CN103160920A - 单晶生长炉的加热体结构 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种单晶生长炉的加热体结构，包括主加热装置和副加热装置，所述的主加热装置由若干U型主加热棒和主电极汇流排组成的鸟笼式结构，每根U型主加热棒由钨棒弯曲形成，U型主加热棒的上端与主电极汇流排连接；所述的副加热装置套设在主加热装置的下部外侧，副加热装置包括由上向下设置的2-8圈副加热棒，副加热棒的端部通过加热棒夹紧块连接在副电极汇流排上，副电极汇流排上设有与副加热电极相连的电极座连接孔。本发明通过两个独立的加热装置，形成可调的径向和轴向温度梯度的合成热场，满足在长晶过程中所需要的径向和轴向温度梯度与动态固液界面位置的匹配要求，有效的提高热场的有效可控性和提高晶体的成晶率。

Description

单晶生长炉的加热体结构
技术领域
 本发明涉及一种单晶生长炉，特别涉及一种单晶生长炉的加热体结构。
背景技术
目前单晶炉晶体生长可归纳为九种方法（见表一），1、焰熔法(浮融區長晶法)，2、柴氏拉晶法GZ，3、，4、泡生法KY，5、坩埚下降法（VGF），6、坩埚下降法（VGF），7、水平區熔法HBM，8、垂直水平法（VHGF），9、导向温梯法（TGT）。其中泡生法和柴氏提拉法为蓝宝石长晶技术的主流，但是现有的主要是依赖人工手动操作，晶体成品优良率低，生长晶体尺寸较小。
表一： 蓝宝石晶体生长工艺优缺点比较
Figure 2013100936318100002DEST_PATH_IMAGE002
在单晶生长的九种方法中，除第八种的垂直水平法外，热场结构已经决定了在不同的加热功率情况下的温度梯度，即在不同的阶段的电压或功率已经形成了固定的轴向和径向温度梯度，不能分别调整轴向和径向温度梯度，生产大规格的晶体时易出现因内部应力过大导致晶体开裂和位错。而第八种垂直水平的晶体生长方法类似导向温梯法（TGT）生长蓝宝石，而这种是以定向（非上部引晶）籽晶诱导熔体结晶的方法，其籽晶的定向不是通过在溶体的表面上部进行引晶形成的（非泡生法），不能完全发挥籽晶的遗传基因，容易产在生长晶过程中的内部缺陷，并且这种热场的结构是把籽晶置于被溶晶体的下方，控制籽晶溶化的部分难度较大，晶体的成品率不利于提高。
目前生产较高质量的单晶晶体（如蓝宝石单晶）主要是选用泡生法。晶体的生长关键技术是热场结构，国内外单晶生产主要热场结构主要有二种形式，一种是鸟笼式单热场加热方式，另一种是筒体式上下或上中下多加热器热场分别控制的方式。轴向温度梯度主要是坩埚盖与上部的热场结构（保温与散热功能）和加热器的结构所形成的，常规的坩埚盖与上部的热场结构所产生的轴向温度梯度是不可调整的，而加热器所形成的轴向温度梯度是由加热器的结构所决定的，单一加热器是以一定的功率或温度变化率进行调整，其径向温度梯度是随着轴向温度梯度的调整而变化，这种单一加热器不能满足大规格晶体在不同长晶阶段匹配径向与轴向温度梯度和动态固液界面位置的要求；双加热器或多加热有多热场结构，可以分别按照一定的功率或温度变化率进行调整，形成一个可控性的合成温度场，其径向温度梯度和轴向温度梯度可以分别进行调整，能满足不同长晶阶段匹配径向与轴向温度梯度和动态固液界面位置的要求，确保理论计算的长固液界面位置值与实际的长晶固液位置相重合。但是这种热场结构较为复杂。
在国内生产蓝宝石单晶的设备主要为俄派风格的单热场钨笼结构，但是这种设备生产较大规格的晶体如蓝宝石晶体生产超过65公斤级的成品率很难达到50%以上，突别是在晶体长晶的中后期，由于需要动态固液界面有较大的轴向温度梯度，而单热场很难满足状态的要求，只能延长相当长的时间来减少晶体内部的应力，造成设备生产效力低，能耗大。
对大规格晶体长晶而言，大规格的晶体由于整体直径和高度较大，其两个方向的内外（径向）和上下温度差也较大，晶体生长在不同阶段所需要的轴向和径向温度梯度要求是不同的，特别是在晶体长晶的中期和后期，动态固液界面要保持稳定的速率向下移动长晶，就需要对已形成晶体的部分与固液界面加大的轴向温度梯度（降低整体加热器的功率），理想状态就是要求对已形成晶体的部分减少加热功率，而动态固液界面以下的液态部分仍然按照原有的双向温度梯度，同时晶体规格较大，中后期生长晶体的内部径向应力与上部分已形成晶体的径向应力要基本一致，即要求下部外侧的加热功率要保持接近等径长晶的热场状态，轴向和径向的温度梯度必须进行分别控制，这样就要需要双热场控制来满足不同长晶阶段匹配的径向与轴向温度梯度和动态固液界面位置的要求，否则会造成不易长晶、晶体回流和炸晶现象。同时在晶体退火过程中，晶体需要较小轴向温度梯度和增加温度下降速率，减小或避免因晶体内部热应力过大造成晶体裂纹和炸晶的不合格的产品，减少冷却的时间，缩短生产周期，该项技术是突破生长大规格单晶晶体的关键技术瓶颈。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种设计合理，形成满足长晶要求的径向和轴向温度梯度的热场的加热体结构。
