專利名稱：一種用于晶體生長的加熱方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于晶體生長所采用的加熱方法及裝置目前在晶體生長領(lǐng)域研究中所采用的加熱方法主要有電阻加熱、中/高頻感應(yīng)加熱、高能束加熱等等。其中電阻加熱主要是將材料置于加熱電阻絲或加熱電極所圍成的加熱爐當(dāng)中進(jìn)行加熱，可根據(jù)使用溫度的不同，選用適當(dāng)?shù)碾娮杞z或加熱電極；中/高頻感應(yīng)加熱是將材料置于感應(yīng)線圈中，在線圈中通過中/高頻電流，從而在材料表面產(chǎn)生感應(yīng)渦流進(jìn)行加熱，材料的加熱溫度主要是通過調(diào)整施加于感應(yīng)線圈上的電流功率來進(jìn)行控制；高能束加熱是采用激光、電子束、等離子束等高能束直接對材料表面進(jìn)行加熱，材料的加熱溫度主要是通過控制高能束輸出功率，并且與材料表面對高能束的吸收和反射率有關(guān)。
目前，在歐洲已有人將一種橢球反射爐用于熱疲勞方面的性能測試；在日本也有人將該類型的反射爐用于半導(dǎo)體及超導(dǎo)晶體生長的加熱方法。不過實(shí)施這種方法的裝置一般采用橢球鏡面對點(diǎn)光源匯聚，從而實(shí)現(xiàn)對置于橢球另一焦點(diǎn)的試樣進(jìn)行加熱。
在一般的晶體生長研究中，為實(shí)現(xiàn)材料的整體熔化并保證其均勻性，都需要對較大的面積進(jìn)行加熱，以可控的加熱速度形成適當(dāng)?shù)臏囟葓觯瑫r(shí)盡量減小加熱手段對體系帶來的擾動等影響。
對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行分析，不難發(fā)現(xiàn)其存在的問題及缺陷a)電阻加熱爐爐體熱阻熱容的存在使得加熱系統(tǒng)具有較大的熱慣性，難以控制體系的加熱速度，并降低了加熱效率；而且通常加熱爐膛中心溫度較高，端部溫度較低，不易形成均勻的溫度場及有特殊分布要求的溫度場。
b)電阻加熱爐的加熱溫度存在一個(gè)極限，不能超出加熱體本身的熔化溫度，約束了這種方法在一些高熔點(diǎn)合金的熔化中的應(yīng)用。
c)感應(yīng)加熱一般要求材料必須具有良好的導(dǎo)電性，否則必須在材料外層另外安裝導(dǎo)電介質(zhì)，通過加熱導(dǎo)電介質(zhì)進(jìn)而對材料進(jìn)行加熱，使加熱效率大大降低。
d)電阻加熱及中/高頻感應(yīng)加熱可以對材料的整體或大表面進(jìn)行加熱，但是這兩種方法不容易對材料所處的溫度場進(jìn)行精確的控制；e)高能束加熱法只能對材料的局部進(jìn)行加熱，同時(shí)也難以形成適當(dāng)?shù)臏囟葓觥?br> f)感應(yīng)加熱和高能束加熱容易在熔化的液體材料中造成較大對流攪動，這在某些晶體生長中是不允許的，如半導(dǎo)體晶體的生長。
g)前文所提的橢球反射加熱體系，同高能束加熱一樣，只能實(shí)現(xiàn)對局部區(qū)域的加熱。
本發(fā)明的目的就是實(shí)現(xiàn)對材料加熱過程中加熱速度及溫度場的精確控制，減小加熱帶來的擾動，同時(shí)在很大程度上提高加熱效率。
本發(fā)明主要是根據(jù)橢圓中由一焦點(diǎn)發(fā)出射線經(jīng)橢圓上任意一點(diǎn)反射后必然會回到另一焦點(diǎn)的基本原理，將加熱爐的內(nèi)表面制成橢圓柱鏡面，或共焦點(diǎn)的多橢圓柱鏡面，將被加熱物體置于共焦點(diǎn)軸上，而將加熱電極置于其它焦點(diǎn)軸上，這樣就可以把加熱電極所釋放出來的熱能通過橢圓柱鏡面反射到位于另一焦點(diǎn)軸的材料上，大大提高了加熱電極的加熱效率。同時(shí)可通過調(diào)整加熱電極沿軸向的截面積變化而導(dǎo)致的電阻變化，控制加熱電極沿軸向的加熱功率，進(jìn)而控制位于另一焦點(diǎn)軸上的材料沿軸線的溫度分布。從理論上講，采用這種加熱方式可以使加熱溫度突破加熱體本身的熔化溫度極限，可以更好的適用于高溫合金的熔化。
