CN111945217A - 一种用于晶体提拉炉的温场及其建造方法 - Google Patents

一种用于晶体提拉炉的温场及其建造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于晶体提拉炉的温场及其建造方法，所述用于晶体提拉炉的温场的结构包括：电源模块，气氛控制模块，称重模块，传动提拉模块，温场模块，保温模块。其中电源模块为称重模块，传动提拉模块，温场模块提供供电电源，传动提拉模块负责提供晶体生长的动力并连接称重模块，称重模块从传动提拉模块得到的晶体重量信号处理后反馈给传动提拉模块，气氛控制模块可以指定气氛进行晶体生长，温场模块负责提供生长晶体的溶体和温度梯度，保温模块负责提供稳定的温场。本发明通过在温场模块中的垫层单元引入自锁结构，避免垫层材料长时间处于高温条件下作业时因为热胀冷缩而产生的结构变化，有效提升了垫层的耐用性和整个温场模块的安全性。

Description

一种用于晶体提拉炉的温场及其建造方法
技术领域
本发明涉及高温炉温场建造领域，尤其涉及一种用于晶体提拉炉的温场及其建造方法。
背景技术
随着医疗器械技术的飞速发展，人们对其中的元件模块的要求也越来越高，其中闪烁晶体材料就是其中重要的元器件之一。而在现阶段各种闪烁晶体生长方法中，提拉法作为一种常用且经典的方法，能够提拉出各种优异性能的单晶晶体，而这种方法的核心设备就是晶体提拉炉。传统的晶体提拉炉不但操作过程复杂，对晶体生长造成了额外的难度，而且感应生热的过程中由于过高的温度，使得坩埚下的垫层因为热胀冷缩原理产生形变，甚至有形变过大而炸炉的危险，是以对于高熔点的晶体原料搭建温场时不好把控，从而影响了所得到晶体的质量。
因此，针对以上提到的晶体炉中存在的问题有必要对现有晶体提拉炉的温场及其建造方法予以改良以克服现有技术中的所述缺陷。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提出一种用于晶体提拉炉的温场及其建造方法，解决了现有技术的问题，
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
优选地，一种用于晶体提拉炉的温场及其建造方法，所述结构包括：电源模块，气氛控制模块，称重模块，传动提拉模块，温场模块，保温模块，其中，
电源模块，用于给其他五个模块提供供电；
气氛控制模块，用于与温场模块连接并为晶体生长提供真空环境或者其他指定气氛；
称重模块，用于与传动提拉模块连接并实时检测传动提拉模块上生长出的晶体大小且根据检测到的信号进行晶体重量的校正；
传动提拉模块，用于与温场模块连接并为晶体的生长提供动力；
温场模块，用于与保温模块连接并搭建温场为晶体的生长提供温度梯度；
保温模块，用于隔绝温场外部环境，维持温场模块的温度梯度。
优选地，所述电源模块为气氛控制模块，称重模块，保温模块提供直流电，为传动提拉模块和温场模块提供交流电。
优选地，所述气氛控制模块由真空单元和特定气氛单元组成，其中真空单元为晶体提拉炉提供-200Pa～-50Pa的真空环境，特定气氛单元提供氮气，氮氢混合气体等气体。
优选地，所述称重模块由称重传感器单元，前端电路单元，A/D电路单元，后端电路单元和控制单元组成，其中
称重传感器单元，用于作用在传动提拉模块上的晶体重量转换为可测量电压信号；
前端电路单元，用于将称重传感器单元传来的微小电压信号进行放大补偿，其输出电压信号为0～5V；
A/D电路单元，用于将前端电路单元传来的模拟信号转换为数字信号；
后端电路单元，用于将A/D电路单元传来的数字信号采用中位值滤波法进行数据滤波处理；
控制单元，利用计算机实现称重模块的初始化设置，数据显示与记录以及根据称重模块测量到的数据反作用于传动提拉模块。
称重模块的工作过程为：作用在传动提拉模块上的晶体重量，通过称重传感器转化为可测量电信号，经前端电路处理、A/D电路转换后传送至控制单元，称重控制单元对重量数据进行采样并实现数据滤波处理、数据稳定判断，将实时重量数据传送到控制单元，通过控制单元中的人机交互界面实现对整个称重系统的控制，包括系统初始化、对晶体生长过程中重量数据的实时监控及曲线记录，通过人机界面进行重量的零点校正、重量去皮及清零等操作，并根据当前的重量与目标重量进行比较，对传动提拉模块的下一步操作进行控制。
