CN112176401B - 一种适用于多尺寸晶体生长的热场设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种晶体生长的热场设备及方法，属于晶体制备领域。解决晶体生长尺寸单一，效率低难量产的问题。包括冷却保护系统、抽真空系统、仪表控制系统、工艺供气系统、坩埚升降系统、热场保温系统、感应加热系统、红外检测系统、感应加热升降系统、电源高频加热系统、空调系统和供电系统，热场保温系统下侧安装坩埚升降系统，热场保温系统外侧安装感应加热系统，热场保温系统上侧安装红外检测系统，热场保温系统与冷却保护系统连接，抽真空系统与热场保温系统和工艺供气系统连接，热场保温系统和工艺供气系统与仪表控制系统连接，电源高频加热系统与仪表控制系统连接，感应加热升降系统与感应加热系统连接。能根据不同尺寸的长晶要求制备晶体。

Description

一种适用于多尺寸晶体生长的热场设备及方法

技术领域

本发明涉及一种晶体生长的热场设备及方法，属于晶体制备技术领域。

背景技术

晶体是在物相转变的情况下形成的。物相有三种，即气相、液相和固相。只有晶体才是真正的固体。由气相、液相转变成固相时形成晶体，固相之间也可以直接产生转变。晶体生成的一般过程是先生成晶核，而后再逐渐长大。一般认为晶体从液相或气相中的生长有三个阶段：①介质达到过饱和、过冷却阶段；②成核阶段；③生长阶段。

我国晶体生长设备的现状我国人工晶体材料有了很大的发展,多种晶体处于世界先进水平。然而,从整体来看还很不适应国民经济和国防建设高速发展的需要,晶体生长设备的制约是主要因素之一。

现有长晶工艺设备一般都只能生长单一尺寸的晶体，一般是电阻加热和感应加热两种长晶形式，生长晶体能耗高，效率低很难量产。

基于上述问题，亟需提出一种适用于多尺寸晶体生长的热场设备及方法，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明提供一种适用于多尺寸晶体生长的热场设备及方法，本发明研发解决的是现有设备生长晶体尺寸单一，生长晶体能耗高，效率低很难量产的问题。在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

本发明的技术方案：

一种适用于多尺寸晶体生长的热场设备，包括冷却保护系统、抽真空系统、仪表控制系统、工艺供气系统、坩埚升降系统、热场保温系统、感应加热系统、红外检测系统、感应加热升降系统、电源高频加热系统、空调系统和供电系统，热场保温系统的下侧安装有坩埚升降系统，热场保温系统的外侧安装有感应加热系统，热场保温系统的上侧安装有红外检测系统，热场保温系统与冷却保护系统建立连接，冷却保护系统通过电源高频加热系统与感应加热系统建立连接，抽真空系统分别与热场保温系统和工艺供气系统建立连接，热场保温系统和工艺供气系统分别与仪表控制系统建立连接，电源高频加热系统与仪表控制系统建立连接，感应加热升降系统与感应加热系统连接，供电系统分别与冷却保护系统、电源高频加热系统和空调系统电性连接。

优选的：所述热场保温系统包括下密封法兰、保温毡、石墨坩埚、石英管和上密封法兰，石英管的上下两端分别连接下密封法兰和上密封法兰，坩埚升降系统位于下密封法兰下侧，坩埚升降系统与设置在石英管内部的托盘连接，托盘上放置有保温毡包裹的石墨坩埚，下密封法兰和上密封法兰均加工有循环水进出口，冷却保护系统分别通过循环水进出口与下密封法兰和上密封法兰连接并与下密封法兰和上密封法兰形成循环水路。

优选的：所述下密封法兰的下部具有入口接头和出口接头，抽真空系统通过出口接头与石英管连通，工艺供气系统通过入口接头与石英管连通。

优选的：所述电源高频加热系统包括可变电源和高频发生器，可变电源与高频发生器电性连接，高频发生器与感应加热系统电性连接，可变电源与供电系统电性连接。

优选的：所述感应加热升降系统包括编码器、电机、螺杆、环形托盘、连接板、升降螺母和C型架，电机上安装有编码器并与编码器电性连接，电机的输出端与螺杆连接，螺杆与C型架轴承连接，螺杆与升降螺母连接，升降螺母与连接板连接，连接板与环形托盘连接，环形托盘与感应加热系统连接。

