一种坩埚大气下降炉装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种移动方便、可进行水平调节的坩埚大气下降炉装置，包括炉体，支撑炉体的炉架，带有平台的升降机构，和放置在升降平台上的坩埚导向装置。炉体带有法兰盘，是可以拆卸、组装和起吊的，炉体内部从上而下至少包含一个高温度腔室、一个低温度腔室以及介于两个腔室之间的温度梯度腔室，炉体底板开口的大小或宽度是可调的；炉架和炉体之间是通过螺钉固定并可拆分的，炉架底部装有多个水平调节脚轮；升降机构与炉架不是固定在一起的，而是彼此隔离的；放置在升降平台上的坩埚导向装置的轴线位置装有水冷却杆。该下降炉装置结构简单，便于移动和维修，可以避免对其它相邻下降炉装置产生干扰，较适合于大尺寸晶体的批量生长。长。

【技术实现步骤摘要】
一种坩埚大气下降炉装置及方法


[0001]本专利技术涉及一种在大气环境中利用坩埚下降法生长晶体的装置和使用方法，属于晶体生长设备与生长


技术介绍

[0002]工业上从高温熔体中批量生长大体积晶体，包括闪烁晶体、光学晶体、激光晶体和半导体晶体等，普遍使用的两种技术方法为晶体提拉法（即Czochralski法）和坩埚下降法（Bridgman
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Stockbarger法，或称改进的Bridgman法）。这两种技术方法对应的晶体生长炉分别称为晶体提拉炉（简称提拉炉），和坩埚下降炉（简称下降炉）。晶体提拉法技术发展较快，应用十分普遍。例如，业内周知的硅（Si）、锗（Ge）半导体单晶体、氟化镁（MgF2）光学晶体、氟化钙（CaF2）光学晶体、Nd:YAG激光晶体、掺铈的硅酸钇镥（LYSO:Ce）闪烁晶体、掺铊碘化铯（CsI:Tl）闪烁晶体、掺铊碘化钠（NaI:Tl）闪烁晶体等。法国的Saint Gobain Crystal公司和乌克兰的Amcrys公司利用晶体提拉法已经能够生长出直径达500 mm、重量达500 kg的掺铊碘化铯（CsI:Tl）和掺铊碘化钠（NaI:Tl）两种闪烁晶体。坩埚下降法因晶体生长坩埚所处环境的不同而划分为坩埚真空下降法和坩埚大气下降法，它们对应的炉子又分别称为坩埚真空下降炉（简称真空下降炉）和坩埚大气下降炉（简称大气下降炉）。使用石墨坩埚真空下降法生长大体积晶体的例子也较为普遍。涉及的晶体有各种氟化物类晶体，例如，氟化锂（LiF）光学晶体、氟化镁（MgF2）光学晶体、氟化钙（CaF2）光学晶体、氟化钡（BaF2）光学晶体和闪烁晶体、氟化铈（CeF3）闪烁晶体等。日本尼康（Nikon）公司和德国Hellma材料公司用真空坩埚下降法生长的氟化钙（CaF2）晶体直径可达300 mm以上，甚至达420 mm。对于大气下降炉，一般使用轻质的氧化铝泡沫制品或莫来石纤维制品等作为耐高温的隔热材料，硅钼棒、硅碳棒、铁铬合金电热丝（电炉丝）等作为加热元件，铂金、石英玻璃、氧化铝陶瓷等作为坩埚材料，可以拆卸、组装和更换。由于炉体外壳的机加工相对简单，保温材料和加热元件容易获得，不需要配备高真空获得设备，因而坩埚大气下降炉的制作难度较小，其造价比晶体提拉炉和坩埚真空下降炉的低几倍，甚至低十几倍。所以，坩埚大气下降法也是一种生长大尺寸晶体较佳的方法。目前，已实现批量化生产的晶体包括氧化碲（TeO2）声光晶体、四硼酸锂（Li2B4O7）压电晶体、锗酸铋（Bi4Ge3O12，BGO）闪烁晶体、钨酸铅（PbWO4，PWO）闪烁晶体等氧化物类晶体，以及氯化镧（铈）（LaCl3:Ce）闪烁晶体、溴化镧（铈）（LaBr3:Ce）闪烁晶体、碘化钠（铊）（NaI:Tl）闪烁晶体、氟化铅（PbF2）光学晶体、碲锌镉（CdZnTe）半导体晶体等非氧化物类晶体。然而，与真空下降炉和大多数提拉炉相比，大气下降炉有两个不足的地方：（1）炉腔（也称炉膛）与外界环境是相通的，容易受到环境中的气流扰动；（2）下降装置以及升降平台上的坩埚导向装置的抗震性差，容易受到外界振动的干扰。生长大尺寸晶体的单坩埚大气下降炉或多坩埚大气下降炉，一般都重达数百千克或1吨以上，有的甚至重达数吨，整体移动比较困难，只能就地拆除、维修和更换，很不方便。所以多台单坩埚大气下降炉或多坩埚大气下降炉被放置在同一炉子间进行批量生长时，如果其中有炉子出现故障需要拆卸并修理时，一般不宜立刻进行。由于不同炉子的生长周期不尽相同，装出炉的时间也不