本發(fā)明根據(jù)橢圓中由一焦點(diǎn)發(fā)出射線經(jīng)橢圓上任意一點(diǎn)反射后必然會回到另一焦點(diǎn)的基本原理，將加熱爐的內(nèi)表面制成共焦點(diǎn)的多橢圓柱鏡面，將加熱電極置于共焦點(diǎn)軸上，而將被加熱物體置于其它多個(gè)焦點(diǎn)軸上，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)加熱電極同時(shí)對多個(gè)被加熱物體加熱；亦可將被加熱物體置放在共焦點(diǎn)上，將加熱電極置于其他多個(gè)焦點(diǎn)上，以實(shí)現(xiàn)有多個(gè)加熱電極對一個(gè)被加熱物體進(jìn)行加熱。
本發(fā)明為防止材料在高溫時(shí)揮發(fā)對橢圓柱鏡面造成污染，在加熱電極及所加熱的材料外皆安裝具有光學(xué)純度且光學(xué)透明材料制成的保護(hù)管。為保證橢圓柱鏡面的高反射率，在直接加工難以達(dá)到鏡面要求的情況下，可在爐腔內(nèi)表面鍍一薄層具有高反射率的金屬鏡面膜。
由于利用了反射加熱的方法，通過調(diào)整加熱電極沿軸向的截面積變化而導(dǎo)致的電阻變化，控制加熱電極沿軸向的加熱功率，可方便地控制位于另一焦點(diǎn)軸上的材料沿軸線的溫度分布，并具有加熱效率高，使用安全、方便的特點(diǎn)。
下面結(jié)合附圖
對本發(fā)明做進(jìn)一步描述附圖一為反射加熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖附圖二為單橢圓反射爐內(nèi)腔截面圖附圖三為液態(tài)金屬冷卻器附圖四為三個(gè)加熱電極的多橢圓反射爐結(jié)構(gòu)示意圖附圖五為三個(gè)加熱電極的多橢圓反射爐內(nèi)腔截面圖附圖六為三個(gè)被加熱體的多橢圓反射爐結(jié)構(gòu)示意圖附圖七為三個(gè)被加熱體的多橢圓反射爐內(nèi)腔截面圖實(shí)施例一實(shí)施中，考慮人工晶體生長系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成加熱部分、冷卻部分、進(jìn)給部分。系統(tǒng)按如下工作模式運(yùn)行合金棒放入耐火材料坩堝內(nèi)，整個(gè)坩堝置于反射加熱爐內(nèi)使合金熔化后，從上向下進(jìn)入液態(tài)金屬冷卻器進(jìn)行定向凝固。
本實(shí)施例采用單橢圓反射加熱方法。
加熱部分主要由單橢圓柱面爐腔[11]、加熱電極[22]、電極夾持端子[20][23]、坩堝[6]組成。
橢圓柱面爐腔的橫截面形狀為橢圓形，半長軸為90毫米，焦點(diǎn)間距離為120毫米，壁厚2.5毫米，壁高200毫米，最大加熱長度為200毫米；橢圓柱上、下端面分別焊接蓋板[8][14]，使之成為一密閉的反射腔。在一個(gè)焦點(diǎn)上，上、下蓋板留出內(nèi)徑分別為20、30毫米的階梯孔，以引入坩堝[6]，同時(shí)下蓋板留出與冷卻裝置相連接的接口。在另一焦點(diǎn)上留出安裝電極的階梯孔，內(nèi)徑分別為20、30毫米。
反射爐腔體[11]材料選用軋制鋁，采用雙層水套結(jié)構(gòu)，有進(jìn)水口[12]和出水口[10]。其內(nèi)表面首先用數(shù)控機(jī)床慢走絲線切割進(jìn)行加工、進(jìn)一步通過超精研，使粗糙度達(dá)Ra＜0.01微米，內(nèi)表面達(dá)鏡面，再采用離子鍍在內(nèi)表面鍍金，鍍膜反射率高于98％；蓋板[8]、[14]材料為不銹鋼，厚度為10毫米，內(nèi)壁需拋光、鍍膜，表面質(zhì)量要求與反射鏡面相同；蓋板采用雙層水套結(jié)構(gòu)，有出水口[7]、[15]、入水口[9]、[13]，所有的出、入水口通過塑料管與循環(huán)水源接通，形成封閉的循環(huán)系統(tǒng)。
