本發(fā)明涉及一種根據(jù)坩堝大小可更換爐腔的提拉晶體爐，屬于晶體生長(zhǎng)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
提拉法是一種從熔體中生長(zhǎng)高質(zhì)量單晶體的方法，其基本原理是原料在坩堝中加熱溶化，緩慢將籽晶與熔體接觸，通過精確控制溫度和晶體拉速和轉(zhuǎn)速，使得固液界面處熔體不斷凝固而生長(zhǎng)出晶體。該晶體生長(zhǎng)方法下籽晶過程和晶體生長(zhǎng)過程能夠?qū)崟r(shí)觀察與控制，可以通過使用優(yōu)質(zhì)定向籽晶和縮頸技術(shù)，減少晶體缺陷，獲得高質(zhì)量晶體，生長(zhǎng)速度較快，因此提拉法是一種能夠應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)化的晶體生長(zhǎng)方法，可用于生長(zhǎng)激光晶體、壓電晶體、電光晶體、閃爍晶體等重要的光電功能晶體。
中國(guó)專利文獻(xiàn)CN103911655A公開的《一種晶體提拉裝置》,包括晶升機(jī)構(gòu)、提升平臺(tái)和安裝在提升平臺(tái)上的稱重傳感器，還包括均為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)的晶轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和稱重吊籃，稱重吊籃包括吊籃上平板和一端與吊籃上平板連接的吊籃連接桿，吊籃上平板與吊籃連接桿連接后形成軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，吊籃上平板安裝在稱重傳感器的稱重平面上，吊籃連接桿另一端向下穿過提升平臺(tái)上的通孔與晶轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接，稱重吊籃和晶轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的幾何對(duì)稱軸同軸連接且該幾何對(duì)稱軸落于稱重傳感器的稱重軸心上。
CN101660198公開的《一種高精度自動(dòng)化光電晶體提拉爐》,包括爐體、設(shè)于爐體內(nèi)裝有熔融晶體的坩堝及用于提拉晶體的提拉桿，還包括對(duì)坩堝加熱的加熱模塊及測(cè)溫模塊，能調(diào)節(jié)晶體提拉生長(zhǎng)速度的提拉模塊調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度的旋轉(zhuǎn)模塊，以及監(jiān)控模塊和控制模塊。
CN101788790A公開的《用于自動(dòng)化光電晶體提拉爐的PC機(jī)控制系統(tǒng)》，包括執(zhí)行模塊及通過智能PID算法控制執(zhí)行模塊的控制模塊，該執(zhí)行模塊包括控制爐體溫度的溫度控制模塊、控制晶體提拉速度的晶體提拉模塊、控制晶體旋轉(zhuǎn)速度的晶體旋轉(zhuǎn)模塊及對(duì)爐體內(nèi)剩余晶體重量作監(jiān)控的監(jiān)控模塊，該控制模塊還連接有人機(jī)界面模塊，該控制模塊通過內(nèi)置的掃描單元實(shí)時(shí)掃描各個(gè)執(zhí)行模塊的執(zhí)行情況，并通過內(nèi)置的信息記錄單元自動(dòng)記錄執(zhí)行信息，將執(zhí)行信息傳送至人機(jī)界面模塊，該人機(jī)界面模塊包括按照實(shí)驗(yàn)日期進(jìn)行排列、并提供圖形化查詢的查看界面。