优选的：所述连接板的数量为三个，连接板均匀布置在环形托盘外侧。

优选的：所述仪表控制系统包括第一位移控制端、电源控制端、第二位移控制端、压力控制端和温度控制端，红外检测系统与温度控制端电性连接，压力控制端3.4与压力传感器连接，压力传感器与抽真空系统连接，坩埚升降系统与第一位移控制端电性连接，可变电源与电源控制端电性连接，编码器与第二位移控制端电性连接。

优选的：所述上密封法兰上加工有观察孔，红外检测系统通过观察孔测试温度。

本发明具有以下有益效果：

1.感应加热系统可移动，用于调整热场的温度梯度，适应不同尺寸晶体生长所需要的热量；编码器通过控制系统获得的信息来控制电机的转数，来实现感应加热系统到达不同长晶时需要的加热位置，通过红外检测系统和仪表控制系统的反馈，控制系统自动调整热场压力和温度的变化，使长晶顺利完成；由于感应加热系统是可变化和可调整的，能根据不同尺寸的长晶要求，提供不同热量，其结果可生长出4、6、8寸的晶体，解决了现有技术晶体生长尺寸单一的问题；

2.本发明自动化只能化程度高，可即时对压力、温度、电源供电等进行检测，并进行信号反馈实现自动调节，在不影响晶体生长的前提下提高了能源的利用率，空调系统主要是热场的外部环境温度的控制，保证热场周围零部件不受高温影响，并能正常工作，有利于集中管理，适用于批量生产。

附图说明

图1是一种适用于多尺寸晶体生长的热场设备的结构示意图；

图2是热场保温系统的结构示意图；

图3是电源高频加热系统的结构示意图；

图4是感应加热升降系统的结构示意图；

图5是仪表控制系统的连接图；

图6是仪表控制系统的结构示意图；

图7是一种适用于多尺寸晶体生长的热场设备的主视图；

图中1-冷却保护系统，2-抽真空系统，3-仪表控制系统，3.1-第一位移控制端，3.2-电源控制端，3.3-第二位移控制端，3.4-压力控制端，3.5-温度控制端，4-工艺供气系统，5-坩埚升降系统，6-热场保温系统，6.1-下密封法兰，6.2-保温毡，6.3-石墨坩埚，6.4-石英管，6.5-上密封法兰，7-感应加热系统，8-红外检测系统，9-感应加热升降系统，9.1-编码器，9.2-电机，9.3-螺杆，9.4-环形托盘，9.6-连接板，9.7-升降螺母，9.8-C型架，10-电源高频加热系统，10.1-可变电源，10.2-高频发生器，11-空调系统，12-供电系统。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接，所述固定连接(即为不可拆卸连接)包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式，所述可拆卸连接包括但不限于螺纹连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式，未明确限定具体连接方式时，默认为总能在现有连接方式中找到至少一种连接方式能够实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择。例如：固定连接选择焊接连接，可拆卸连接选择铰链连接。

具体实施方式一：结合图1-图7说明本实施方式，本实施方式的一种适用于多尺寸晶体生长的热场设备，包括冷却保护系统1、抽真空系统2、仪表控制系统3、工艺供气系统4、坩埚升降系统5、热场保温系统6、感应加热系统7、红外检测系统8、感应加热升降系统9、电源高频加热系统10、空调系统11和供电系统12，热场保温系统6的下侧安装有坩埚升降系统5，热场保温系统6的外侧安装有感应加热系统7，感应加热系统7为感应线圈，感应线圈内不断流过变化的电流，产生感应磁场，根据电磁感应定律，磁场穿过石墨坩埚6.3产生感应电流或涡流，这个涡流产生磁通量与磁场对抗产生热量，控制这个热量也就是控制热场的温度，相较于现有设备的加热方式，在保证晶体生长效率的前提下降低了能耗，热场保温系统6的上侧安装有红外检测系统8，红外检测系统8为红外测温仪，红外测温仪通过物体发射的红外辐射能量大小来确定物体的温度，热场保温系统6与冷却保护系统1建立连接，冷却保护系统1通过电源高频加热系统10与感应加热系统7建立连接，冷却保护系统1系统压力为0.15-0.25MPa，温度10-30℃，循环水为去离子水，系保护设备的电源和密封圈部分不过热，抽真空系统2保证热场内的真空度和洁净度，使长晶过程不受污染和更好的控制温度和压力，抽真空系统2分别与热场保温系统6和工艺供气系统4建立连接，长晶工艺要求有参加长晶的气体和工艺气体(动力)，工艺供气系统4的气体必须有压力和纯度，热场保温系统6和工艺供气系统4分别与仪表控制系统3建立连接，工艺供气系统4可为设备的气动元件提供动力气源，同时也为热场提供长晶需要的调节压力气源，气体使用是惰性气体氮气和氩气，使其在长晶过程中不与其他物质进行反应，电源高频加热系统10与仪表控制系统3建立连接，感应加热升降系统9与感应加热系统7连接，供电系统12分别与冷却保护系统1、电源高频加热系统10和空调系统11电性连接，空调系统11主要是热场的外部环境温度的控制，保证室内温度四季在23C恒温，使热场周围零部件不受高温影响，并能正常工作，自动化智能化程度高，适合量产。

