專利名稱：垂直梯度凝固晶體生長(zhǎng)爐中多段式側(cè)加熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及晶體生長(zhǎng)領(lǐng)域，特別是采用采用垂直梯度凝固技術(shù)(VGF)生長(zhǎng)單晶 時(shí)，加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
VGF(垂直梯度凝固)技術(shù)已成為生長(zhǎng)大直徑、低位錯(cuò)單晶的主流技術(shù)之一，其最 大的優(yōu)點(diǎn)在于能夠在晶體生長(zhǎng)的固-液界面處形成較小的溫度梯度。保證熱場(chǎng)的對(duì)稱性、 維持熱場(chǎng)的穩(wěn)定是VGF熱場(chǎng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。而在晶體系統(tǒng)中側(cè)加熱器為主加熱器，其決定著 熱場(chǎng)的性質(zhì)，故側(cè)加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是整個(gè)晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)的核心內(nèi)容之一。目前VGF單晶生 長(zhǎng)系統(tǒng)中側(cè)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(huì)導(dǎo)致金屬的揮 發(fā)，會(huì)對(duì)爐內(nèi)造成污染，常用在具有封閉系統(tǒng)的晶體生長(zhǎng)中；而高純石墨在高溫下，具有較 好的化學(xué)穩(wěn)定性，常被用在純凈的環(huán)境中，如生長(zhǎng)半導(dǎo)體單晶等。目前石墨加熱器的支撐結(jié) 構(gòu)通常采用底部支撐結(jié)構(gòu)，如專利US 0087125,US 56980 等。這種裝配方式固然簡(jiǎn)潔，但 是當(dāng)需放入原料、取料以及對(duì)加熱器拆卸維護(hù)時(shí)，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(chǎn)及設(shè)備維護(hù)帶來很大的不便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一垂直梯度凝固晶體生長(zhǎng)爐中多段式側(cè)加熱器，該加熱器可 通過控制各加熱器的功率，滿足VGF技術(shù)生長(zhǎng)單晶的熱場(chǎng)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(chǎng)具有較高的對(duì)稱性，并抑制熱場(chǎng)的溫度波動(dòng)，維持熱場(chǎng)穩(wěn) 定；提高熱能的利用率；便于拆卸與維護(hù)；便于裝料、取料。為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案垂直梯度凝固晶體生長(zhǎng)爐中多段式側(cè)加熱器，它包括石墨套筒、位于石墨套筒內(nèi) 的上加熱器、下加熱器，石墨套筒內(nèi)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(nèi)，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(zhǎng)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(gè)。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(yù)裝在 兩半圓形石墨圓筒內(nèi)后與固定在上爐蓋上的電極相連接，其結(jié)構(gòu)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(nèi)，(2)采用1/4圓弧狀長(zhǎng)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(zhǎng)板狀電極所圍成的石墨套筒內(nèi)。兩者的共同點(diǎn)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(zhǎng)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(cè)熱流損失，故能促進(jìn) 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(shí)，側(cè)加熱系統(tǒng)隨著升降，從而使得側(cè)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(hù)，以及晶體生長(zhǎng)過程中的取料和裝料；考慮不同材料的性質(zhì)，如 揮發(fā)性、熱導(dǎo)率、透明度等，來調(diào)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(zhǎng)的工藝條件。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與背景技術(shù)相比，懸掛式側(cè)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(shè)備維護(hù)和裝料、取料帶來了很大的方便。采 用長(zhǎng)板狀電極，在側(cè)加熱系統(tǒng)外側(cè)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(chǎng)具有較好的對(duì)稱性和穩(wěn)定 性。


圖1為垂直梯度凝固單晶爐結(jié)構(gòu)示意2為本發(fā)明的一種兩段加熱器結(jié)構(gòu)示意3為1/4圓弧狀長(zhǎng)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(zhǎng)板電極，12 為螺孔。
具體實(shí)施例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(yù)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(duì)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(cè)的絲杠將爐蓋升起或 降低時(shí)，石墨套筒連同加熱器一起移出或裝入爐體內(nèi)。安裝方案二 采用1/4圓柱狀長(zhǎng)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(cè)的絲杠將爐蓋升起或降低時(shí)，石墨套筒連同加熱器一起移 出或裝入爐體內(nèi)。加熱方案(使用方法)滿足晶體生長(zhǎng)的溫度梯度，主要依賴于兩個(gè)參數(shù)，熱場(chǎng)中 的位置和上下加熱器之間的溫差。生長(zhǎng)不同晶體時(shí)，綜合考慮晶體的性質(zhì)、晶體的生長(zhǎng)效率 以及晶體質(zhì)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(zhǎng)6英寸低位錯(cuò)的 GaAs單晶時(shí)，為降低晶體中的熱應(yīng)力，生長(zhǎng)界面附近的溫度梯度應(yīng)小于漲/cm，同時(shí)還應(yīng)考 慮熔持在15°C左右。而當(dāng)生長(zhǎng)像Ge這樣的元素半導(dǎo)體時(shí)，由于Ge熔體的熱導(dǎo)率很大，為維 持晶體生長(zhǎng)界面的穩(wěn)定性，應(yīng)適當(dāng)提高熔體中的溫度梯度，故此時(shí)上下加熱器的溫差一般在50°C左右。
權(quán)利要求
1.垂直梯度凝固晶體生長(zhǎng)爐中多段式側(cè)加熱器，其特征在于它包括石墨套筒、位于 石墨套筒內(nèi)的上加熱器、下加熱器，石墨套筒內(nèi)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(nèi)，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(quán)利要求1所述的垂直梯度凝固晶體生長(zhǎng)爐中多段式側(cè)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(quán)利要求1所述的垂直梯度凝固晶體生長(zhǎng)爐中多段式側(cè)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(zhǎng)板電極組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直梯度凝固晶體生長(zhǎng)爐中多段式側(cè)加熱器，其特征在于 下加熱器為多段加熱器，其段的數(shù)量為1 5個(gè)。
全文摘要
垂直梯度凝固晶體生長(zhǎng)爐中多段式側(cè)加熱器，它包括石墨套筒、位于石墨套筒內(nèi)的上加熱器、下加熱器，石墨套筒內(nèi)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(nèi)，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。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)懸掛式側(cè)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(shè)備維護(hù)和裝料、取料帶來了很大的方便，采用長(zhǎng)板狀電極，在側(cè)加熱系統(tǒng)外側(cè)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(chǎng)具有較好的對(duì)稱性和穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)C30B11/00GK102108543SQ200910260710
公開日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2009年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月29日
發(fā)明者丁國(guó)強(qiáng), 屠海令, 張峰燚, 楊海, 蘇小平, 黎建明 申請(qǐng)人:北京國(guó)晶輝紅外光學(xué)科技有限公司, 北京有色金屬研究總院