CN106232876B - 多区域可变功率密度加热器装置 - Google Patents

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Abstract

一种加热器包括多个区域，其中至少两个区域具有彼此不同的可变功率密度梯度。具有不同可变功率密度梯度的区域的加热器可以用于在所述加热器的一个或多个方向上控制所述加热器的热量输出和温度分布。所述加热器可以用来，例如，控制在垂直方向上的温度分布。

Description

多区域可变功率密度加热器装置
相关申请的交叉引用
本申请要求在2014年2月21日提交的、题为“多区域可变功率密度加热器装置容器及其使用方法”的美国临时申请号61/942,904以及在2014年5月19日提交的、题为“多区域可变功率密度加热器装置容器及其使用方法”的美国临时申请号62/000,189的优先权和权益，其中每一个的公开内容通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本技术涉及一种加热器设计，包括这样的加热器的容器，以及利用这样的加热器和/或包括这样的加热器的容器处理材料的方法。
背景技术
在垂直梯度凝固(VGF)晶体生长过程中，坩埚的内容物被加热，并创建温度梯度以创造冷区并允许晶体凝固和生长。这需要在坩埚的垂直方向上的温度梯度，而在晶体生长界面处减小在径向方向上的温度梯度。该过程还需要温度梯度分布，以跟随晶体生长界面向上移动。所述的温度分布可以通过使用多区域的外部石墨加热器或通过晶体生长过程中改变在垂直方向上的坩埚和加热器的相对位置而实现。当前的方法和系统具有这样的缺点：该系统和过程仍然导致由在晶体生长界面处的径向温度梯度所产生的热应力。这会导致增加的晶体畸变，该晶体畸变导致较低的晶体质量和产量。
发明内容
本技术提供了一种加热器配置。在一个方面，本技术提供了包括多个区域的加热器，每个区域由通过所述加热器的长度设置的电极路径所限定，至少两个区域具有通过每个区域的长度的可变功率密度梯度，并且所述至少两个区域的所述可变功率密度梯度是彼此不同的。
在另一个方面，本技术提供了一种加热器，其包括上端；下端；具有上下端之间垂直取向的长度的第一电极路径，所述第一电极路径具有在其路径的长度上变化的第一路径宽度；和具有上下端之间垂直取向的长度的第二电极路径，所述第二电极路径具有在其路径的长度上变化的第二路径宽度；其中所述第一电极路径具有第一可变功率密度梯度，所述第二电极路径具有第二可变功率密度梯度，并且第一可变功率密度梯度与第二可变功率密度梯度不同。
在一个方面，本技术提供了一种加热材料的方法，其包括：(i)提供接近待加热材料的加热器，所述加热器包括：上端；下端；具有上下端之间垂直取向的长度的第一电极路径，所述第一电极路径具有在其路径的长度上变化的第一路径宽度；和具有上下端之间垂直取向的长度的第二电极路径，所述第二电极路径具有在其路径的长度上变化的第二路径宽度；其中所述第一电极路径具有第一可变功率密度梯度，所述第二电极路径具有第二可变功率密度梯度，并且第一可变功率密度梯度与第二可变功率密度梯度不同；和(ii)形成从所述加热器的下端到所述加热器的上端的温度梯度，以通过调整施加到第一和第二电极路径的功率输入以加热材料；其中施加到第一电极路径的功率输入与施加到第二电极路径的功率输入不同。
在一个实施方案中，根据本技术的一个或多个方面的加热器可以是独立的加热器结构。
在一个实施方案中，根据本技术的一个或多个方面的加热器与这样的结构成为一体，例如，容器，并被提供作为所述容器的表面上的电极薄膜。在一个实施方案中，根据本技术的加热器被提供作为坩埚的外表面上的电极薄膜。
