專利名稱：一種制備氧化鎂晶體的控溫電弧爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于晶體制備裝置技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種制備氧化鎂晶體的電熔裝置，特別涉及到一種制備氧化鎂晶體的控溫電弧爐。
背景技術(shù)：
氧化鎂晶體現(xiàn)已應(yīng)用到許多高科技領(lǐng)域，如高溫超導(dǎo)器件的薄膜生長基片、半導(dǎo)體材料的襯底基片、等離子顯示器保護膜、高溫高精度光學(xué)材料和高溫坩堝材料等。在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域，氧化鎂晶體作為薄膜生長基片和半導(dǎo)體材料的襯底駐基片同其它材料相比(如砷化鎵、金剛石、白藍寶石等)具有明顯的價格優(yōu)勢，且性能良好。我國雖然具有菱鎂礦石儲量大的資源優(yōu)勢，但國內(nèi)氧化鎂工業(yè)的現(xiàn)狀還比較落后，主要是以生產(chǎn)低端初級產(chǎn)品為主，精加工的高端產(chǎn)品還主要依靠進口。氧化鎂晶體屬于氧化鎂高端產(chǎn)品中的高級產(chǎn)品，科技含量高，附加值大。因此高質(zhì)量氧化鎂晶體產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)，對開發(fā)我國特有的資源優(yōu)勢有著十分重要的意義。
目前生產(chǎn)氧化鎂晶體的主流技術(shù)是電弧爐熔融法。主要通過高溫電弧作熱源在原料中心形成熔體，在加熱過程停止后熔體經(jīng)自然冷卻得到晶體。傳統(tǒng)的電弧爐的結(jié)構(gòu)較為簡單，爐殼是由耐火磚與鋼殼構(gòu)成，電極的功率和位置控制主要是靠經(jīng)驗手動操作。
根據(jù)《晶體生長科學(xué)與技術(shù)》(張可從，張樂潓，科學(xué)出版社，1997)中記載，理想的加熱過程既要能在原料中形成穩(wěn)定的熔池，又要能使熔池保持足夠長的時間以利排渣和純化過程的進行。另外，過冷度是晶體生長的原動力，好的冷卻過程必須能夠在熔體中產(chǎn)生合適的過冷度，以利于籽晶的析出和長大?？傊?，晶體制備過程中的核心問題是溫度場的控制問題，也就是對裝置加熱過程和散熱過程的控制問題。
現(xiàn)有的電弧爐技術(shù)的主要缺點如爐殼結(jié)構(gòu)過于簡單，電弧的控制過程粗糙，熔體的自然冷卻過程可靠性差效率低等，都造成了裝置內(nèi)部溫度場的可控性差，從而在很大程度上制約了晶體產(chǎn)量和質(zhì)量的提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠有效控制晶體生長所需溫度場的電弧加熱裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)控溫能力差的問題，并提高晶體的產(chǎn)量和質(zhì)量。
本發(fā)明技術(shù)方案的核心思想是，為了適應(yīng)電弧加熱的技術(shù)特點，通過對保溫材料、水冷設(shè)備、感溫探頭和計算機控制技術(shù)的綜合運用在熔體中形成水平方向等溫，垂直方向自上而下遞減的溫度場，提供一個有利于晶體生長的溫度環(huán)境。
本發(fā)明技術(shù)方案的原理是，在起弧后隨著電極的緩慢提升，電極下方的熔池將在垂直方向逐漸擴大。由于距離熱源最遠，熔池最下端的溫度將會最先達到結(jié)晶點，籽晶也是最早從這里析出并長大，為了加快籽晶的析出需要提高這一區(qū)域的過冷度。另外，最早形成的晶體必須能夠?qū)ё邚母邷厝垠w中傳來的熱量和晶體生長過程中釋放的結(jié)晶潛熱才能繼續(xù)長大。所以有必要在爐底引入冷卻機構(gòu)，以提供足夠的過冷度和必要的散熱手段來滿足晶體生長的需要。目前認識到只有通過高溫電弧熱源和冷卻機構(gòu)的合理配合才能為晶體生長提供足夠的過冷度以及充足的排渣和純化時間，而實現(xiàn)這一功能的前提是要布置合適的感溫裝置來完成對爐內(nèi)溫度的實時采集。另外，在水平方向的溫度梯度要盡可能小才能使晶體直徑的進一步擴大成為可能，因此有必要在水平方向采取有效的保溫措施。
根據(jù)以上原理給出下面的技術(shù)方案。該技術(shù)方案中的圓柱形爐殼的側(cè)壁為中間帶有氣隙的雙層保溫材料，在內(nèi)層保溫材料的外表面分布有感溫探頭；圓柱形爐殼的底板為金屬材料制成，在爐底的外表面也分布有感溫探頭；爐底布置有水冷裝置，該裝置可通過一個計算機控制的水冷裝置升降機構(gòu)實現(xiàn)與爐底的接觸和分離，另外，該裝置的上表面也分布有感溫探頭；電極控制機構(gòu)能夠控制電弧的位置和功率；控制計算機將根據(jù)爐溫的數(shù)學(xué)模型和從感溫探頭中采集到的數(shù)據(jù)來控制電弧以及水冷裝置的工作狀態(tài)。