优选地，所述传动提拉模块由电机单元，传动杠单元和提拉杆单元构成，其中
电机单元，用于为传动杠单元提供动力；
传动杠单元，用于将电机单元旋转运动转换成提拉杆的线性运功；
提拉杆单元，一方面为晶体生长提供籽晶，另一方面通过移动控制晶体生长的形状和速度。
优选地，温场模块由第一加热单元和第二加热单元组成，其中第一加热单元由坩埚单元和感应生热单元构成，第二加热单元由垫层单元和后加热单元构成。温场分布决定了炉内晶体生长区域的温度梯度分布，而温度梯度决定了晶体的成长速率。在温度梯度大的区域热量传输快，生长速率随之增加，但如果过大则会因晶体热应力过大而导致晶体出现开裂、位错等缺陷；在温度梯度小的地方，生长速率会变慢，如果仍快速提拉晶体则会影响晶体的质量，导致无法实际应用。其中
坩埚单元作为晶体提拉炉中至关重要的一环，其在选择时需要满足以下一些条件：
(1)坩埚单元本身的熔点必须大于晶体原料的熔点；
(2)坩埚单元本身不能与晶体原料发生化学反应；
(3)坩埚单元本身与晶体原料的溶体有很好的浸润性；
(4)坩埚单元需要在热冷循环中不易发生形变，具有较长的使用寿命。
感应生热单元的原理是根据变化的电流通过水冷的铜线圈产生变化的磁场，坩埚单元从而感应生热熔化晶体原料。这种方式热量损失小，效率高，有利于温场搭建和后序的坩埚处理。线圈围绕在坩埚单元外，垂直安置在炉内中心位置。
优选地，所述垫层单元由24块形状完全相同的垫块组成，每个垫块皆由一块长方体垫块去除四个凹口构成，其中
凹口A与凹口D形状相同，两个凹口的长度等于长方体垫块的长度的1/7,宽度等于长方体垫块的宽度，高度等于长方体垫块的高度的1/2；
凹口B与凹口C形状相同，两个凹口的长度等于长方体垫块的长度的1/7,宽度等于长方体垫块的宽度的1/2，高度等于长方体垫块的高度；
优选地，所述垫层单元由24块形状完全相同的垫块组成，其组合方式为
S1：将24块垫块分成6组，每组4个垫块；
S2：将每组的4个垫块拼成一个井字形垫块，共6个井字形垫块；
S3：将6个井字形垫块拼成一个六面相等的垫层。
优选地，所述保温模块由第一保温单元和第二保温单元组成，其中第一保温单元用于隔离坩埚单元和感应生热单元，第二保温单元用于隔离晶体炉和外界环境。
优选地，一种用于晶体提拉炉的温场建造方法，包括
S1：首先开启电源模块为气氛控制模块供电，利用气氛控制模块抽取晶体炉中的空气，并提供真空环境或者其他指定气氛；
S2：然后电源模块为温场模块中的感应生热单元提供变化的交流电，使坩埚单元感应生热熔化晶体原料，同时后加热单元辅助坩埚单元搭建温度梯度；
S3：然后利用保温模块维持晶体炉内部温度；
S4：然后电源模块为称重模块和传动提拉模块供电，传动提拉模块中的提拉杆单元在电机模块和传动杠单元的协同下接触坩埚单元中熔化的晶体原料，进行晶体生长，同时称重模块根据称重传感器单元接收的信号不断调整传动提拉模块的电机模块。
本发明的有益效果为：
本发明在保证晶体提拉炉高性能的前提下，改变垫层单元的形状结构，提高因热胀冷缩原理产生形变的抗形变性能，从而保证搭建的温场的稳定性。此外，称重模块与传动提拉模块的相互作用解决了传统仪器在测量中灵活性不足、精度不高的问题，实现晶体重量的准确测量，保证生产质量。同时，该方法搭建的温场有效地减少了温度梯度，避免了晶体的断裂，降低了位错密度，温场整体与晶体炉系统切合性较好，不影响晶体生长的其他操作，而且温度梯度依旧能够满足生长闪烁晶体的要求。
附图说明
图1为本发明的一个实施例提供的一种用于晶体提拉炉的温场及其建造方法结构示意图。
图2为本发明的一个实施例提供的一种用于晶体提拉炉的温场及其建造方法信号传递示意图。
图3为本发明的称重模块前端电路功能示意图。
图4为本发明的单个垫块结构示意图。
图5为本发明的垫层结构示意图。
图中：110、称重传感器单元；120、电路单元；130、控制单元；210、电机单元；220、传动杠单元；230、提拉杆单元；311、坩埚单元；312、感应生热单元；321、垫层单元；322、后加热单元位；410、第一保温单元；420、第二保温单元；510、气氛控制系统；520、真空单元。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图2所示，本发明公布了一种用于晶体提拉炉的温场及其建造方法，该温场建造包括电源模块，气氛控制模块，称重模块，传动提拉模块，温场模块和保温模块，其中
