷却的过程中，存在一定的热胀冷缩的体积变化，容易因为应力集中导致加热棒损坏，设置半径10～40mm的过渡，有利于提高加热棒的使用寿命。
第一固定圈24、第二固定圈25和第三固定圈26上分别与第一U型加热棒21、第二U型加热棒22和第三U型加热棒23的拐角处连接。
本申请实施例中，第一固定圈24、第二固定圈25、第三固定圈和第四固定圈27为绝缘隔热材料。其中第一固定圈24、第二固定圈25和第三固定圈26上分别与第一U型加热棒21、第二U型加热棒22和第三U型加热棒23的拐角处连接。为了保证U型加热棒整体能够提供稳定热量温度场，应避免在加热棒上设置多余的结构，但是为了加热棒的整体固定，使其罩设在长晶炉1的外部，需要采用固定圈进行固定，U型加热棒的拐角处远离整个温度场，对温度场整体影响最小。故，将固定圈与U型加热棒在拐角处进行连接，对加热装置2的功能影响最小，有利于提供一个稳定的温度场。
第一固定圈24、第二固定圈25和第三固定圈26直径为700mm～750mm。
本申请实施例中，固定圈的大小决定了长晶炉1和加热装置2的大小，固定圈太小会导致长晶炉1和加热装置2体积较小，不适用于大体积的蓝宝石晶体生长。固定圈太大，导致加热装置2体积较大，没法保证所形成的温度场有较好的稳定性。经过实验验证，固定圈的直径在700mm～750mm较为合适，加热装置2既能提供较为稳定的温度场，长晶炉1也可以容下大小合适的蓝宝石晶体。
本申请实施例提供的晶体生长用加热器，如图1所示，长晶炉1包括坩埚11、坩埚托盘12和坩埚轴13。
坩埚托盘12设置在坩埚11下方，用于托住坩埚11。
坩埚轴13设置在坩埚托盘12正下方，用于支撑坩埚托盘12。
坩埚轴13通过坩埚托盘12连接坩埚11。
坩埚轴13穿过加热装置底部井字形结构。
本申请实施例中，采用坩埚轴13和坩埚托盘12完成对坩埚11的顶托，连接方式可以为粘接、铆接、螺纹连接。坩埚11处于加热装置2内部，同时坩埚轴13穿过加热装置2底部的井字形结构，起到一定的热传导作用，保证坩埚11处于完整的温度场中。
本申请实施例提供的晶体生长用加热器，包括长晶炉1和加热装置2，通过加热装置2给长晶炉1提供一个拥有不同温度区间的温度场，实现蓝宝石晶体生长过程中不同区域的温度需求，改变蓝宝石不同生长区域的生长速度，从而得到取材率更高的蓝宝石晶体形状。
需要说明的是，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。
