專利名稱：多溫區(qū)發(fā)熱體及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及晶體生長(zhǎng)，特別是一種應(yīng)用于晶體生長(zhǎng)爐的可以有效建立合適溫度梯度場(chǎng)的多溫區(qū)發(fā)熱體及其制作方法。
背景技術(shù)：
生長(zhǎng)高質(zhì)量的晶體的一個(gè)很重要的條件就是要有一個(gè)合適的溫度場(chǎng)。生長(zhǎng)系統(tǒng)中的溫度分布或者說(shuō)晶體中、熔體中以及固-液界面上的溫度梯度對(duì)晶體的質(zhì)量有決定性的影響。然而，不同的晶體有不同的特性，需要控制的主要缺陷也往往不同，它們對(duì)于溫場(chǎng)條件的要求自然也不相同。因此，所謂合適的溫場(chǎng)并沒(méi)有一個(gè)嚴(yán)格的判據(jù)。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于摻雜晶體需要有大的溫度梯度(特別是界面附近)，而不摻雜的晶體或者容易開(kāi)裂的晶體，需要采用較小的溫度梯度；另外，一般采用平的(或微凸)的界面來(lái)生長(zhǎng)晶體時(shí)，則有助于晶體均勻性的改善。不過(guò)，在特定的條件下，采用凸界面生長(zhǎng)晶體也有它有利的一面。當(dāng)然，生長(zhǎng)任何晶體都要求有一個(gè)徑向?qū)ΨQ分布的熱環(huán)境?？傊粋€(gè)優(yōu)化的生長(zhǎng)系統(tǒng)要求溫場(chǎng)具有較靈活的可調(diào)節(jié)性，以滿足不同晶體的生長(zhǎng)需要。
晶體生長(zhǎng)過(guò)程中溫度場(chǎng)的分布主要由保溫層的構(gòu)造、坩堝在發(fā)熱體中的位置以及冷卻介質(zhì)的流量等因素決定。其中改變坩堝的位置及冷卻介質(zhì)的流量對(duì)溫場(chǎng)的調(diào)節(jié)效果有限，而改變保溫層的設(shè)置雖然可以達(dá)到較為理想的調(diào)節(jié)效果，但其實(shí)現(xiàn)周期較長(zhǎng)，且需要耗費(fèi)大量的人力物力。值得注意的是，晶體生長(zhǎng)所需的熱量是由發(fā)熱體產(chǎn)生并通過(guò)輻射的方式施加至生長(zhǎng)區(qū)的，如能使發(fā)熱體直接產(chǎn)生溫度梯度，則是調(diào)節(jié)溫場(chǎng)分布最為有效的方法。
目前，在電阻加熱的提拉法(參見(jiàn)Chemical Engineering Science 2004，591437～1457)、熱交換法(參見(jiàn)Journal of Crystal Growth 1979，46601-606)、溫梯法(參見(jiàn)Journal of Crystal Growth 1998，193123-126)等晶體生長(zhǎng)爐中，多采用簡(jiǎn)單的波浪式回路發(fā)熱體，這種發(fā)熱體自身不產(chǎn)生溫度梯度；在多發(fā)熱體提拉法、布里奇曼法和雙加熱溫梯法中，雖然可以多個(gè)分立的發(fā)熱體來(lái)產(chǎn)生溫度梯度，但它大大增加了設(shè)備的成本和控制的難度，也影響溫場(chǎng)的穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是改進(jìn)上述現(xiàn)有發(fā)熱體的設(shè)計(jì)，提供一種用于晶體生長(zhǎng)的多溫區(qū)發(fā)熱體及其制作方法，使溫場(chǎng)的建立更經(jīng)濟(jì)、快捷，增加溫場(chǎng)調(diào)節(jié)的靈活性，即對(duì)發(fā)熱體進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)整就可以適用于不同種類晶體的生長(zhǎng)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種用于晶體生長(zhǎng)的多溫區(qū)發(fā)熱體的制作方法，該方法是將不同阻值的發(fā)熱元件組合在一起，或?qū)σ粋€(gè)發(fā)熱筒體進(jìn)行開(kāi)槽處理，形成一串連的具有不同電阻值的加熱電路。
采用石墨、鉬、鎢或其他發(fā)熱體材料制備幾組寬度不同的發(fā)熱體板條，該板條的厚度、長(zhǎng)度和數(shù)量視所需的溫場(chǎng)而定，采用鉚接、焊接或其它方式將同一阻值板條的左上部和右下部間隔地相互串連接在一起形成幾組波狀發(fā)熱元件，再將這幾組不同阻值的元件連接在一起形成一串連電路。
采用石墨、鉬、鎢或其他發(fā)熱體材料制成發(fā)熱筒，然后在發(fā)熱筒上開(kāi)槽，通過(guò)改變槽的間隔來(lái)改變發(fā)熱元件的阻值，形成由多個(gè)不同阻值區(qū)段相互串連的整體。
所述的多溫區(qū)發(fā)熱體由下列三個(gè)發(fā)熱元件組按下列方式構(gòu)成發(fā)熱元件組A由兩塊弦寬為2WA、高度為HA、厚度為T(mén)的圓弧形發(fā)熱的第一瓦片和第二瓦片組成，它們相對(duì)堅(jiān)直地放置在一直徑為D的圓上，并保持彼此之間不接觸；發(fā)熱元件組B由八塊弦寬為WB、高度為HB、厚度為T(mén)的圓弧形發(fā)熱瓦片構(gòu)成，其中任意兩個(gè)第三瓦片、第四瓦片為一組，第三瓦片的右下角與第四瓦片的左下角相連，其余部分不接觸，形成一個(gè)“U形”元件，如此每?jī)蓚€(gè)瓦片相連，形成四個(gè)“U形”元件；將這四個(gè)“U形”元件依次堅(jiān)直放置在直徑為D的圓上，并保持彼此之間不接觸；發(fā)熱元件組C由十六塊弦寬為WC、高度為HC、厚度為T(mén)的圓弧形發(fā)熱瓦片構(gòu)成，其中任意四個(gè)第五瓦片、第六瓦片、第七瓦片、第八瓦片為一組，第五瓦片的右上角與第六瓦片的左上角相連，第六瓦片的右下角與第七瓦片的左下角相連，第七瓦片的右上角與第八瓦片的左上角相連，其余部分不接觸，形成一個(gè)“M形”元件；如此每四個(gè)瓦片相連，形成四個(gè)“M形”元件；將這四個(gè)“M形”元件依次堅(jiān)直放置于直徑為D的圓上，并保持彼此之間不接觸；
發(fā)熱元件組A與發(fā)熱元件組B的連接方式為發(fā)熱元件組A中兩個(gè)第一瓦片、第二瓦片的頂面分別與發(fā)熱元件組B中兩個(gè)相對(duì)的“U形”元件的底面相連，其余部分不接觸；發(fā)熱元件組B與發(fā)熱元件組C的連接方式為發(fā)熱元件組B中任一個(gè)“U形”元件的兩個(gè)頂面分別與發(fā)熱元件組C中兩個(gè)“M形”元件的相鄰的兩個(gè)瓦片的底面相連。
所述的發(fā)熱元件之間的連接為焊接、鉚接，或通過(guò)對(duì)完整的發(fā)熱筒開(kāi)槽時(shí)保持連接部分不割斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。
所述的三個(gè)發(fā)熱元件組A、B、C的高度HA、HB、HC分別介于0與發(fā)熱體的總高度H之間，并且HA+HB+HC＝H。
本發(fā)明多溫區(qū)發(fā)熱體的特點(diǎn)如下1、是具有多個(gè)阻值區(qū)段，可以產(chǎn)生多個(gè)溫區(qū)，并且可以通過(guò)調(diào)整各個(gè)阻值段的高度和比例來(lái)靈活地調(diào)整溫場(chǎng)的分布。
