專利名稱：垂直梯度凝固晶體生長爐中兩段式側加熱器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及晶體生長領域，特別是采用采用垂直梯度凝固技術(VGF)生長單晶時，加熱系統(tǒng)的設計。
背景技術：
VGF(垂直梯度凝固)技術已成為生長大直徑、低位錯單晶的主流技術之一，其最 大的優(yōu)點在于能夠在晶體生長的固-液界面處形成較小的溫度梯度。保證熱場的對稱性、 維持熱場的穩(wěn)定是VGF熱場設計的關鍵。而在晶體系統(tǒng)中側加熱器為主加熱器，其決定著 熱場的性質，故側加熱系統(tǒng)的設計是整個晶體生長系統(tǒng)的核心內容之一。目前VGF單晶生 長系統(tǒng)中側加熱采用線圈加熱和高純石墨加熱兩種，由于線圈在高溫下會導致金屬的揮 發(fā)，會對爐內造成污染，常用在具有封閉系統(tǒng)的晶體生長中；而高純石墨在高溫下，具有較 好的化學穩(wěn)定性，常被用在純凈的環(huán)境中，如生長半導體單晶等。目前石墨加熱器的支撐結 構通常采用底部支撐結構，如專利US 0087125,US 5698029等。這種裝配方式固然簡潔，但 是當需放入原料、取料以及對加熱器拆卸維護時，均需將外邊的絕熱層一一去除，然后再逐 一拆分，于是給生產及設備維護帶來很大的不便。
發(fā)明內容本實用新型的目的是提供一垂直梯度凝固晶體生長爐中多段式側加熱器，該加熱 器可通過控制各加熱器的功率，滿足VGF技術生長單晶的熱場條件包括合理的溫度梯度、 固-液界面形狀、熱流方向等；保證熱場具有較高的對稱性，并抑制熱場的溫度波動，維持 熱場穩(wěn)定；提高熱能的利用率；便于拆卸與維護；便于裝料、取料。為實現(xiàn)以上目的，本實用新型采用以下技術方案垂直梯度凝固晶體生長爐中多段式側加熱器，它包括石墨套筒、位于石墨套筒內 的上加熱器、下加熱器，石墨套筒內上加熱器與固定在上爐蓋板上的石墨電極相連，上加熱 器以氮化硼與石墨套筒連接；或上加熱器以石墨塊支撐，石墨套筒與固定在上爐蓋板上的 電極相連接；下加熱器裝在石墨套筒內，以石墨塊支撐，石墨套筒與固定在上爐蓋板上的電 極相連接，石墨套筒以螺絲固定于上爐蓋板上。石墨套筒由兩半圓形石墨圓筒組成。石墨套筒由1/4或1/8或1/10圓弧狀長板電極組成。下組加熱器為多段加熱器，段的數(shù)量為1 5個。采用高純石墨制作加熱器，并按以下兩種方式安裝(1)上加熱器直接與固定在上爐蓋板上的石墨電極相連，而下加熱器首先預裝在 兩半圓形石墨圓筒內后與固定在上爐蓋上的電極相連接，其結構與分布如圖2中7、9所示； 安裝完成后兩組加熱器均位于石墨套筒內，(2)采用1/4圓弧狀長板電極，分別將上加熱器、下加熱器連接起來。安裝完成后， 兩組加熱器位于長板狀電極所圍成的石墨套筒內。兩者的共同點是在石墨加熱器外形成一完整的石墨套筒，上、下加熱器的位置分布如圖2所示。石墨套筒將加熱器發(fā)出的熱量吸收再發(fā)射、反射等再次輸送到晶體生長的核心區(qū)域，從而起到均熱、提高熱能利用效率的作用；由于減小了加熱器外側熱流損失，故能促進 形成軸向的熱流；將石墨套筒固定在和爐蓋相連接的絕緣、隔熱性能較好的蓋板上，通過外 部絲杠升降時，側加熱系統(tǒng)隨著升降，從而使得側加熱系統(tǒng)可以方便完整的取出或放入，由 此方便了加熱器的拆卸維護，以及晶體生長過程中的取料和裝料；考慮不同材料的性質，如 揮發(fā)性、熱導率、透明度等，來調整上下加熱器的功率，使上下加熱器之間形成一定的溫差， 從而滿足晶體生長的工藝條件。本實用新型的優(yōu)點與背景技術相比，懸掛式側加熱系統(tǒng)，可以整體隨爐蓋上移 后，整體拆卸，不需拆卸加熱系統(tǒng)外的絕熱層，故給設備維護和裝料、取料帶來了很大的方 便。采用長板狀電極，在側加熱系統(tǒng)外側形成一完整的石墨圓筒，石墨圓筒可以吸收再輻 射、反射加熱器的熱量，這樣不僅提高了熱能的利用效率，而且使得熱場具有較好的對稱性 和穩(wěn)定性。

