[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

权利要求书

1.蓝宝石晶体生长设备的多段式石墨加热系统，其特征在于，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；

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

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

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

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

所述中部加热器，将4个所述石墨圆柱安装在中部加热器下沿的位置，其它结构与所述上部加热器一致；

所述底部加热器，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个所述石墨电极位于石墨圆盘的底部，通过螺纹与所述石墨圆盘相连接，2个所述石墨电极的底端与水冷铜电极通过螺纹相连接，所述水冷铜电极固定在炉底盘上，并穿过所述炉底盘与外部的水冷电缆相连接；

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

2.根据权利要求1所述的蓝宝石晶体生长设备的多段式石墨加热系统，其特征在于，3个独立控制的所述电源为IGBT直流电源、单相交流电源或三相交流电源。

3.根据权利要求1所述的蓝宝石晶体生长设备的多段式石墨加热系统，其特征在于，3个独立控制的所述电源的调整功率为0～200KW，调整精度为0.1～5‰。

4.根据权利要求1所述的蓝宝石晶体生长设备的多段式石墨加热系统，其特征在于，4个所述石墨圆柱分别成90±20°的夹角分布在上部加热器或者中部加热器上。

5.根据权利要求1所述的蓝宝石晶体生长设备的多段式石墨加热系统，其特征在于，所述坩埚为钨坩埚或者钼坩埚。

6.根据权利要求1所述的蓝宝石晶体生长设备的多段式石墨加热系统，其特征在于，所述生长炉腔体上还包括：真空泵、扩散泵和机械泵，并且所述真空泵、扩散泵、机械泵都与炉筒相连通，并且都与控制器相连接。

7.蓝宝石晶体生长设备的多段式石墨加热系统的使用方法，包括如下步骤：

步骤一，把纯度大于99.99%的高纯氧化铝原料填入坩埚内，将坩埚安装于坩埚托盘上；

步骤二，将坩埚上面的保温层盖好，将大炉盖安装在炉筒上面，小炉盖安装在大炉盖上面，中间用密封圈保证其密闭性良好；

步骤三，打开机械泵和扩散泵对生长炉腔体进行抽真空，直至生长炉腔体内的真空度高于1×10^-2Pa为止，开始加热；

步骤四，通过3个独立控制的电源对上部加热器、中部加热器和底部加热器的功率进行调节，功率比例设置为20:50:30；电流从电源输出后，依次经过水冷电缆、水冷铜电极、石墨电极，石墨电极导电后发热，实现对上部加热器、中部加热器和底部加热器进行加热；

步骤五，当坩埚的温度高于300±20℃时，关闭扩散泵，只保持机械泵为打开的状态，向生长炉腔体内缓慢通入氩气，通过机械泵上的质量流量计控制氩气的流量，使生长炉内的压力维持在0.1～5000Pa范围内，提高上部加热器、中部加热器和底部加热器的功率，直到坩埚的温度高于2050±20℃，钨坩埚内的原料完全熔化；

步骤六，进入安定程序，改变上部加热器、中部加热器和底部加热器的功率比例，下调总功率，总功率下调的幅度根据熔体温度超出引晶温度确定，直到熔体上表面的中心温度略高于熔点温度；

步骤七，进入引晶程序，引晶的时候根据熔体液流的情况调节上部加热器、中部加热器和底部加热器的功率比例；把籽晶底端插入熔体2～20mm，缓慢向上提拉，直到生长出来的晶结透亮，位错和晶界排除为止；

步骤八，引晶结束后缓慢降低上部加热器、中部加热器和底部加热器的总功率，使晶体进入扩肩和等径程序，从开始扩肩到收尾的过程中，坩埚内的纵向和径向的温度梯度会越来越小，为了维持足够的温度梯度满足后续的晶体生长的需要，在晶体重量达到20kg以上，需要逐渐调整上部加热器、中部加热器和底部加热器的功率比例，同时通过总功率的升高和降低来调节晶体生长速度，直到称重显示晶体重量略小于120±5kg，且晶体重量在5±2个小时内无明显变化时，表明晶体生长结束；

步骤九，晶体进入退火程序，调整上部加热器、中部加热器和底部加热器的功率比例，总功率缓慢下降，在总功率降到0之后的24小时内，调节生长炉腔体内的氩气压力至5×10⁴Pa，加快生长炉内温度下降，48小时后打开小炉盖，待蓝宝石晶体温度降低至50℃以下时取出晶体，完成整个蓝宝石晶体的生产过程。