2、本發(fā)明的發(fā)熱體各個(gè)阻值區(qū)段有機(jī)地連接成一個(gè)整體，使得生長(zhǎng)系統(tǒng)只需要一套溫度控制裝置，這不僅簡(jiǎn)化了操作，降低了成本，還有利于保持溫場(chǎng)的穩(wěn)定。
3、本發(fā)明的發(fā)熱體特別適用于垂直溫度梯法晶體生長(zhǎng)爐，也適用于其它電阻加熱的晶體生長(zhǎng)方法，如電阻加熱提拉法、布里奇曼法、熱交換法中。


圖1為本發(fā)明多溫區(qū)發(fā)熱體具體實(shí)施例的剖視結(jié)構(gòu)示意2為按照本發(fā)明制作的幾個(gè)石墨發(fā)熱體實(shí)施例應(yīng)用于溫梯法晶體生長(zhǎng)爐時(shí)生長(zhǎng)區(qū)內(nèi)的軸向溫度分布具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
先請(qǐng)參閱圖1，圖1為本發(fā)明多溫區(qū)發(fā)熱體的一個(gè)實(shí)施例的剖視結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見(jiàn)，本發(fā)明所述的多溫區(qū)發(fā)熱體，由下列三個(gè)發(fā)熱元件組按下列方式構(gòu)成發(fā)熱元件組A由兩塊弦寬為2WA、高度為HA、厚度為T(mén)的圓弧形發(fā)熱的第一瓦片1和第二瓦片2組成，它們相對(duì)堅(jiān)直地放置在一直徑為D的圓上，并保持彼此之間不接觸；
發(fā)熱元件組B由八塊弦寬為WB、高度為HB、厚度為T(mén)的圓弧形發(fā)熱瓦片構(gòu)成，其中任意兩個(gè)第三瓦片3、第四瓦片4為一組，第三瓦片3的右下角與第四瓦片4的左下角相連，其余部分不接觸，形成一個(gè)“U形”元件，如此每?jī)蓚€(gè)瓦片相連，形成四個(gè)“U形”元件；將這四個(gè)“U形”元件依次堅(jiān)直放置在直徑為D的圓上，并保持彼此之間不接觸；發(fā)熱元件組C由十六塊弦寬為WC、高度為HC、厚度為T(mén)的圓弧形發(fā)熱瓦片構(gòu)成，其中任意四個(gè)第五瓦片5、第六瓦片6、第七瓦片7、第八瓦片8為一組，第五瓦片5的右上角與第六瓦片6的左上角相連，第六瓦片6的右下角與第七瓦片7的左下角相連，第七瓦片7的右上角與第八瓦片8的左上角相連，其余部分不接觸，形成一個(gè)“M形”元件；如此每四個(gè)瓦片相連，形成四個(gè)“M形”元件；將這四個(gè)“M形”元件依次堅(jiān)直放置于直徑為D的圓上，并保持彼此之間不接觸；發(fā)熱元件組A與發(fā)熱元件組B的連接方式為發(fā)熱元件組A中兩個(gè)第一瓦片1、第二瓦片2的頂面分別與發(fā)熱元件組B中兩個(gè)相對(duì)的“U形”元件的底面相連，其余部分不接觸；發(fā)熱元件組B與發(fā)熱元件組C的連接方式為發(fā)熱元件組B中任一個(gè)“U形”元件的兩個(gè)頂面分別與發(fā)熱元件組C中兩個(gè)“M形”元件的相鄰的兩個(gè)瓦片的底面相連。
所述的三個(gè)發(fā)熱元件組A、B、C的高度HA、HB、HC分別介于0與發(fā)熱體的總高度H之間，并且HA+HB+HC＝H?？梢匀我飧囊馑鼈冎g的高度比，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫場(chǎng)的調(diào)整。