本發(fā)明的有益效果如下，依據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案所設(shè)計的電弧爐能夠提供適宜的晶體生長環(huán)境，大幅度提高氧化鎂晶體的產(chǎn)量和質(zhì)量，提高了電能的利用率有效地降低了成本。另外，該技術(shù)的也可以用來生長其他高溫晶體。


圖1是現(xiàn)有電弧爐的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1電極，2熔池，3填料，4耐火磚，5鋼殼。
圖2是本發(fā)明的一個具體實施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中6內(nèi)保溫層，7氣隙，8外保溫層，9金屬底板，10水冷裝置，11冷卻水進口，12冷卻水出口，13升降連桿，14水冷裝置升降機構(gòu)，15電極控制機構(gòu)，16控制計算機，17感溫探頭，18傳感器信號線，19控制信號線。
具體實施例方式
下面結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的具體實施例。
圓柱形爐殼的側(cè)壁由內(nèi)保溫層6由鎂碳磚構(gòu)成，外保溫層8由玻璃鋼構(gòu)成，兩層材料之間存在有氣隙7，這樣的結(jié)構(gòu)可以有效地防止熔體水平方向熱量的散失。爐底的金屬底板9為不銹鋼板，該底板起到導(dǎo)熱和支撐的雙重作用。為了完成對爐內(nèi)溫度場的實時測量，內(nèi)保溫層的外表面、金屬底板的下表面以及水冷裝置的上表面均勻分布有感溫探頭17(通常每平方米設(shè)置一個)，這些探頭通過傳感器信號線18將所測得的溫度數(shù)據(jù)送入控制計算機16。為了在爐底提供可控的散熱手段，爐底下方布置有可升降的水冷裝置10，其帶有冷卻水進口11和冷卻水出口12，水冷裝置升降機構(gòu)14通過升降連桿13使水冷裝置完成與底板的接觸與分離，從而達到控制熔體中熱量散失速度的目的。另外，電極控制機構(gòu)15可以完成對電弧功率和位置的控制?？刂朴嬎銠C根據(jù)從探頭中得到的溫度數(shù)據(jù)和預(yù)先設(shè)定的溫度場方程計算得到控制參量，在將其轉(zhuǎn)化成將控制信號后通過控制信號線19送入相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)以完成對爐內(nèi)溫度場的控制。通過這些措施的應(yīng)用可以在熔體中形成水平方向等溫，垂直方向自上而下遞減的溫度場，從而為晶體的生長創(chuàng)造出一個適宜的溫度環(huán)境。
在相同的原料和電能消耗的情況下，本電弧爐的晶體產(chǎn)量和質(zhì)量較普通電弧爐都有大幅度的提高，能夠在短時間內(nèi)收回投資并取得良好的經(jīng)濟效益。
權(quán)利要求
1.制備氧化鎂晶體的控溫電弧爐，由爐殼、電極(1)、電極控制機構(gòu)(15)、水冷裝置(10)、水冷裝置升降機構(gòu)(14)、感溫探頭(17)和控制計算機(16)組成，其特征是(a).爐體側(cè)壁由內(nèi)保溫層(6)，外保溫層(8)和它們之間的氣隙(7)構(gòu)成，爐體下壁是由金屬底板(9)構(gòu)成；(b).內(nèi)保溫層的外表面，金屬底板的下表面以及水冷裝置的上表面均勻分布有感溫探頭(17)；(c).根據(jù)控制計算機發(fā)出的控制信號，布置在爐底的水冷裝置在水冷裝置升降機構(gòu)(14)的驅(qū)動下實現(xiàn)與金屬底板的接觸與分離。
全文摘要
本發(fā)明屬于晶體制備裝置技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種制備氧化鎂晶體的電熔裝置，特別涉及到一種制備氧化鎂晶體的控溫電弧爐。本發(fā)明通過對保溫材料，水冷設(shè)備，感溫探頭和計算機控制技術(shù)的綜合運用來產(chǎn)生適宜晶體生長的溫度場。依靠探頭采集的數(shù)據(jù)和預(yù)先設(shè)定的溫度場方程，計算機發(fā)出冷卻機構(gòu)和電弧功率和位置的控制信號并送到相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，完成對爐內(nèi)溫度場的調(diào)節(jié)。本發(fā)明的效果和益處是依據(jù)本發(fā)明設(shè)計的電弧爐能夠大幅度提高氧化鎂晶體的產(chǎn)量和質(zhì)量，同時提高了電能的利用率有效地降低了成本。另外，該技術(shù)也可用于生產(chǎn)其他高溫晶體。
文檔編號C04B2/00GK1632435SQ200410100460
公開日2005年6月29日 申請日期2004年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月21日
發(fā)明者王寧會, 王曉臣, 黃耀, 戚棟, 吳彥, 李國鋒 申請人:大連理工大學(xué)