根据本技术的加热器可以在各种应用中使用。在一个实施方案中，根据本技术的加热器适合用作在垂直梯度凝固过程中的加热器。
具有不同的可变功率密度梯度的多区加热器提供了这样的加热器：允许控制整体温度并控制用于特定应用的温度梯度。所述加热器也允许更精确的控制和调整至坩埚表面的热通量分布。所述加热器可以提供在垂直方向和径向方向上的加热分布的控制。这在应用如晶体生长过程中可以是有益的。
通过参考附图和详细说明描述和进一步理解该技术的这些和其它方面。
附图说明
图1A-1F示出了根据本技术加热器的电极路径可具有的可变功率密度梯度的实例；
图2是根据本技术的实施方案的包括加热器设计的容器的正视图；
图3是图2的容器的仰视图；
图4是图2和3的容器的透视图；和
图5是示出根据本技术的实施方案的用加热器配置加热的容器的垂直轴上的功率密度组合的图。
所述附图不是按比例绘制的，除非另有说明。附图是用于说明本技术的方面和实施方案的目的，并不旨在将本技术限制于其中所示的那些方面。本技术的方面和实施方案可以参照以下的详细描述进一步理解。
具体实施方式
本技术提供了一种加热器设计。所述加热器设计提供了多个电极路径，每个路径限定具有功率密度梯度的区域。所述路径的至少两个具有彼此不同的可变功率密度梯度。所述加热器允许通过控制施加到每个区域的功率来控制沿加热器长度的温度分布。
所述加热器包括通过所述加热器的长度设置的多个电极路径，每个路径限定具有功率密度梯度的区域。所述电极路径可被设置成使得所述路径的主要部分相对于所述加热器结构的下端和上端垂直或水平延伸。在一个实施方案中，所述电极路径可被配置成使得所述电极路径的主要部分基本上沿所述加热器设计的垂直轴延伸。
所述加热器被设置成使得所述区域的至少两个具有可变功率密度梯度。电极路径的可变功率密度梯度是通过提供具有沿所述电极路径的长度发生变化的的宽度的电极路径提供。所述功率密度在具有较窄路径宽度的区域较大，并且所述功率密度在具有较宽路径宽度的区域较小。从所述路径/加热器的下端向所述路径的上端增大所述路径的宽度提供了从所述路径/加热器的下端向所述路径/加热器的上端减小的功率密度梯度。从所述路径/加热器的下端向所述路径的上端减小所述路径的宽度提供了从所述路径/加热器的下端向所述路径/加热器的上端增大的功率密度梯度。
所述功率密度梯度的斜率可以根据在所述路径长度上的电极路径宽度的变化率来控制或配置。图1A-1F示出了能够提供的可变功率密度梯度曲线的实例。如在图1A和1B中所示出的，所述路径的宽度的变化率可以是从所述路径的下端向所述路径的上端恒定，以提供相对线性的功率密度梯度。在其他实施方案中，在所述路径的宽度上的变化率不必是恒定的，从而提供非线性的或弯曲的功率密度梯度，如在图1C和1D中所示出的。在又一实施方案中，所述路径宽度可以被配置为提供具有阶梯函数的可变功率密度梯度，如在图1E和1F中所示出的。在图1A-1F中所示出的功率密度梯度曲线仅是可以通过调节路径宽度来生成的可能的可变密度梯度的实例。应当认识到，具有不同斜率、曲线形状、阶梯状等的其它可变功率密度梯度可以根据需要被创建。
在所述加热器设计中，提供了至少两个电极路径具有不同的可变功率密度梯度。可以根据需要为特定目的或预期应用来选择每个路径的可变功率密度梯度。在一个实施方案中，所述加热器设计包括(a)具有从所述加热器的下端向上端增加的可变功率密度梯度的第一电极路径，和(b)具有从所述加热器的下端向所述加热器的上端减小的可变功率密度梯度的第二电极路径。在另一个实施方案中，所述加热器设计包括(a)具有从所述加热器的下端向上端减小的可变功率密度梯度的第一电极路径，和(b)具有从所述加热器的下端向所述加热器的上端增加的可变功率密度梯度的第二电极路径。