电源模块为气氛控制模块，称重模块，保温模块提供的是直流电，为传动提拉模块和温场模块提供的是交流电，在该实例中电源模块对温场模块提供交流电的方式采用分阶段梯度式，并设置阈值防止温场模块中的温度失控，减小温度的波动。
气氛控制模块包括真空单元和特定气氛单元，首先通过真空单元520，将晶体炉中的空气抽离，在该实例中，使用真空泵将晶体炉中的气体排出泵外，实现-200Pa～-50Pa的真空环境，保证生长出的晶体不受空气中的气体污染。搭配的气氛控制系统510，除一般的空气、真空环境外，还可以充入氮气、氮氢混合气等气体，让晶体在指定气氛下进行生长。
在本实例中，称重模块首先使用称重传感器单元110将传动提拉模块上的晶体重量转化为可测量的电信号，然后将电信号传到电路单元120，该电路单元120包括图2中的前端电路单元，A/D电路单元和后端电路单元，其中前端电路单元如图3所示，在信号输入端,具有阈值选择电路和偏移校正模块,偏移校正模块集成了传感器失调补偿功能,用于对称重传感器输出的微小电压信号进行补偿,阈值选择电路用于对模拟电压信号进行阈值选择,两个模块经过放大器，放大的混合信号再一次进行阈值选择去除噪声信号，集成的只读存储器和寄存器存储了线性化算法所需的所有参数以及其他用户数据,并采用非线性数字补偿来校准模拟输出信号,在信号输出端,连接了低通滤波器和增益器,保证标准比例电压输出。
在本实例中，传动提拉模块由电机单元，传动杠单元和提拉杆单元组成，如图2所示。其中电机单元210可以选用步进电机和伺服电机，在晶体生长过程中，电机单元通过做旋转运动，提供晶体生长的动力，在接种完成以后电机单元带动提拉杆缓慢向上，晶体沿着被牵引的方向完成定向生长。传动杠单元220采用滚珠丝杠，将电机旋转运动转换成提拉杆的垂直运动，整个过程摩擦阻力很小，同时还具备精度高、效率高、过程可逆等特点。籽晶杆升降过程。提拉杆单元230上端连接传动杠单元，下端连接籽晶，当籽晶接触坩埚单元中的熔体表面，通过提拉法，在不断提拉和旋转过程中，使籽晶不断长大，最后生长出圆柱状晶体。
在本实例中，晶体生长用的是提拉法。提拉法属于最典型的液-固结晶的手段，晶体成长过程中方便察看晶体的生长情况，能够应用定向籽晶和“缩颈”工艺，获得完好和目标去向的晶体，以缩小位错，提高晶体品质，在工业中应用最为普遍。其过程也不复杂，首先将待生长的晶体的原料事先压成块儿，而后放在耐高温的坩埚中，采用电阻或感应加热使得原料熔化。调整炉内温度梯度，使熔体上部处于过冷形态，将籽晶固定在籽晶杆上，让籽晶接触熔体表面进行接种，等候一段时间接种完成后提拉并转动籽晶杆，使熔体处于过冷状态而凝结于籽晶上。在不断提拉和旋转过程中，使籽晶不断长大，达到目标直径后保持等径生长，最后生长出圆柱状晶体。
在该实例中，温场模块由第一加热单元和第二加热单元组成，其中第一加热单元由坩埚单元和感应生热单元构成，第二加热单元由垫层单元和后加热单元构成。坩埚单元311位于提拉杆单元的正下方，内部盛放着晶体原料的熔体，当围绕它的感应生热单元312通入变化的交流电后，坩埚单元311便会由于法拉第电磁感应原理，在磁场作用下，产生与感应圈频率相同而方向相反的感应电流。由于感应电流沿坩埚单元表面形成封闭回路，通常称为涡流。此涡流将电能变成热能，将坩埚单元的表面迅速加热。而在坩埚单元的下方，是由24个如图4中的垫块组成的如图5的垫层单元321，该垫层单元的作用除了将坩埚单元置于感应生热单元之中，还可以吸收热量，同时由于其特定的结构可以防止垫层单元因为热胀冷缩原理而产生变形甚至爆炸。后加热单元位322于坩埚单元的上方，呈圆环形将籽晶包围，确保了炉内晶体生长区域的温度梯度分布，温度梯度，避免了晶体的断裂，降低了位错密度。
在该实例中，保温模块由第一保温单元410和第二保温单元420组成，第一保温单元410位于坩埚单元和感应生热单元之间，常用的氧化锆保温材料和氧化铝空心保温材料都可作为第一保温单元的原材料，第二保温单元420则用于隔离晶体炉与外界环境，防止因为外部温度与气压的影响而增大温度梯度，从而影响晶体生长。
本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种用于晶体提拉炉的温场，包括：