電極材料選用直徑為7毫米的石墨電極[22]。石墨電極[6]外套有石英管[21]，兩端分別固定在電極夾持端子[20][23]上，位于其他焦點(diǎn)。電極夾持端子[20]、[23]材料為純銅，外徑為25毫米，結(jié)構(gòu)為半月型卡盤，外焊接銅管用于水冷。電極夾持端子與不銹鋼墊片之間有橡膠材料用以絕緣，從電極夾持端子引出的導(dǎo)線與電源連接。
坩堝[6]采用高純石墨構(gòu)成，位于共焦點(diǎn)軸線位置，利用傳動裝置的三爪卡盤[5]夾持坩堝上端以固定坩堝，傳動裝置的運(yùn)動帶動坩堝在爐腔內(nèi)運(yùn)動。坩堝外套有外徑為20毫米，長為210毫米的光學(xué)石英玻璃管[19]，石英管[19]穿過上下蓋板的預(yù)留孔，固定連接在上下蓋板[8][14]上，從而將石英管固定在反射爐中。
冷卻部分[16]與反射加熱爐的下蓋板[14]通過螺栓相連，與引入坩堝[6]的共焦點(diǎn)軸同軸。采用水冷卻方式，不銹鋼雙層水套結(jié)構(gòu)，有出水口[17]、入水口[18]。
本實(shí)施例通過減速器對電機(jī)[1]進(jìn)行降速調(diào)整，減速器與滾珠絲杠[2]相連，進(jìn)而將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過絲杠副轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動，滾珠絲杠[2]上的絲杠副與雙導(dǎo)軌上的滑塊[3]相連，通過滾珠絲杠上的絲杠副驅(qū)動，帶動滑塊沿雙導(dǎo)軌導(dǎo)向做上下運(yùn)動，將傳動桿固定在滑塊上，傳動桿[4]上裝有三爪卡盤[5]用于裝夾坩堝[6]，使坩堝同時(shí)做上下運(yùn)動。
實(shí)施例二實(shí)施中，考慮一人工晶體生長系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成加熱部分、冷卻部分、進(jìn)給部分。系統(tǒng)按如下工作模式運(yùn)行合金棒放入耐火材料坩堝內(nèi)，整個(gè)坩堝置于反射加熱爐內(nèi)使合金熔化后，從上向下進(jìn)入液態(tài)金屬冷卻器進(jìn)行定向凝固。
本實(shí)施例采用三橢圓反射加熱作為該系統(tǒng)的加熱部分，可由位于共焦點(diǎn)軸的加熱電極同時(shí)對位于其他三個(gè)焦點(diǎn)的坩堝進(jìn)行加熱。
加熱部分主要由共一焦點(diǎn)的三橢圓柱面爐腔[24]、加熱電極[22]、電極夾持端子[20][23]、坩堝[6]組成。
共一焦點(diǎn)的三橢圓柱面爐腔[24]，其內(nèi)腔為共一焦點(diǎn)的三橢圓柱面體，半長軸為90毫米，焦點(diǎn)間距離為120毫米，壁厚2.5毫米，壁高200毫米，最大加熱長度為200毫米；橢圓柱爐腔[24]上、下端面分別焊接蓋板[8][14]，使之成為一密閉的反射腔。在共焦點(diǎn)位置，上、下蓋板[8][14]留出引入電極[22]的孔，直徑為20毫米，同時(shí)下蓋板[14]留出與冷卻裝置[16]相連接的接口。在另外3個(gè)焦點(diǎn)軸位置留出內(nèi)徑分別為20、30毫米的階梯孔，以引入坩堝[6]。
反射爐腔體[24]材料選用軋制鋁，以雙層水套結(jié)構(gòu)構(gòu)成，有進(jìn)水口[10]和出水口[12]。其內(nèi)表面用數(shù)控機(jī)床慢走絲線切割進(jìn)行加工、進(jìn)一步通過超精研，使粗糙度達(dá)Ra＜0.01微米，內(nèi)表面達(dá)鏡面；蓋板[8][14]材料為不銹鋼，采用雙層水套結(jié)構(gòu)，有進(jìn)水口[9][13]和出水口[7][15]，蓋板內(nèi)壁也需拋光，表面質(zhì)量要求與反射鏡面相同。
電極材料選用直徑為7毫米的石墨電極[22]。石墨電極[22]外套有石英管[21]，兩端分別固定在電極夾持端子[20][23]上，石墨電極位于共焦點(diǎn)軸線位置。電極夾持端子[20]、[23]材料為純銅，外徑為25毫米，結(jié)構(gòu)為半月型卡盤，外焊接銅管用于水冷。電極夾持端子與不銹鋼墊片之間有橡膠材料用以絕緣，從電極夾持端子引出的導(dǎo)線與電源連接。
坩堝[6]采用高純石墨構(gòu)成，位于其他焦點(diǎn)軸線位置，利用傳動裝置的三爪卡盤[5]夾持坩堝上端以固定坩堝，傳動裝置的運(yùn)動帶動坩堝在爐腔內(nèi)運(yùn)動。坩堝外套有外徑為20毫米，長為210毫米的光學(xué)石英玻璃管[19]，石英管[19]穿過上下蓋板的預(yù)留孔，固定連接在上下蓋板[8][14]上，從而將石英管固定在反射爐中。
每個(gè)坩堝均有冷卻部分[16]與反射加熱爐的下蓋板[14]通過螺栓相連，與引入坩堝[6]的共焦點(diǎn)軸同軸。采用水冷卻方式，不銹鋼雙層水套結(jié)構(gòu)，有出水口[17]、入水口[18]。
本實(shí)施例通過減速器對電機(jī)[1]進(jìn)行降速調(diào)整，減速器與滾珠絲杠[2]相連，進(jìn)而將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過絲杠副轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動，滾珠絲杠[2]上的絲杠副與雙導(dǎo)軌上的滑塊[3]相連，通過滾珠絲杠上的絲杠副驅(qū)動，帶動滑塊沿雙導(dǎo)軌導(dǎo)向做上下運(yùn)動，將傳動桿固定在滑塊上，傳動桿[4]上裝有三爪卡盤[5]用于裝夾坩堝[6]，使坩堝同時(shí)做上下運(yùn)動。
實(shí)施例三考慮一定向凝固系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成加熱部分、冷卻部分、進(jìn)給部分。系統(tǒng)按如下工作模式運(yùn)行將多個(gè)合金棒同時(shí)放入耐火材料坩堝內(nèi)，整個(gè)坩堝置于反射加熱爐內(nèi)使合金熔化后，從上向下進(jìn)入液態(tài)金屬冷卻器進(jìn)行定向凝固。本實(shí)施例采用三橢圓反射加熱作為該系統(tǒng)的加熱部分，可由位于其他焦點(diǎn)軸的加熱電極同時(shí)對位于共焦點(diǎn)的坩堝進(jìn)行加熱。
加熱部分主要由共一焦點(diǎn)的三橢圓柱面爐腔[24]、加熱電極[22]、電極夾持端子[20][23]、坩堝[6]組成。
橢圓柱面爐腔的橫截面形狀為橢圓形，半長軸為90毫米，焦點(diǎn)間距離為120毫米，壁厚2.5毫米，壁高200毫米，最大加熱長度為200毫米；橢圓柱上、下端面分別焊接蓋板[8][14]，使之成為一密閉的反射腔。在一個(gè)焦點(diǎn)上，上、下蓋板留出內(nèi)徑分別為20、30毫米的階梯孔，以引入坩堝[6]，同時(shí)下蓋板留出與冷卻裝置相連接的接口。在另一焦點(diǎn)上留出安裝電極的階梯孔，內(nèi)徑分別為20、30毫米。
反射爐腔體[24]材料選用軋制鋁，采用雙層水套結(jié)構(gòu)。其內(nèi)表面首先用數(shù)控機(jī)床慢走絲線切割進(jìn)行加工、進(jìn)一步通過超精研，使粗糙度達(dá)Ra＜0.01微米，內(nèi)表面達(dá)鏡面，再采用離子鍍在內(nèi)表面鍍鉬，鍍膜反射率高于98％；蓋板[8][14]材料為不銹鋼，厚度為10毫米，內(nèi)壁需拋光、鍍膜，表面質(zhì)量要求與反射鏡面相同；蓋板采用雙層水套結(jié)構(gòu)，有出水口[7][15]、入水口[9][13]，所有的出、入水口通過塑料管與循環(huán)水源接通，形成封閉的循環(huán)系統(tǒng)。
電極材料選用直徑為7毫米的石墨電極[22]。石墨電極[6]外套有石英管[21]，兩端分別固定在電極夾持端子[20][23]上，位于其他焦點(diǎn)。電極夾持端子[20]、[23]材料為純銅，外徑為25毫米，結(jié)構(gòu)為半月型卡盤，外焊接銅管用于水冷。電極夾持端子與不銹鋼墊片之間有橡膠材料用以絕緣，從電極夾持端子引出的導(dǎo)線與電源連接。