在又一个实施方案中，所述加热器设计包括(a)具有从所述加热器的下端向上端增加的可变功率密度梯度的第一电极路径，和(b)具有从所述加热器的下端向所述加热器的上端增加的可变功率密度梯度的第二电极路径，其中所述第一电极路径的可变功率密度梯度与所述第二电极路径的可变功率密度梯度不同。在又一实施方案中，所述加热器设计包括(a)具有从所述加热器的下端向上端减小的可变功率密度梯度的第一电极路径，和(b)具有从所述加热器的下端向所述加热器的上端减小的可变功率密度梯度的第二电极路径，其中所述第一电极路径的可变功率密度梯度与第二电极路径的可变功率密度梯度不同。
所述加热器的温度分布可以通过限定可变功率密度梯度的电极路径的设计和提供给各路径的功率控制和调整。施加到给定路径的功率的范围可以是0％(即，路径被关闭)至100％，以及之间的任何整数或分数百分比。在一个实施方案中，施加到给定路径的功率范围可以独立地为约5％至约95％；约10％至约80％；约20％至约80％；约30％至约70％；甚至约40％至约60％。此外，可以理解的是，施加到所述路径的总功率不必等于100％。施加到各个路径的功率的百分比是指对于给定的加热器设计规定的最大功率输入的百分比。例如，如果一个加热器具有5千瓦的功率规格，则施加100％的功率至路径将等同于施加5千瓦的功率至路径；90％的功率将相当于4.5千瓦等。所述加热器的功率规格可取决于所述加热器的尺寸和设计。根据各路径的可变功率密度梯度，所述加热器的温度分布可以通过施加到每个电极路径的功率来控制。另外，根据需要，可以调节施加到各个电极的功率，以控制所述加热器的总功率密度梯度和温度。这允许以精确的、受控的方式调整所述加热为可能需要满足给定应用的特定加热要求。
图2-4示出了一种根据本技术的方面和实施方案的加热器设计的实施方案。在图2中，所述加热器被提供作为系统的一部分，所述系统包括具有外表面102和布置在容器100的表面102上的加热器设计200的容器100。在图2中所示出的实施方案中，所述容器100适于晶体生长，如通过垂直梯度凝固晶体生长工艺，并且包括其中设置晶种用于促进晶体生长的茎(stem)110。图2中的所述加热器设计200包括电极路径210和220。所述电极路径210和220是分别具有沿着所述容器100的垂直轴延伸的主要部分的平行路径。所述路径210和220各自限定具有可变功率密度梯度的区域。各可变功率密度梯度由各电极路径从所述加热器设计的下端202向所述加热器设计的上端204的宽度的变化来限定。路径210被配置为使得所述路径在端212处的宽度W1比在端214处的宽度W2更宽。路径220被配置为使得所述路径在下端222处的宽度W3比在端224处的宽度W4更窄。因此，在这种布置中，路径210具有从所述加热器和容器的下端向所述加热器和容器的上端增加的功率密度，并且路径220具有从所述加热器和容器的下端朝向所述加热器和容器的上端减小的功率密度。
所述加热器设计包括端子，其包括端子接触区域230、240和250，以提供连接点以将加热器区连接到电源，并提供电流到加热器。接触区域230和250可用于功率区210，并且接触区域230和240可用于功率区220。接触点可以根据需要安置在任何位置。所述接触末端也可以其它形状或者作为凸缘等提供。