本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的，本发明是一种单晶生长炉的加热体结构，其特点是：包括主加热装置和副加热装置，所述的主加热装置由若干U型主加热棒和主电极汇流排组成的鸟笼式结构，每根U型主加热棒由钨棒弯曲形成，U型主加热棒的上端与主电极汇流排连接；所述的副加热装置套设在主加热装置的下部外侧，副加热装置包括由上向下设置的2-8圈副加热棒，副加热棒的端部通过加热棒夹紧块连接在副电极汇流排上，副电极汇流排上设有与副加热电极相连的电极座连接孔。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，副电极汇流排设有两组，对称设置。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，所述的副加热棒为弧形棒结构。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，所述的副加热棒为波浪形棒结构。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，所述的电极座连接孔设在副电极汇流排的上端或下端。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，所述的副加热棒设有4圈。
与现有技术相比，本发明通过两个独立的加热装置，可以使单晶生长炉实现双热场结构的双向温度梯度控制泡生法，形成可调的径向和轴向温度梯度的合成热场，满足在长晶过程中所需要的径向和轴向温度梯度与动态固液界面位置的匹配要求，通过这种热场动态定位与温控系统的闭环控制相结合，有效的提高热场的有效可控性和提高晶体的成晶率。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图。
图2是副加热装置的一种结构示意图。
图3是副加热装置的另一种结构示意图。
具体实施方式
以下参照附图，进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。
参照图1，一种单晶生长炉的加热体结构，包括主加热装置1和副加热装置4，所述的主加热装置1由若干U型主加热棒3和主电极汇流排2组成的鸟笼式结构，每根U型主加热棒3由钨棒弯曲形成，U型主加热棒3的上端与主电极汇流排2连接，主电极汇流排2由紫铜材料制成。
所述的副加热装置4套设在主加热装置1的下部外侧，副加热装置4包括由上向下设置的2-8圈副加热棒8，优选为设有4圈。副加热棒8的形状为弧形棒结构或者为波浪形棒结构。副加热棒8的端部通过加热棒夹紧块6连接在副电极汇流排5上，副电极汇流排5和加热棒夹紧块6由钨板制成，副电极汇流排5上设有与副加热电极相连的电极座连接孔7，电极座连接孔7设在副电极汇流排5的上端或下端，参照图2和图3。
副电极汇流排5设有两组，对称设置，副加热装置4的截面为圆形的，它由两个半圆组成，每组副电极汇流排5包括两个副电极汇流排5，分别设在半圆副加热装置4的两端。
主加热装置1是鸟笼式结构，主电极汇流排2选用紫铜材料加工成二个半园环，环上开有多个孔，U型主加热棒3分组与主电极汇流排2进行固定，主电极汇流排2和U型主加热棒3固定在单晶生长炉的冷却环上。副加热装置4为网筒式结构，参照图2和图3，副加热棒8选用钨材料弯曲成形，副电极汇流排5的二端上装有加热棒夹紧块6将副加热棒8进行夹紧固定，副加热装置4的电极与副电极汇流排5的下端或上端的电极座连接孔7连接，构成副加热装置4的正负电极；副加热棒8通过固定器装置与主加热装置1或单晶生长炉的外侧保温屏进行多点固定。

Claims (6)

1.一种单晶生长炉的加热体结构，其特征在于：包括主加热装置和副加热装置，所述的主加热装置由若干U型主加热棒和主电极汇流排组成的鸟笼式结构，每根U型主加热棒由钨棒弯曲形成，U型主加热棒的上端与主电极汇流排连接；所述的副加热装置套设在主加热装置的下部外侧，副加热装置包括由上向下设置的2-8圈副加热棒，副加热棒的端部通过加热棒夹紧块连接在副电极汇流排上，副电极汇流排上设有与副加热电极相连的电极座连接孔。
2.根据权利要求1所述的单晶生长炉的加热体结构，其特征在于：副电极汇流排设有两组，对称设置。
3.根据权利要求1所述的单晶生长炉的加热体结构，其特征在于：所述的副加热棒为弧形棒结构。
4.根据权利要求1所述的单晶生长炉的加热体结构，其特征在于：所述的副加热棒为波浪形棒结构。
5.根据权利要求1所述的单晶生长炉的加热体结构，其特征在于：所述的电极座连接孔设在副电极汇流排的上端或下端。
6.根据权利要求1所述的单晶生长炉的加热体结构，其特征在于：所述的副加热棒设有4圈。
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