CN105717878A公開的《全數(shù)字化集散型閃爍晶體提拉爐控制系統(tǒng)》，包括上位機(jī)電腦、中頻加熱模塊、稱重模塊及晶體生長(zhǎng)控制模塊，控制模塊與稱重模塊進(jìn)行通信以獲取稱重信號(hào)，控制模塊與中頻加熱模塊進(jìn)行通信以設(shè)置功率值和讀取中頻參數(shù)，控制模塊與上位機(jī)電腦進(jìn)行通信以上傳監(jiān)測(cè)信號(hào)和接收操作命令，所有通信均采用數(shù)字化方式，大大提高了系統(tǒng)的控制精度。
上述用于晶體提拉的技術(shù)解決了晶體提拉生長(zhǎng)及自動(dòng)控制問題，但是目前晶體提拉爐主要存在以下問題：
1.目前采用厚重的不銹鋼雙層水冷爐殼結(jié)構(gòu)，耗用大量的不銹鋼材料，成本較高，不銹鋼外殼還會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生大量的熱量需要被冷卻水帶走，造成能源浪費(fèi)。
2.不銹鋼爐腔尺寸規(guī)格固定，用大爐腔的提拉爐生長(zhǎng)小規(guī)格晶體時(shí)，耗能大，浪費(fèi)能源。用小爐腔的提拉爐生長(zhǎng)大規(guī)格晶體時(shí)，小爐腔無法使用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有晶體提拉爐存在的缺點(diǎn)，提供一種爐腔可更換、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，節(jié)省水電能源，設(shè)備成本低的帶有坩堝升降功能的爐腔可更換的晶體提拉爐。該晶體提拉爐可用于生長(zhǎng)硅酸釔镥(LYSO)、鉭酸鋰晶體(LiTaO3，LT)、釔鋁石榴石晶體(Y3Al3O12，YAG)等光電功能晶體。
本發(fā)明的爐腔可更換的晶體提拉爐，采用以下技術(shù)方案：
該爐腔可更換的晶體提拉爐，包括爐腔、旋轉(zhuǎn)提拉稱重單元、保溫?zé)釄?chǎng)和坩堝，保溫?zé)釄?chǎng)置于爐腔內(nèi)，坩堝置于保溫?zé)釄?chǎng)中，旋轉(zhuǎn)提拉稱重單元置于爐腔上方，籽晶桿置于爐腔內(nèi)，并與旋轉(zhuǎn)提拉稱重單元連接；爐腔包括上法蘭盤、下法蘭盤和腔體，腔體置于上法蘭盤和下法蘭盤之間，腔體內(nèi)部或外圍設(shè)置有加熱裝置，腔體與上法蘭盤和下法蘭盤之間均設(shè)置有密封裝置。
所述爐腔內(nèi)設(shè)置有升降裝置，升降裝置固定在下法蘭盤上，所述保溫?zé)釄?chǎng)和坩堝置于該升降裝置上。該升降裝置一方面可以方便的調(diào)整坩堝在溫場(chǎng)中的相對(duì)位置，方便裝爐操作，另一方面可以旋轉(zhuǎn)坩堝，有利于特殊晶體生長(zhǎng)要求。
所述腔體為透明腔體，以方便觀察腔體內(nèi)晶體生長(zhǎng)情況。
所述腔體與上法蘭盤和下法蘭盤之間的密封裝置，包括套裝在腔體上部的上密封圈和套裝在腔體下部的下密封圈，上密封圈通過上壓環(huán)壓在上法蘭盤上，下密封圈通過下壓環(huán)壓在下法蘭盤上。
所述加熱裝置可以是設(shè)置于腔體外圍的感應(yīng)加熱線圈，或者是設(shè)置于腔體內(nèi)部的電阻加熱裝置。
所述上法蘭盤和下法蘭盤內(nèi)均設(shè)置有冷卻空腔，上法蘭盤上設(shè)置有與其內(nèi)冷卻空腔連通的上法蘭冷卻水進(jìn)口和上法蘭冷卻水出口，下法蘭盤上設(shè)置有與其冷卻空腔連通的下法蘭冷卻水進(jìn)口和下法蘭冷卻水出口。
所述上法蘭盤和下法蘭盤上均設(shè)置有接氣口。通過接氣口使腔體內(nèi)處于真空狀態(tài)，或通過控制進(jìn)出氣口氣體流量，達(dá)到爐腔內(nèi)處于流動(dòng)氣氛狀態(tài)。
所述上法蘭盤上設(shè)置有攝像機(jī)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腔體內(nèi)晶體生長(zhǎng)狀態(tài)。