图5示出了基于施加到各电极路径的功率，用于加热器的可能的功率密度梯度。在100％功率施加到电极路径210并且0％施加到路径220时，即，电极路径220是关闭的，所述加热器具有由线300所示的路径210的功率密度梯度所限定的功率密度梯度。在100％功率施加到电极路径220并且0％施加到路径210时，即，电极路径210是关闭的，所述加热器具有由线310所示的路径220的功率密度梯度所限定的功率密度梯度。在图2所示的实施方案中，所述电极路径具有相同的斜率值，但具有不同的迹象。因此，当相同量的功率被施加到每个路径，由线320和330所示的功率密度沿着所述加热器和容器的轴线水平。通过调节施加到各电极路径的功率的量，所述加热器的功率密度和温度分布可以通过自身以每个路径的功率密度梯度之间的任何值调整或提供。线340表示具有在70％功率的电极220和在30％功率的电极210的所述加热器的功率密度梯度。线350表示具有在70％功率的电极210和在30％功率的电极220的所述加热器的功率密度梯度。
由图2-5所示的实施方案仅仅是可能的加热器配置的说明性实施方案。如前所述，各电极路径的功率密度梯度可以根据需要用于特定目的或预期应用进行选择和配置。此外，所述加热器的功率密度梯度可以通过施加到各路径的功率来控制。
所述加热器元件可被提供作为独立的加热器结构或作为施加到基底表面上的薄膜电极来提供。作为独立的加热器，加热器主体可以由任何合适的材料制成，包括但不限于，碳、石墨、碳键合的碳纤维、碳化硅、金属，例如，难熔金属、难熔金属碳化物、难熔金属氮化物、难熔金属硅化物、它们的两种或更多种的组合等。合适的金属的实例包括钨、钼、铼、钽、铂、它们的两种或更多种的合金、它们的氮化物、碳化物和/或硅化物等。
所述加热器主体可设有涂层，以保护主体并提供耐腐蚀性。石墨主体的涂层包括选自硼、铝、硅、镓、难熔硬金属、过渡金属和稀土金属构成的组中的元素的氮化物、碳化物、碳氮化物或氧氮化物，或它们的复合物和/或组合中的一种或多种。实例包括热解氮化硼(pBN)、氮化铝、氮化铝钛、氮化钛、碳氮化铝钛、碳化钛、碳化硅和氮化硅。
在一个实施方案中，所述涂层包括pBN。在第二个实施方案中，所述涂层包括AlN。在第三个实施方案中，所述涂层包含AlN和BN的复合物。在第四个实施方案中，所述涂层包括热解氮化硼(pBN)和小于约3重量％的量的碳掺杂剂的组合物，使得它的电阻率小于1014Ω-cm。在第五个实施方案中，所述涂层包括氮化铝，其中加入少量的Y2O3，例如相对于100重量％的氮化铝加入5重量％的量。pBN和AlN两者具有优良的绝缘性和导电性，并且可以从气相中容易地沉积。它们也具有很高的温度稳定性。此外，它们具有与热解石墨基底(黑色)不同的颜色(白色)，使得在形成电图案的步骤中，所述涂层可以容易地在视觉上与所述图案区分开。在又一实施方案中，所述涂层可以是碳化硅(SiC)。在又一个实施方案中，所述涂层可以是碳化钽(TaC)。
在一个实施方案中，所述加热元件包括沉积在待加热基底例如容器(如坩埚)表面上的薄膜电极。所述薄膜电极可以由任何合适的用于形成电极的材料形成，包括碳、石墨、碳键合的碳纤维、碳化硅、金属(例如，难熔金属)、难熔金属碳化物、难熔金属氮化物、难熔金属硅化物，它们的两种或更多种的组合等。合适的金属的实例包括钨、钼、铼、钽、铂、它们的两种或更多种的合金、它们的氮化物、碳化物和/或硅化物等。所述薄膜电极可具有任何所需的厚度。在一个实施方案中，所述薄膜电极的厚度范围是约5微米至约250微米。所述薄膜电极可以由合适的方法形成，包括但不限于，丝网印刷、旋涂、等离子喷涂、喷雾热解、反应性喷射沉积、溶胶-凝胶、燃烧火炬、电弧、离子镀、离子注入、溅射沉积、激光烧蚀、蒸发、电镀和激光表面合金化。在一个实施方案中，所述薄膜电极包括具有高熔点的金属，例如，钨、钼、铼和铂或它们的合金。在另一个实施方案中，所述薄膜电极包括贵金属或贵金属合金。在又一个实施方案中，所述电极包括热解石墨。薄膜电极也可以设置有覆盖所述薄膜层以防止电极材料的腐蚀或不希望的反应的涂层。