坩堝[6]采用高純石墨構(gòu)成，位于共焦點(diǎn)軸線位置，利用傳動裝置的三爪卡盤[5]夾持坩堝上端以固定坩堝，傳動裝置的運(yùn)動帶動坩堝在爐腔內(nèi)運(yùn)動。坩堝外套有外徑為20毫米，長為210毫米的光學(xué)石英玻璃管[19]，石英管[19]穿過上下蓋板的預(yù)留孔，固定連接在上下蓋板[8][14]上，從而將石英管固定在反射爐中。
冷卻部分[16]與反射加熱爐的下蓋板[14]通過螺栓相連，與引入坩堝[6]的共焦點(diǎn)軸同軸。采用水冷卻方式，不銹鋼雙層水套結(jié)構(gòu)，有出水口[17]、入水口[18]。
本實(shí)施例通過減速器對電機(jī)[1]進(jìn)行降速調(diào)整，減速器與滾珠絲杠[2]相連，進(jìn)而將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過絲杠副轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動，滾珠絲杠[2]上的絲杠副與雙導(dǎo)軌上的滑塊[3]相連，通過滾珠絲杠上的絲杠副驅(qū)動，帶動滑塊沿雙導(dǎo)軌導(dǎo)向做上下運(yùn)動，將傳動桿固定在滑塊上，傳動桿[4]上裝有三爪卡盤[5]用于裝夾坩堝[6]，使坩堝同時(shí)做上下運(yùn)動。
權(quán)利要求
1.一種用于晶體生長的加熱方法，其特征是采用橢圓柱鏡面反射的方法，對被加熱物體進(jìn)行加熱。
2.如權(quán)利要求1所述加熱方法，其特征是可控制對被加熱物體沿軸線的溫度分布。
3.一種用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述加熱方法的裝置，主要由反射加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)組成，其特征是該裝置的加熱系統(tǒng)可以是一內(nèi)腔為單橢圓柱面的反射加熱爐[11]，亦可是內(nèi)腔為共一焦點(diǎn)的多橢圓柱面的反射加熱爐[24]。
4.如權(quán)利要求3所述加熱裝置，其特征是坩堝[6]位于共焦點(diǎn)軸位置，其他焦點(diǎn)軸位置上裝有加熱電極[22]；亦可將該裝置的加熱電極[22]裝在共焦點(diǎn)軸位置，將坩堝[6]置于其他焦點(diǎn)軸位置上。
5.如權(quán)利要求3所述加熱裝置，其特征是爐腔[11][24]內(nèi)表面為鏡面，在加熱電極[22]及坩堝[6]上套有保護(hù)管[21]和[19]。
6.如權(quán)利要求3所述反射加熱爐，其特征是反射爐上、下覆有蓋板[8][14]，且在焦點(diǎn)位置留出安裝加熱電極[22]和引入坩堝[6]的孔，電極的夾持端子[20][23]與反射爐上、下蓋板[8][14]之間有絕緣材料。
7.如權(quán)利要求3所述加熱系統(tǒng)，其特征是在反射加熱爐的電極端子[20][23]、爐體[11]和蓋板[8][14]冷卻。
全文摘要
本發(fā)明是一種用于晶體生長的加熱方法及裝置。為克服現(xiàn)有技術(shù)中溫度場不均勻,加熱效率低,不宜控制加熱速度和溫度場精度的不足之處,本發(fā)明將加熱爐的內(nèi)表面制成橢圓柱鏡面,將被加熱體置于共焦點(diǎn)軸上,加熱電極置于其它焦點(diǎn)軸上,使多個(gè)加熱電極同時(shí)對一個(gè)被加熱體加熱;反之,亦可使一個(gè)加熱電極對多個(gè)被加熱體加熱。本發(fā)明可獲得均勻的溫度場,方便地控制材料的溫度分布,并具有加熱效率高,使用安全、方便的特點(diǎn)。
文檔編號C30B9/04GK1309196SQ0011396
公開日2001年8月22日 申請日期2000年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月6日
發(fā)明者黃衛(wèi)東, 林鑫, 王猛, 沈淑娟 申請人:西北工業(yè)大學(xué)