所述上法蘭盤和下法蘭盤上加工有呈同心圓分布的螺紋孔，以用于固定不同直徑腔體上密封圈的所需的上壓環(huán)或下壓環(huán)。
所述上法蘭盤和下法蘭盤上加工有呈同心圓分布的定位槽，以將不同直徑的腔體定位在定位槽中。
所述下法蘭盤的底部設(shè)置有減震支腿，腔體外感應(yīng)線圈外加不銹鋼或鋁制防護(hù)罩網(wǎng)。
根據(jù)實(shí)際生長(zhǎng)晶體的尺寸，選擇合適大小的腔體，將晶體多晶原料置于坩堝內(nèi)，坩堝外部安放保溫?zé)釄?chǎng)，將籽晶置于提拉桿上。腔體與上法蘭盤和下法蘭盤密封。通過升降裝置帶動(dòng)坩堝升降，調(diào)整坩堝的位置，使坩堝處于最佳的溫場(chǎng)位置。通過向腔體內(nèi)通入惰性氣體或?qū)η惑w抽真空，使腔體內(nèi)形成適合晶體生長(zhǎng)的環(huán)境，加熱裝置接通電源，通過向上法蘭盤和下法蘭盤內(nèi)通入流動(dòng)冷卻水使其冷卻。當(dāng)坩堝加熱到多晶原料熔點(diǎn)以上時(shí)，晶體多晶原料熔化成熔體狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)提拉稱重單元帶動(dòng)提拉桿，使得籽晶伸入到坩堝內(nèi)的熔體中，然后通過旋轉(zhuǎn)并向上提拉籽晶而實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)。
本發(fā)明中的爐腔可以根據(jù)生長(zhǎng)晶體的尺寸進(jìn)行調(diào)整更換，相比于固定尺寸的整體式不銹鋼爐腔，可以適用于更多尺寸晶體的生長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組裝方便，便于維護(hù)，且能夠大大降低成本，而且還可以減少水電能源消耗，耗能低。此外，通過升級(jí)裝置可使坩堝處于最佳溫度場(chǎng)中，提高晶體生長(zhǎng)效率和質(zhì)量。
附圖說明
圖1是本發(fā)明爐腔可更換的晶體提拉爐結(jié)構(gòu)示意圖。
其中：1.上法蘭盤，2.上法蘭冷卻水進(jìn)口，3.CCD攝像機(jī)，4.旋轉(zhuǎn)提拉稱重單元，5.上接氣口，6.上密封圈，7.上壓環(huán)，8.上法蘭冷卻水出口，9.腔體，10.籽晶桿，11.保溫?zé)釄?chǎng)，12.坩堝，13.感應(yīng)線圈，14.下法蘭盤，15.下法蘭冷卻水進(jìn)口，16.下壓環(huán)，17.下密封圈，18.下接氣口，19.升降裝置，20.托架，21.減震支腿，22.下法蘭冷卻水出口，23.防護(hù)網(wǎng)罩。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明為爐腔可更換的晶體提拉爐，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。與現(xiàn)有提拉爐一樣也包括爐腔、旋轉(zhuǎn)提拉稱重單元4、保溫?zé)釄?chǎng)11和坩堝12，保溫?zé)釄?chǎng)11置于腔體內(nèi)，坩堝12(如貴金屬銥金或鉑金坩堝、石墨坩堝、鎢鉬坩堝等)置于保溫?zé)釄?chǎng)11中，保溫?zé)釄?chǎng)11為晶體生長(zhǎng)提供需要的熱場(chǎng)，采用氧化鋯、氧化鋁、石墨或碳?xì)值缺夭牧稀ＰD(zhuǎn)提拉上稱重單元4置于爐腔上方，籽晶桿10置于爐腔內(nèi)，并與旋轉(zhuǎn)提拉稱重單元4連接。旋轉(zhuǎn)提拉稱重單元4采用現(xiàn)有通用結(jié)構(gòu)，設(shè)置有高精度稱重傳感器、提拉執(zhí)行機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。滿足晶體生長(zhǎng)精確提拉和穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)。但是，本發(fā)明中的爐腔是與現(xiàn)有提拉爐中的整體爐腔結(jié)構(gòu)不同，可拆卸組裝成不同容積。