下面是具體實(shí)施例實(shí)施例1采用高純石墨電阻發(fā)熱材料制成外徑為D＝119mm，壁厚T＝4.5mm，高H＝260mm的筒。按本發(fā)明所述對(duì)發(fā)熱體進(jìn)行開(kāi)槽，其中HA＝45mm，HB＝215mm，HC＝0；WA＝45mm，WB＝43mm，WC＝0mm。將發(fā)熱體置于溫梯法晶體生長(zhǎng)爐中，關(guān)閉爐膛，抽真空，充高純氬氣后升溫，測(cè)得晶體生長(zhǎng)區(qū)的溫度分布情況，如圖2中1#線。
實(shí)施例2采用高純石墨電阻發(fā)熱材料制成外徑為D＝119mm，壁厚T＝4.5mm，高H＝260mm的筒。按本發(fā)明所述對(duì)發(fā)熱體進(jìn)行開(kāi)槽，其中HA＝115mm，HB＝145mm，HC＝0；WA＝45mm，WB＝43mm，WC＝0mm。將發(fā)熱體置于溫梯法晶體生長(zhǎng)爐中，關(guān)閉爐膛，抽真空，充高純氬氣后升溫，測(cè)得晶體生長(zhǎng)區(qū)的溫度分布情況，如圖2中2#線。
實(shí)施例3采用高純石墨電阻發(fā)熱材料制成外徑為D＝119mm，壁厚T＝4.5mm，高H＝260mm的筒。按本發(fā)明所述對(duì)發(fā)熱體進(jìn)行開(kāi)槽，其中HA＝45mm，HB＝180mm，HC＝35mm；WA＝45mm，WB＝43mm，WC＝20mm。將發(fā)熱體置于溫梯法晶體生長(zhǎng)爐中，關(guān)閉爐膛，抽真空，充高純氬氣后升溫，測(cè)得晶體生長(zhǎng)區(qū)的溫度分布情況，如圖2中3#線。
實(shí)施例4采用高純石墨電阻發(fā)熱材料制成外徑為D＝119mm，壁厚T＝4.5mm，高H＝260mm的筒。按本發(fā)明所述對(duì)發(fā)熱體進(jìn)行開(kāi)槽，其中HA＝115mm，HB＝110mm，HC＝35mm；WA＝45mm，WB＝43mm，WC＝20mm。將發(fā)熱體置于溫梯法晶體生長(zhǎng)爐中，關(guān)閉爐膛，抽真空，充高純氬氣后升溫，測(cè)得晶體生長(zhǎng)區(qū)的溫度分布情況，如圖2中4#線。
權(quán)利要求
1.一種用于晶體生長(zhǎng)的多溫區(qū)發(fā)熱體的制作方法，特征在于該方法是將不同阻值的發(fā)熱元件組合在一起，或?qū)σ粋€(gè)發(fā)熱筒體進(jìn)行開(kāi)槽處理，形成一串連的具有不同電阻值的加熱電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1多溫區(qū)發(fā)熱體的構(gòu)成方法，其特征在于采用石墨、鉬、鎢或其他發(fā)熱體材料制備幾組寬度不同的發(fā)熱體板條，該板條的厚度、長(zhǎng)度和數(shù)量視所需的溫場(chǎng)而定，采用鉚接、焊接或其它方式將同一阻值板條的左上部和右下部間隔地相互串連接在一起形成幾組波狀發(fā)熱元件，再將這幾組不同阻值的元件連接在一起形成一串連電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多溫區(qū)發(fā)熱體的構(gòu)成方法，其特征在于采用石墨、鉬、鎢或其他發(fā)熱體材料制成發(fā)熱筒，然后在發(fā)熱筒上開(kāi)槽，通過(guò)改變槽的間隔來(lái)改變發(fā)熱元件的阻值，形成由多個(gè)不同阻值區(qū)段相互串連的整體。