完全一致，一旦其中有炉子出现故障，往往需等待周边炉子晶体生长结束或坩埚停止下降后才可拆卸、检修和组装。如此这般，往往会花去好几天的时间，造成不小的损失。除了不方便移动以外，已公开的大气下降炉装置还存在这样或那样的不足。授权专利（CN105714372B）和授权专利（CN111005062B）、授权专利（CN201420487365.7）都分别公开了一种晶体生长装置，其中的升降机构都是固定在炉架上的。炉架受到震动容易传递给导向管内的坩埚，影响熔体结晶。此外，拆装维修时，隔热材料碎末容易进入滚珠丝杠和电机，影响使用。一项授权专利（CN1060542C）、一项授权专利（CN200988868Y）、一项已被视为撤回的专利申请（CN201610210720.X）和一项被驳回的专利技术专利申请（CN201310131908.1）也都分别公开了一种坩埚大气下降炉装置，尽管其中的坩埚升降机构都没有固定在炉架上，但并没有提及是否对坩埚升降机构和坩埚导向组件采取减震或隔震的措施。采用加籽晶的坩埚下降法更容易生长得到大尺寸的晶体，但有时候却不便引入籽晶或者无籽晶可用，因而只能采用无籽晶的自发成核生长方式生长大尺寸晶体。这时，需要在坩埚的下方放置冷却杆的方式导引出因熔体结晶而释放出来的结晶潜热。此外，为了有效地监控坩埚内的熔体自发成核结晶的起始位置，还需要在坩埚导向装置中加入测温热电偶，并尽可能地靠近坩埚的初始结晶位置。一项授权专利技术专利（CN101323968B）公开了一种多元化化合物红外晶体生长装置，没有使用冷却杆，只能生长小尺寸晶体，坩埚导向装置内虽然装有热电偶，但从热电偶是从侧面引出的，给装出炉带来了不便。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于针对上述问题，公开了一种移动方便、可进行水平调节的坩埚大气下降炉装置，采用下述解决方案：该装置跟大多数的坩埚大气下降炉一样，包括炉体，支撑炉体的炉架，带有平台的升降机构，和位于升降平台上的坩埚导向装置。其中，炉体在炉架的正上方，是坩埚下降炉的核心部分，为晶体生长提供所需的温度分布，以使坩埚内的晶体原料熔化和熔体冷凝为晶体，炉体的中心为炉腔，由隔热材料制品围成的，分为高温度腔室（也称高温区或上炉腔）、低温度腔室（也称低温区或下炉腔）以及介于两者之间无加热元件的温度梯度腔室（也称梯度区或过渡区）等；炉腔内装有加热元件，对炉腔进行加热。炉架在炉体的底部，用于支撑和固定炉体，其后方下面的一根横梁是可拆卸的。升降机构位于炉体下方，其升降平台随伺服电机驱动的滚珠丝杠的转动而上下移动，既可以单边立柱支撑的，也可以是双边立柱支撑的。坩埚导向装置包括导向管和带支撑脚的导向管托，放置在升降平台上。坩埚放置在导向管内，四周填充有耐高温的粉体，例如但不限于氧化铝粉，和导向装置一起随升降平台上下移动，通过炉体底板中心的开口进出炉腔。除此以外，还包括控制升降平台上下的升降机构控制系统和控制高、低温度炉腔内的温度以及监测坩埚底部的温度以利于熔体自发成核生长或确保籽晶能够部分（上部）熔化接种生长而不至全部熔化的温度控制系统。这里的坩埚，可以是铂坩埚，也可以是石英玻璃坩埚或氧化铝陶瓷坩埚等。这里的导向管，可以是氧化铝陶瓷管，也可以是石英玻璃管，甚至普通陶瓷管等。这里的加热元件，可以是硅钼棒、硅碳棒、镍铬电热丝或铁铬铝电热丝等。本专利技术的坩埚大气下降炉装置，与其它坩埚大气下降炉相比较，不同之处在于：炉体的炉壳包括顶盖、底板和两个或多个叠加起来的筒体，彼此间通过螺钉固定起来并可拆分。筒体的两端都有法兰盘，法兰盘上均匀分布有多个螺纹
孔或光孔，顶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种坩埚大气下降炉装置，包括：炉体，支撑炉体的炉架，带有平台的升降机构，和位于升降平台上的坩埚导向装置；其特征在于：所述炉体是可拆卸的；所述炉架的底部装有多个脚轮；所述升降平台机构与炉架不是固定在一起的；所述坩埚导向装置的轴线位置装有水冷却杆；所述炉体与炉架之间是通过螺钉固定的。2.如权利要求1所述的炉体，包括：（1）由一个顶盖和至少一个两端焊接有法兰盘的筒体以及一个中心开口的底板组成的炉壳；（2）位于炉体内部的中心对称轴或炉腔的对称平面位置自上而下被分隔为高温度腔室、温度梯度腔室和低温度腔室的炉腔；（3）高温度腔室和低温度腔室内都装有的加热元件；以及（4）填充在炉壳内与炉腔之间的耐高温隔热材料制品。3.如权利要求2所述的炉壳，其筒体两端的法兰盘、炉体底板和顶盖上都分布有多个螺钉孔或（和）光孔，并且筒体与炉体底板和炉体顶盖以及筒体之间是通过螺钉固定在一起的。4.如权利要求2和3所述的炉体底板，其中心有一大的开口，开口的四周分布有多个螺钉孔，用于安装不同大小的底口盖以调节炉口的大小或宽度。5.如权利要求1所述的炉架，其后面下方的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：张明荣，侯越云，李洪超，杨蕾，
申请(专利权)人：北京玻璃研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：