本發(fā)明中的爐腔包括上法蘭盤1、下法蘭盤14和腔體9，腔體9置于上法蘭盤1和下法蘭盤14之間，腔體9與上法蘭盤1和下法蘭盤14之間均設(shè)置有密封裝置。腔體9的材質(zhì)為石英玻璃或其它非金屬材質(zhì)，選用透明的石英玻璃可以清楚地觀察腔體9內(nèi)晶體生長(zhǎng)情況。
腔體9的上部外側(cè)套裝有上密封圈6，上密封圈6通過上壓環(huán)7壓在上法蘭盤1上，上壓環(huán)7通過螺釘固定在上法蘭盤1上(上法蘭盤1上的螺紋孔是盲孔)。腔體9的下部外側(cè)套裝有下密封圈17，下密封圈17通過下壓環(huán)16壓在下法蘭盤14上，下壓環(huán)16通過螺釘固定在下法蘭盤14上(下法蘭盤14上的螺紋孔是盲孔)。
腔體9內(nèi)部或外圍設(shè)置加熱裝置13。加熱裝置13可以是設(shè)置于腔體9外圍的感應(yīng)加熱線圈，以感應(yīng)加熱方式對(duì)坩堝12加熱。針對(duì)玻璃爐腔的直徑，需要更換不同的感應(yīng)加熱線圈。加熱裝置13也可以是位于腔體9內(nèi)部的電阻加熱裝置，加熱電極通過下法蘭盤14引出。
通過控制電源功率大小，使坩堝12溫度升高來融化晶體原料。電源可以采用高穩(wěn)定度感應(yīng)電源或直流電源，通過數(shù)字通訊接口和控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)功率的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。
上法蘭盤1內(nèi)設(shè)置有冷卻空腔，上法蘭盤1上設(shè)置有與其冷卻空腔連通的上法蘭冷卻水進(jìn)口2和上法蘭冷卻水出口8。上法蘭盤1上還設(shè)置有上接氣口5和CCD攝像機(jī)3。CCD攝像機(jī)3用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腔體9內(nèi)晶體生長(zhǎng)狀態(tài)。下法蘭盤14內(nèi)也設(shè)置有冷卻空腔，下法蘭盤14上設(shè)置有與其冷卻空腔連通的下法蘭冷卻水進(jìn)口15和下法蘭冷卻水出口22。下法蘭盤14上還設(shè)置有下接氣口18。上接氣口5和下接氣口18一個(gè)用于向腔體9內(nèi)通入氣體，一個(gè)用于排除氣體?？稍谕ㄈ攵栊詺怏w的接氣口上連接流量計(jì)，以控制進(jìn)氣量，爐腔內(nèi)達(dá)到流動(dòng)氣氛狀態(tài)。也可通過上接氣口5和下接氣口18接入真空獲得系統(tǒng)，獲得生長(zhǎng)需要的真空度。
上法蘭盤1與下法蘭盤14之間可以根據(jù)生長(zhǎng)晶體的尺寸更換不同直徑規(guī)格的腔體，通過更換腔體改變爐腔直徑。只需將固定在上法蘭盤1上的上壓環(huán)7和下法蘭盤14上的下壓環(huán)16，拿掉上法蘭盤1，即可取下腔體9。在下法蘭盤14上安放另一直徑的腔體，再用相應(yīng)的密封圈和壓環(huán)密封，然后該腔體上放置上法蘭盤1并安裝相應(yīng)的密封圈和壓環(huán)，即可更換完成。
為便于更換腔體，上法蘭盤1和下法蘭盤14上加工有呈同心圓分布的螺紋孔，以用于固定不同直徑腔體9上密封圈的所需的上壓環(huán)或下壓環(huán)。也可在上法蘭盤1和下法蘭盤14上加工有呈同心圓分布的定位槽，以將不同直徑的腔體9定位在相應(yīng)的定位槽中。也可以根據(jù)不同腔體9的尺寸相應(yīng)地對(duì)上下法蘭盤進(jìn)行更換。