气氛控制模块，用于与温场模块连接并为晶体生长提供真空环境或者其他指定气氛，包括真空单元和特定气氛单元；
称重模块，用于与传动提拉模块连接并实时检测传动提拉模块上生长出的晶体大小且根据检测到的信号进行晶体重量的校正，包括称重传感器单元、前端电路单元、A/D电路单元、后端电路单元和控制单元；
传动提拉模块，用于与温场模块连接并为晶体的生长提供动力，包括电机单元、传动杠单元和提拉杆单元；
温场模块，用于与保温模块连接并搭建温场为晶体的生长提供温度梯度，包括第一加热单元、第二加热单元，所述第一加热单元包括坩埚单元和感应加热单元，所述第二加热单元包括垫层单元和后加热单元；
保温模块，用于隔绝温场外部环境，维持温场模块的温度梯度，包括第一保温单元和第二保温单元；
电源模块，用于给其他模块供电。
2.根据权利要求1所述的一种用于晶体提拉炉的温场，其特征在于，
所述电源模块为气氛控制模块、称重模块、保温模块提供直流电，为传动提拉模块和温场模块提供交流电。
3.根据权利要求1所述的一种用于晶体提拉炉的温场，其特征在于，
所述气氛控制模块由真空单元和特定气氛单元组成，
其中真空单元为晶体提拉炉提供-200Pa～-50Pa的真空环境，
特定气氛单元提供氮气，氮氢混合气体。
4.根据权利要求1所述的一种用于晶体提拉炉的温场，其特征在于，
所述称重模块由称重传感器单元、前端电路单元、A/D电路单元、后端电路单元和控制单元组成，其中
称重传感器单元，用于作用在传动提拉模块上的晶体重量转换为可测量电压信号；
前端电路单元，用于将称重传感器单元传来的微小电压信号进行放大补偿，其输出电压信号为0～5V；
A/D电路单元，用于将前端电路单元传来的模拟信号转换为数字信号；
后端电路单元，用于将A/D电路单元传来的数字信号采用中位值滤波法进行数据滤波处理；
控制单元，利用计算机实现称重模块的初始化设置，数据显示与记录以及根据称重模块测量到的数据反作用于传动提拉模块。
5.根据权利要求1所述的一种用于晶体提拉炉的温场，其特征在于，
所述传动提拉模块由电机单元、传动杠单元和提拉杆单元构成，其中
电机单元，用于为传动杠单元提供动力；
传动杠单元，用于将电机单元旋转运动转换成提拉杆的线性运功；
提拉杆单元，一方面为晶体生长提供籽晶，另一方面通过移动控制晶体生长的形状和速度。
6.根据权利要求1所述的一种用于晶体提拉炉的温场，其特征在于，
温场模块由第一加热单元和第二加热单元组成，
其中，第一加热单元由坩埚单元和感应生热单元构成，
第二加热单元由垫层单元和后加热单元构成。
7.根据权利要求6所述的一种用于晶体提拉炉的温场，其特征在于，
所述垫层单元由24块形状完全相同的垫块组成，每个垫块皆由一块长方体垫块去除四个凹口构成，其中
凹口A与凹口D形状相同，两个凹口的长度等于长方体垫块的长度的1/7,宽度等于长方体垫块的宽度，高度等于长方体垫块的高度的1/2；
凹口B与凹口C形状相同，两个凹口的长度等于长方体垫块的长度的1/7,宽度等于长方体垫块的宽度的1/2，高度等于长方体垫块的高度。
8.根据权利要求7所述的一种用于晶体提拉炉的温场，其特征在于，
所述垫块的组合步骤为：
S1：将24块垫块分成6组，每组4个垫块；
S2：将每组的4个垫块拼成一个井字形垫块，共6个井字形垫块；
S3：将6个井字形垫块拼成一个六面相等的垫层。
9.根据权利要求1所述的一种用于晶体提拉炉的温场，其特征在于，
所述保温模块由第一保温单元和第二保温单元组成，其中第一保温单元用于隔离坩埚单元和感应生热单元，第二保温单元用于隔离晶体炉和外界环境。
10.一种用于晶体提拉炉的温场建造方法，所述建造方法包括以下步骤，
S1：首先开启电源模块为气氛控制模块供电，利用气氛控制模块抽取晶体炉中的空气，并提供真空环境或者其他指定气氛；
S2：然后电源模块为温场模块中的感应生热单元提供变化的交流电，使坩埚单元感应生热熔化晶体原料，同时后加热单元辅助坩埚单元搭建温度梯度；
S3：然后利用保温模块维持晶体炉内部温度；
S4：然后电源模块为称重模块和传动提拉模块供电，传动提拉模块中的提拉杆单元在电机模块和传动杠单元的协同下接触坩埚单元中熔化的晶体原料，进行晶体生长，同时称重模块根据称重传感器单元接收的信号不断调整传动提拉模块的电机模块。
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