4.采用權(quán)利要求1所述方法制作的多溫區(qū)發(fā)熱體，其特征在于該多溫區(qū)發(fā)熱體由下列三個(gè)發(fā)熱元件組按下列方式構(gòu)成發(fā)熱元件組A由兩塊弦寬為2WA、高度為HA、厚度為T(mén)的圓弧形發(fā)熱的第一瓦片(1)和第二瓦片(2)組成，它們相對(duì)堅(jiān)直地放置在一直徑為D的圓上，并保持彼此之間不接觸；發(fā)熱元件組B由八塊弦寬為WB、高度為HB、厚度為T(mén)的圓弧形發(fā)熱瓦片構(gòu)成，其中任意兩個(gè)第三瓦片(3)、第四瓦片(4)為一組，第三瓦片(3)的右下角與第四瓦片(4)的左下角相連，其余部分不接觸，形成一個(gè)“U形”元件，如此每?jī)蓚€(gè)瓦片相連，形成四個(gè)“U形”元件；將這四個(gè)“U形”元件依次堅(jiān)直放置在直徑為D的圓上，并保持彼此之間不接觸；發(fā)熱元件組C由十六塊弦寬為WC、高度為HC、厚度為T(mén)的圓弧形發(fā)熱瓦片構(gòu)成，其中任意四個(gè)第五瓦片(5)、第六瓦片(6)、第七瓦片(7)、第八瓦片(8)為一組，第五瓦片(5)的右上角與第六瓦片(6)的左上角相連，第六瓦片(6)的右下角與第七瓦片(7)的左下角相連，第七瓦片(7)的右上角與第八瓦片(8)的左上角相連，其余部分不接觸，形成一個(gè)“M形”元件；如此每四個(gè)瓦片相連，形成四個(gè)“M形”元件；將這四個(gè)“M形”元件依次堅(jiān)直放置于直徑為D的圓上，并保持彼此之間不接觸；發(fā)熱元件組A與發(fā)熱元件組B的連接方式為發(fā)熱元件組A中兩個(gè)第一瓦片(1)、第二瓦片(2)的頂面分別與發(fā)熱元件組B中兩個(gè)相對(duì)的“U形”元件的底面相連，其余部分不接觸；發(fā)熱元件組B與發(fā)熱元件組C的連接方式為發(fā)熱元件組B中任一個(gè)“U形”元件的兩個(gè)頂面分別與發(fā)熱元件組C中兩個(gè)“M形”元件的相鄰的兩個(gè)瓦片的底面相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多溫區(qū)發(fā)熱體，其特征在于所述的發(fā)熱元件之間的連接為焊接、鉚接，或通過(guò)對(duì)完整的發(fā)熱筒開(kāi)槽時(shí)保持連接部分不割斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多溫區(qū)發(fā)熱體，其特征在于所述的三個(gè)發(fā)熱元件組A、B、C的高度HA、HB、HC分別介于0與發(fā)熱體的總高度H之間，并且HA+HB+HC＝H。
全文摘要
一種用于晶體生長(zhǎng)的多溫區(qū)發(fā)熱體及其制作方法，該方法是將不同阻值的發(fā)熱元件組合在一起，或?qū)σ粋€(gè)發(fā)熱筒體進(jìn)行開(kāi)槽處理，形成一串連的具有不同電阻值的加熱電路發(fā)熱體。電流通過(guò)不同阻值區(qū)段時(shí)產(chǎn)生不同的熱量，從而形成不同的溫區(qū)；通過(guò)改變各區(qū)段之間相對(duì)的阻值大小或長(zhǎng)度大小，可以改變各溫區(qū)的作用范圍和梯度值。本發(fā)明不僅有利提高設(shè)置溫場(chǎng)的靈活性，降低生長(zhǎng)控制的難度和成本，還有利于保持溫場(chǎng)的穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)C30B35/00GK101086085SQ200710041248
公開(kāi)日2007年12月12日 申請(qǐng)日期2007年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月25日
發(fā)明者李紅軍, 蘇良碧, 徐軍, 錢(qián)小波, 周?chē)?guó)清 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所