圖1為垂直梯度凝固單晶爐結構示意圖圖2為本發(fā)明的一種兩段加熱器結構示意圖圖3為1/4圓弧狀長板電極組成的石墨套筒圖1、圖2、圖3中，1為坩堝，2加熱器，3為絕熱層，4為爐體外殼，5為上爐蓋板，6 為鉬螺絲，7為上加熱器，9為氮化硼，10為下加熱器，11為石墨塊，8為圓弧狀長板電極，12 為螺孔。
具體實施方式
安裝方案一將上加熱器直接與石墨電極相連，而下加熱器先預裝在由兩半圓柱 形石墨圓桶組成的石墨筒，將石墨套筒與電極相連。為保證石墨電極的安全，不能讓石墨 電極受力，在石墨套筒上安裝對稱的兩BN塊以支撐上加熱器，下加熱器采用石墨塊支撐連 接，而石墨套筒則采用鉬螺栓固定于上爐蓋板上，這樣通過爐體外側的絲杠將爐蓋升起或 降低時，石墨套筒連同加熱器一起移出或裝入爐體內。安裝方案二 采用1/4圓柱狀長板將上、下加熱器連接起來，在連接部位采用石墨 塊支撐各加熱器，安裝完成后，在兩加熱器外形成一完整的石墨套筒，然后將石墨套筒分別 與石墨電極相連接。為保證安裝電極的安全，不讓石墨電極受力，石墨套筒采用鉬螺栓固定 到爐蓋板上。這樣通過爐體外側的絲杠將爐蓋升起或降低時，石墨套筒連同加熱器一起移 出或裝入爐體內。加熱方案(使用方法)滿足晶體生長的溫度梯度，主要依賴于兩個參數(shù)，熱場中 的位置和上下加熱器之間的溫差。生長不同晶體時，綜合考慮晶體的性質、晶體的生長效率 以及晶體質量各方面的因素，上下加熱器之間采用不同的溫差。例如，生長6英寸低位錯的 GaAs單晶時，為降低晶體中的熱應力，生長界面附近的溫度梯度應小于5K/cm，同時還應考 慮熔持在15°C左右。而當生長像Ge這樣的元素半導體時，由于Ge熔體的熱導率很大，為維 持晶體生長界面的穩(wěn)定性，應適當提高熔體中的溫度梯度，故此時上下加熱器的溫差一般在50°C 左右。
權利要求垂直梯度凝固晶體生長爐中兩段式側加熱器，其特征在于它包括石墨套筒、位于石墨套筒內的上加熱器、下加熱器，石墨套筒內上加熱器與固定在上爐蓋板上的石墨電極相連，上加熱器以氮化硼與石墨套筒連接，下加熱器裝在石墨套筒內，以石墨塊支撐，石墨套筒與固定在上爐蓋板上的電極相連接，石墨套筒以螺絲固定于上爐蓋板上。
2.根據(jù)權利要求1所述的垂直梯度凝固晶體生長爐中兩段式側加熱器，其特征在于 石墨套筒由兩半圓形石墨圓筒組成。
3.根據(jù)權利要求1所述的垂直梯度凝固晶體生長爐中兩段式側加熱器，其特征在于 石墨 套筒由1/4或1/8或1/10圓弧狀長板電極組成。
專利摘要垂直梯度凝固晶體生長爐中兩段式側加熱器，它包括石墨套筒、位于石墨套筒內的上加熱器、下加熱器，石墨套筒內上加熱器與固定在上爐蓋板上的石墨電極相連，上加熱器以氮化硼與石墨套筒連接；或上加熱器以石墨塊支撐，石墨套筒與固定在上爐蓋板上的電極相連接；下加熱器裝在石墨套筒內，以石墨塊支撐，石墨套筒與固定在上爐蓋板上的電極相連接，石墨套筒以螺絲固定于上爐蓋板上。本實用新型的優(yōu)點懸掛式側加熱系統(tǒng)，可以整體隨爐蓋上移后，整體拆卸，不需拆卸加熱系統(tǒng)外的絕熱層，故給設備維護和裝料、取料帶來了很大的方便，采用長板狀電極，在側加熱系統(tǒng)外側形成一完整的石墨圓筒，石墨圓筒可以吸收再輻射、反射加熱器的熱量，這樣不僅提高了熱能的利用效率，而且使得熱場具有較好的對稱性和穩(wěn)定性。
文檔編號C30B11/00GK201588005SQ20092027417
公開日2010年9月22日 申請日期2009年12月29日 優(yōu)先權日2009年12月29日
發(fā)明者丁國強, 屠海令, 張峰燚, 楊海, 蘇小平, 黎建明 申請人:北京有色金屬研究總院;北京國晶輝紅外光學科技有限公司