上法蘭盤1與下法蘭盤14也可以根據(jù)不同腔體9的尺寸相應(yīng)的進(jìn)行更換。法蘭上可以設(shè)置多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣體、密封接口以及電極。
本發(fā)明中還設(shè)置有升降裝置19。該升降裝置19設(shè)置于下法蘭盤14上，用于坩堝12的升降，以使坩堝12處于最佳的溫度場(chǎng)中。升降裝置19上連接有托架20，保溫?zé)釄?chǎng)11和坩堝12置于托架20上。升降裝置19可以采用絲杠升降機(jī)構(gòu)、電動(dòng)推桿等任何手動(dòng)或電動(dòng)的升降裝置。該升降裝置19一方面可以方便的調(diào)整坩堝12在溫場(chǎng)中的相對(duì)位置，方便裝爐操作，另一方面可以旋轉(zhuǎn)坩堝12，有利于特殊晶體生長(zhǎng)要求。
此外，下法蘭盤14的底部設(shè)置有減震支腿21，下法蘭盤14的外圍設(shè)置有防護(hù)網(wǎng)23，將操作人員隔離在感應(yīng)加熱線圈外邊，保證人員安全。
上述提拉爐，用于硅酸釔镥(LYSO)或鉭酸鋰晶體(LiTaO3，LT)或鈮酸鋰晶體(LiNbO3，LN)或釔鋁石榴石晶體(Y3Al3O12，YAG)晶體生長(zhǎng)，具體生長(zhǎng)過程如下所述。
根據(jù)實(shí)際生長(zhǎng)晶體的尺寸，選擇合適大小的玻璃腔體9，將生長(zhǎng)硅酸釔镥(LYSO)或鉭酸鋰晶體(LiTaO3，LT)或鈮酸鋰晶體(LiNbO3，LN)或釔鋁石榴石晶體(Y3Al3O12，YAG)的多晶原料置于坩堝12內(nèi)，坩堝12外部安放保溫?zé)釄?chǎng)11，將籽晶置于提拉桿10上。腔體9與上法蘭盤1和下法蘭盤14密封，通過向上法蘭盤1和下法蘭盤14內(nèi)采用流動(dòng)冷卻水使其冷卻，保護(hù)密封圈和不銹鋼法蘭盤不會(huì)過熱失效。通過升降裝置19帶動(dòng)坩堝12升降，調(diào)整坩堝12的位置，使坩堝12處于最佳的溫場(chǎng)位置。通過上接氣口5向腔體9內(nèi)通入惰性氣體，通過上接氣口5上的流量計(jì)控制進(jìn)氣量。也可對(duì)腔體抽真空，使腔體內(nèi)形成適合晶體生長(zhǎng)的環(huán)境。加熱裝置13接通電源，該電源可采用高穩(wěn)定度感應(yīng)電源或電阻加熱電源，通過控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)功率的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。
當(dāng)坩堝加熱到多晶原料熔點(diǎn)以上時(shí)，晶體多晶原料熔化成熔體狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)提拉稱重單元4帶動(dòng)提拉桿10，使得籽晶伸入到坩堝12內(nèi)的熔體中，然后通過旋轉(zhuǎn)并向上提拉籽晶而實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)。加熱功率或溫度控制、旋轉(zhuǎn)提拉控制可通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)自動(dòng)控制。
通過CCD攝像機(jī)3實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腔體9內(nèi)晶體生長(zhǎng)狀態(tài)，通過CCD采集實(shí)時(shí)圖像，實(shí)時(shí)記錄晶體生長(zhǎng)過程，在計(jì)算機(jī)上顯示，可以直觀的觀察記錄晶體生長(zhǎng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。