根据本技术的方面的加热器或具有在其上印刷的加热器的装置可以适合于在广泛的应用中使用。包括具有不同的功率密度梯度的多个加热元件的加热器特别适合用于其中期望通过改变施加到不同加热区域或电极路径的功率提供加热分布的精确控制并实现加热分布变化的应用。所述加热器或包括所述加热器的容器所合适的应用包括但不限于，分子束外延应用、金属蒸镀、热蒸镀、太阳能电池生长、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、有机金属化学气相沉积(OMCVD)、金属有机气相外延(MOVPE)、垂直梯度凝固(VGF)晶体生长过程等。
在一个实施方案中，根据本技术的加热器设计适合在VGF晶体生长过程中使用。如可期望的，所述加热器设计可以用于生长任何类型的晶体，包括但不限于砷化镓(GaAs)晶体。在一个实施方案中，用于晶体生长的装置包括坩埚和根据本技术的加热器设计。所述坩埚没有特别限制，并且可以根据加工条件和生长晶体进行选择。在一个实施方案中，所述坩埚可以是热解氮化硼(pBN)坩埚。包括具有不同功率密度梯度的多个加热区的加热器设计可以被提供作为独立的加热器结构或可以被印刷到坩埚上。在图2-4中，例如，所述容器100可以是PBN坩埚这样的坩埚。晶种可以被放置在茎110中，并且包括用于形成晶体的期望的材料的液体可以被放置在所述容器的主体中。然后所述容器可以使用所述加热器设计进行加热，所述加热器设计可用于通过控制施加到具有不同的功率密度梯度的各电极路径的功率来提供所需的温度分布和梯度。应该理解的是，图2-4的配置只是加热器配置或图案的可能的实施方案的实例。图案、功率密度梯度和电极路径的数量可以根据需要进行选择。
所述加热器可单独使用或与其它加热元件组合使用。例如，对于VGF工艺，包括根据本技术的加热器结构的坩埚可以与单独的、独立的加热器(例如，常规的径向加热器系统)一起用于所述工艺。
本发明的实施方案已经在上面描述，根据对本说明书的阅读和理解，其他人可以进行修改和变更。所附的权利要求书旨在包括所有的修改和变更，只要它们落入本权利要求书的范围或其等效范围内。

Claims (22)

1.一种包括第一区域和第二区域的加热器，所述第一区域由通过所述加热器的长度设置的第一电极路径限定，并且所述第二区域由通过所述加热器的长度设置的第二电极路径限定，所述第一区域和所述第二区域各自具有通过每个区域的长度的可变功率密度梯度，其中所述第一区域和所述第二区域的可变功率密度梯度是彼此不同的，其中所述第一区域和所述第二区域的每个电极路径包括大致垂直路径和平行路径，所述平行路径包括沿着所述加热器的长度变化的宽度；并且
所述加热器包括涂覆有热解氮化硼的热解石墨。
2.根据权利要求1所述的加热器，其中所述第一区域和所述第二区域在所述加热器中垂直取向。
3.根据权利要求1所述的加热器，其中所述第一区域中的一个的可变功率密度梯度沿所述区域的长度增加，而所述第二区域的可变功率密度梯度沿所述区域的长度减小。
4.根据权利要求1所述的加热器，其中所述第一区域和所述第二区域的可变功率密度梯度在各区域的长度上增加。
5.根据权利要求1所述的加热器，其中所述第一区域和所述第二区域的可变功率密度梯度在各区域的长度上减小。
6.根据权利要求1所述的加热器，其中所述加热器是独立的结构。
7.根据权利要求1所述的加热器，其中所述电极路径由设置在基底表面上的薄膜形成。
8.一种加热器，其包括：
涂覆有热解氮化硼的热解石墨；
上端；
下端；
具有在上端和下端之间垂直取向的长度的第一电极路径，所述第一电极路径具有在其路径的长度上变化的第一路径宽度；和
具有在上端和下端之间垂直取向的长度的第二电极路径，所述第二电极路径具有在其路径的长度上变化的第二路径宽度；其中所述第一电极路径具有第一可变功率密度梯度，所述第二电极路径具有第二可变功率密度梯度，且第一可变功率密度梯度与第二可变功率密度梯度不同，所述第一电极路径与所述第二电极路径大致平行。
