新型液封提拉法晶體生長裝置的制作方法

本實用新型屬于晶體生長裝置技術領域，具體涉及一種新型液封提拉法晶體生長裝置。

背景技術：

目前，根據氧化鋁在高溫下化學性質活潑和提拉法生長藍寶石晶體所必須滿足的條件來看，一般拉晶設備都要具備：加熱部分、爐體和機械傳動部分、真空和惰性氣體裝置。每次晶體生長前的裝料及生長結束后取出晶體都要打開真空生長室，引起真空生長室接觸空氣，極易受到大氣的污染和氮吸附，很難實現晶體生長以及對雜質的精確控制。另外，在生長過程中，晶體熔體的不穩定流動和高溫條件下的蒸發，都會影響到晶體生長的質量。“液封法”是一種可以抑制坩堝內熔體蒸發，并提高坩堝熔體流動穩定性，最終提高晶體生長質量的一種新型生長晶體的制備方法。

現有的晶體生長裝置，多數存在無法導入液封流體的問題，這將造成坩堝壁面與提拉晶棒溫差過大，能源浪費、熔體蒸汽蒸發嚴重，熔體與空氣接觸影響生長的晶體純度，熔體流動不穩定產生晶體條紋。而能夠導入液封流體的生長裝置，又存在無法監控導入液封流體厚度及溫度的局限，這將大大影響液封提拉法生長藍寶石晶體的質量。

技術實現要素：

本實用新型旨在提供一種結構簡單、安裝使用方便、提高工作效率、能夠監測液封液體溫度和厚度的新型液封提拉法晶體生長裝置。

為此，本實用新型所采用的技術方案為：一種新型液封提拉法晶體生長裝置，包括爐體，設置在爐體內的石墨坩堝、石墨堝托、石英坩堝、石英堝托，所述石墨堝托設置在石墨坩堝外，所述石英坩堝設置在石墨坩堝內，所述石英堝托設置在石英坩堝下方，設置在爐體頂部插進石英坩堝的籽晶軸、設置在石墨堝托外的液封流體導入裝置，其特征在于：還包括至少一個溫度感測器、液體厚度感測器、微控制器、顯示與控制終端，所述溫度感測器和液體厚度感測器設置在石英坩堝內，并與所述微控制器電連接，微控制器與所述顯示與控制終端電連接，溫度感測器和液體厚度感測器將獲得的信號傳輸給微控制器，微控制器將信號處理后傳輸給顯示與控制終端。

作為優選地，所述溫度感測器為DS18B20數位溫度感測器，檢測結果準確，方便安裝，成本低。

作為優選地，所述溫度感測器為3個，分別設置在靠近所述籽晶軸下端的籽晶處、靠近所述石英坩堝內壁處、所述籽晶與石英坩堝內壁之間，可以準確地監測液液界面處的溫度分布情況。

進一步地，所述溫度感測器設置在石英坩堝內的液封流體與原料熔融液體的液體界面處，可以準確地監測液液界面處的溫度分布情況。

作為優選地，所述液體厚度感測器為HC-SR04超聲波感測器，檢測結果準確，應用廣泛，方便安裝，成本低。

進一步地，所述液體厚度感測器設置在石英坩堝內的液封流體的上方，設置在液封流體上方即可準確地檢測液封流體的厚度。

作為優選地，所述微控制器為Arduino UNO控制器，此控制器價格便宜，應用廣泛。

進一步地，所述新型液封提拉法晶體生長裝置還包括坩堝軸、電極、加熱器、多層石墨保溫罩、導線接板，所述坩堝軸穿過爐體底部伸入爐體內與石墨堝托的底部相連，起到轉動石墨堝托、石墨坩堝、石英堝托、石英坩堝的作用，所述加熱器與電極相連，設置在電極與石墨堝托之間，所述多層石墨保溫罩設置在爐體內壁上，所述導線接板與電極相連。

本實用新型的有益效果是：本實用新型使用液體厚度感測器檢測液封層的厚度，具有不受外界光及電磁場等因素影響的優點，在比較惡劣的環境中也具有適應能力，而且結構簡單、成本低，克服了其它液封法生長晶體無法測量與控制液封層厚度的局限；使用溫度感測器檢測液封層與原料熔融夜體的液液界面的溫度，可以實時監控溫度情況。可以實現液封層厚度與液液界面溫度超過液封層厚度曲線與溫度曲線之后的觀察，可達到監控液封層與熔體層徑深比的最終目的。

