[实用新型]一种用于定向生长蓝宝石单晶的石墨加热器

说明书

技术领域

本实用新型涉及晶体制造技术领域，具体涉及一种用于定向生长蓝宝石单晶的石墨加热器。

背景技术

定向生长蓝宝石单晶的方法主要有：热交换法(HEM，GT)、温度梯度法(TGT)、坩埚下降法(VGF)等，在这些生长方法中，热交换法是最具代表性也是运用最为广泛的一种。

HEM(热交换)法是一种底部冷却热交换驱动的晶体生长方法，其热场，坩埚和晶体均无需任何物理移动，晶体的生长完全依靠热场结构所形成的温度梯度并通过底部导热而完成。

HEM(热交换)法的籽晶置于坩埚底部，其籽晶保护由坩埚底部的氦气冷却实现。通过控制坩埚底部的氦气流量保证籽晶处于半熔状态，即当坩埚中的原料全部熔化后，籽晶只是部分熔化从而与熔液形成固液界面并作为晶种启动生长。晶体生长由坩埚底部氦气流量控制。通过加大氦气的流量，使低温区逐渐向上扩大，从而使固液界面向上移动。热交换法除了通过控制氦气流量来控制晶体的冷却速率外，还可以通过控制加热器的加热功率来调节热场温度。

HEM法具有较强的自动化控制性能，能减少对操作人员的依赖，实现精确的自动化工艺控制，同时在生长过程中，温度梯度较小，能通过原位退火去除应力，是规模化生产大尺寸、高品质蓝宝石晶体的较佳方法。

现有技术中，热交换法(HEM)采用的是均匀壁厚的直筒石墨加热器，将装有晶体生长原料的一次性钼坩埚置于石墨加热器的中心位置进行熔化、生长和退火。晶体生长由置于坩埚底部中心位置的氦气冷却驱动，退火时关闭氦气冷却系统，实现原位退火，均匀壁厚的加热器的能够提供实现一个内部非常均匀的热场，有利于原位退火，但是其不足处是必须有一套昂贵的氦气冷却系统驱动晶体生长。

通过氦气冷却驱动生长，不但其流量很难精确控制，影响晶体生长的稳定性，而且生长及保护气体都需要消耗大量的氦气，成本较高，同时氦气局部冷却坩埚底部的方法，产生了一个非常凸出的固/液凝固界面，增加了晶体生长过程中位错等缺陷的产生，因此，需要提供一种能够取代氦气冷却系统且能驱动晶体生长的温控装置，以提高晶体品质，降低制造成本。

实用新型内容

本实用新型提供了一种用于定向生长蓝宝石单晶的石墨加热器，通过对石墨加热器的结构优化，为晶体生长提供了稳定均匀的轴向温度梯度，不需要氦气冷却系统，也能实现蓝宝石单晶的生长。

一种用于定向生长蓝宝石单晶的石墨加热器，包括圆筒状的加热器本体，所述加热器本体的壁厚沿轴向线性变化。

本实用新型适合于没有氦气冷却系统的定向生长蓝宝石晶体的热场系统，由于加热器本体的壁厚沿轴向线性变化，因此，可以在加热器本体的内部提供一个稳定均匀的轴向温度梯度。

稳定均匀的轴向温度梯度为蓝宝石单晶的生长提供了驱动力，同时也改善了蓝宝石单晶生长固/液界面的形状，使固/液界面趋于平整，从而减少了蓝宝石单晶生长的热应力以及缺陷，提高蓝宝石单晶的品质，实现无氦气冷却的热场系统中的蓝宝石定向生长。

使用时，将坩埚置于加热器本体的内腔中，为了配合蓝宝石单晶的生长需要，加热器本体的壁厚顶端最薄，底端最厚，加热器本体壁厚的线性变化率决定了轴向温度梯度的大小，优选地，所述加热器本体的顶端和底端的壁厚比为0.5～0.9。

加热器本体的壁厚变化改变了加热器沿轴向的电阻变化，使加热器的加热功率密度沿轴向呈现由低到高的线性分布，从而形成稳定的轴向温度梯度。加热器本体的壁厚变化决定了蓝宝石单晶生长的速度以及品质，进一步优选，所述加热器本体的顶端和底端的壁厚比为0.7～0.8。

为了使加热器本体具有合适的电阻，也即具有合适的加热功率密度，优选地，所述加热器本体的平均壁厚为5～30mm。

进一步优选，所述加热器本体的平均壁厚为10～25mm。

加热器本体的壁厚线性变化有多种实现方式，例如，所述加热器本体的内径沿轴向不变，外径沿轴向线性变化。加热器本体的内径沿轴向不变，使加热器易于直接与现有技术中的坩埚相配合，又如，所述加热器本体的外径沿轴向不变，内径沿轴向线性变化。所述加热器本体的外径沿轴向不变，使加热器易于直接与现有技术中的热场系统相配合。

作为可选的实施方式，所述加热器本体的外径和内径均沿轴向线性变化。

所述加热器本体开设有若干沿轴向布置的通槽，通槽的开口交替处在加热器本体的顶端和底端。通槽的宽度优选3～10mm。