9.根据权利要求8所述的加热器，其中所述第一可变功率密度梯度在路径的长度上增加，且所述第二可变功率密度梯度在路径的长度上减小。
10.根据权利要求8所述的加热器，其中所述第一可变功率密度梯度在路径的长度上增加，且所述第二可变功率密度梯度在路径的长度上增加。
11.根据权利要求8所述的加热器，其中所述第一可变功率密度梯度在路径的长度上减小，且所述第二可变功率密度梯度在路径的长度上减小。
12.根据权利要求8所述的加热器，其中所述加热器包括选自碳、石墨、碳键合的碳纤维、碳化硅、金属、金属碳化物、金属氮化物、金属硅化物，或它们的两种或更多种的组合的材料。
13.根据权利要求8所述的加热器，其中所述加热器是独立的结构。
14.根据权利要求8所述的加热器，其中所述第一电极路径和所述第二电极路径由布置在基底表面上的薄膜形成。
15.通过垂直梯度凝固法制备晶体材料的方法，其包括：
提供具有下端和上端的坩埚；
提供邻近所述坩埚的加热器，所述加热器包括涂覆有热解氮化硼的热解石墨，第一区域和第二区域，所述第一区域由通过所述加热器的长度设置的第一电极路径限定，并且所述第二区域由通过所述加热器的长度设置的第二电极路径限定，所述第一区域和所述第二区域相对于所述坩埚的上端和下端垂直取向，其中，所述第一区域和所述第二区域各自具有通过所述区域的长度的可变功率密度梯度，并且所述第一区域和所述第二区域的可变功率密度梯度彼此不同，其中所述第一区域和所述第二区域的每个电极路径包括大致垂直路径和平行路径，所述平行路径包括沿着所述加热器的长度变化的宽度；
熔化用于形成晶体材料的材料；和
形成从所述坩埚的下端到所述坩埚的上端的温度梯度，以通过调整施加到具有可变功率密度梯度的至少两个区域的功率输入来启动在熔化后的材料中的晶体生长。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述晶体材料为砷化镓。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述加热器是与坩埚分离的独立结构。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述加热器与坩埚成为一体。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述加热器以印刷薄膜的形式设置在所述坩埚的表面上。
20.一种系统，其包括(a)根据权利要求7所述的加热器，和任选地(b)邻近基底布置的外部加热器。
21.一种系统，其包括(a)根据权利要求18所述的加热器，和任选地(b)邻近坩埚布置的外部加热器。
22.一种加热材料的方法，其包括：
(i)提供接近待加热材料的加热器，所述加热器包括：
涂覆有热解氮化硼的热解石墨；
上端；
下端；
具有在上端和下端之间垂直取向的长度的第一电极路径，所述第一电极路径具有在其路径的长度上变化的第一路径宽度；和
具有在上端和下端之间垂直取向的长度的第二电极路径，所述第二电极路径具有在其路径的长度上变化的第二路径宽度；其中所述第一电极路径具有第一可变功率密度梯度，所述第二电极路径具有第二可变功率密度梯度，且第一可变功率密度梯度与第二可变功率密度梯度不同，所述第一电极路径与所述第二电极路径大致平行；和
(ii)形成从所述加热器的下端到所述加热器的上端的温度梯度，以通过调整施加到第一电极路径和第二电极路径中的每一个的功率输入来加热材料；其中施加到第一电极路径的功率输入与施加到第二电极路径的功率输入不同。
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