附圖說明

圖1是本實用新型的結構示意圖。

圖2是本實用新型溫度感測器、液體厚度感測器、微控制器、顯示與控制終端的電連接框圖。

具體實施方式

下面通過實施例并結合附圖，對本實用新型作進一步說明：

如圖1-2所示，新型液封提拉法晶體生長裝置，主要由爐體5、石墨坩堝11、石墨堝托7、石英坩堝8、石英堝托9，籽晶軸6、液封流體導入裝置10、 坩堝軸1、電極2、加熱器3、多層石墨保溫罩4、導線接板12、三個溫度感測器13、液體厚度感測器14、微控制器15、顯示與控制終端16組成。石墨坩堝11設置在爐體5內，石墨堝托7設置在石墨坩堝11外，石英坩堝8設置在石墨坩堝11內起到存儲熔融的氧化鋁原料的作用，石英堝托9設置在石英坩堝8下方，籽晶軸6設置在爐體5頂部插進石英坩堝8內起到提拉、旋轉籽晶的作用，液封流體導入裝置10設置在石墨堝托7外起到將加熱達到熔融狀態的液封流體導入到藍寶石熔體上方形成兩不相溶混熔體層的作用，坩堝軸1穿過爐體5底部伸入爐體5內與石墨堝托7的底部相連，起到轉動石墨堝托7、石墨坩堝11、石英堝托9、石英坩堝8的作用，加熱器3與電極2相連，設置在電極2與石墨堝托7之間，多層石墨保溫罩4設置在爐體5內壁上，導線接板12與電極2相連。

溫度感測器13和液體厚度感測器14設置在石英坩堝8內，并與微控制器15電連接，微控制器15與顯示與控制終端16電連接，溫度感測器13和液體厚度感測器14將獲得的信號傳輸給微控制器15，微控制器15將信號處理后傳輸給顯示與控制終端16。三個溫度感測器13分別設置在靠近籽晶軸6下端的籽晶6a處、靠近石英坩堝8內壁處、籽晶6a與石英坩堝8內壁之間，設置在石英坩堝8內的液封流體與原料熔融液體的液體界面處，可以準確地監測液液界面處的溫度分布情況。液體厚度感測器14設置在石英坩堝8內的液封流體的上方，用以探測加入液封流體后坩堝流體的深度增加量，即增添液封流體的厚度。溫度感測器13為DS18B20數位溫度感測器，液體厚度感測器14為HC-SR04超聲波感測器，微控制器15為Arduino UNO控制器，檢測結果準確，應用廣泛，方便安裝，成本低。顯示與控制終端16使用LabVIEW上位機控制軟 件和計算機。Arduino UNO控制器設置于爐體外，通過RS-232/USB連線到設置于爐體外部的LabVIEW上位機控制軟件。

Arduino數位通訊埠給HC-SR04與DS18B20的接腳發送高電位訊號，觸發測距與測溫功能；HC-SR04模組被觸發后，便自動發送超聲波脈沖；如有訊號傳回，Arduino便根據高電位持續的時間計算距離被測物的實際距離，最后換算成液封流體的表面高度，即是液封流體的高度。如果測量的溫度與厚度未超過原先設定的溫度曲線和厚度要求，則繼續下一步的晶體提拉生長過程；如果溫度與液封厚度發生異常，則停止液封流體的注入。Arduino控制板負責讀取LabVIEW上位機發來的距離測量和溫度攫取指令，透過序列埠發送回LabVI EW軟體，并將回傳的溫度資料、計算獲得測量液封層厚度顯示在前面板上。數據的傳輸通過USB連線至生長爐外部的計算機，供上位機LabVIEW顯示。LabVIEW上位機左表盤可以顯示溫度感測器測量到的液封流體的溫度具體數值，右表盤顯示液封流體的厚度具體數值。液封流體的溫度和厚度可給工程人員提供參考數值以確定最佳的液封流體與熔體厚度比值。

進一步，加熱器3的加熱線圈采用低頻電阻加熱，并可采用調壓變壓器控制。爐體1由不易生銹、非多孔性、不易揮發、易于清潔處理，并有一定機械強度的不銹鋼材料壓制而成，并且爐體是雙層水冷，呈圓筒形，內壁無死角，能有效散熱、便于清潔處理。

本實用新型將液封流體導入裝置設置在石墨堝托的旁邊，起到將加熱達到熔融狀態的液封流體導入到藍寶石熔體上方形成兩不相溶混熔體層的作用，實現了液封流體的導入，為晶體生長的質量提供了保障。本實用新型使用超聲波感測器檢測液封層的厚度，具有不受外界光及電磁場等因素影響的優點，在比 較惡劣的環境中也具有適應能力，而且結構簡單、成本低，克服了其它液封法生長晶體無法測量與控制液封層厚度的局限。使用數字溫度傳感器進行液封層與熔體液液界面溫度分布的監控，可以實時響應溫度分布情況。使用Arduino控制器，此控制器價格便宜，應用廣泛，可以實現液封層厚度與液液界面溫度超過液封層厚度曲線與溫度曲線之后的觀察，可達到監控液封層與熔體層徑深比的最終目的。本實用新型提供的液封提拉法生長藍寶石晶體的生長裝置，機械傳動部分主要包括籽晶軸和坩堝軸的轉動和提升，并且籽晶軸的轉速在調速范圍內穩定無振動；并且加熱線圈采用低頻電阻加熱，功率小，能耗低，節約能源，并且加熱功率可實現連續可調，功率足夠使硅料全部融化。此外，本實用新型的晶體生長的裝置能提高生產效率，高度節能，操作方便，使用安全，大大降低了生產成本，并提高了晶體的利用率，節約了資源。