具体实施方式二：结合图1-图2说明本实施方式，本实施方式的一种适用于多尺寸晶体生长的热场设备，所述热场保温系统6包括下密封法兰6.1、保温毡6.2、石墨坩埚6.3、石英管6.4和上密封法兰6.5，石英管6.4的上下两端分别连接下密封法兰6.1和上密封法兰6.5，坩埚升降系统5位于下密封法兰6.1下侧，坩埚升降系统5与设置在石英管6.4内部的托盘连接，托盘上放置有保温毡6.2包裹的石墨坩埚6.3，下密封法兰6.1和上密封法兰6.5均加工有循环水进出口，冷却保护系统1分别通过循环水进出口与下密封法兰6.1和上密封法兰6.5连接并与下密封法兰6.1和上密封法兰6.5形成循环水路，冷却保护系统1保证热场密封处处于常温状态，冷却水是由制冷机将循环水冷却，冷却水进入下密封法兰6.1和上密封法兰6.5内部特制水腔不断循环，带走密封处的热量，在本实施例中，应当理解为本领域技术人员通过现有技术手段能够将本设备放置设备安装在一个平台上，使坩埚升降系统5、热场保温系统6和感应加热升降系统9与平台位置固定，例如，采用钢板拼焊形成一个坩埚升降系统支架，坩埚升降系统支架固定在平台上，坩埚升降系统支架上安装有升降电机，升降电机与托盘连接，实现石墨坩埚6.3的上升下降。

具体实施方式三：结合图1-图2说明本实施方式，本实施方式的一种适用于多尺寸晶体生长的热场设备，所述下密封法兰6.1的下部具有入口接头和出口接头，抽真空系统2通过出口接头与石英管6.4连通，工艺供气系统4通过入口接头与石英管6.4连通，抽真空系统2使石英管6.4内为真空状态，有利于保证石墨坩埚6.3的加热状态。

具体实施方式四：结合图1、图3说明本实施方式，本实施方式的一种适用于多尺寸晶体生长的热场设备，所述电源高频加热系统10包括可变电源10.1和高频发生器10.2，可变电源10.1与高频发生器10.2电性连接，高频发生器10.2与感应加热系统7电性连接，可变电源10.1与供电系统12电性连接，电源高频加热系统10通过整流和逆变将供电转换为所需的中频电源，中频电源连接到感应线圈感应加热系统7，供电系统12为市电380V稳压电源。

具体实施方式五：结合图1、图4、图5说明本实施方式，本实施方式的一种适用于多尺寸晶体生长的热场设备，所述感应加热升降系统9包括编码器9.1、电机9.2、螺杆9.3、环形托盘9.4、连接板9.6、升降螺母9.7和C型架9.8，电机9.2上安装有编码器9.1并与编码器9.1电性连接，电机9.2的输出端与螺杆9.3连接，螺杆9.3与C型架9.8轴承连接，螺杆9.3与升降螺母9.7连接，升降螺母9.7与连接板9.6连接，连接板9.6与环形托盘9.4连接，环形托盘9.4与感应加热系统7连接，C型架9.8与平台固定连接。

具体实施方式六：结合图1、图4说明本实施方式，本实施方式的一种适用于多尺寸晶体生长的热场设备，所述连接板9.6的数量为三个，连接板9.6均匀布置在环形托盘9.4外侧。

具体实施方式七：结合图1-图7说明本实施方式，本实施方式的一种适用于多尺寸晶体生长的热场设备，所述仪表控制系统3包括第一位移控制端3.1、电源控制端3.2、第二位移控制端3.3、压力控制端3.4和温度控制端3.5，红外检测系统8与温度控制端3.5电性连接，压力控制端3.4与压力传感器连接，压力传感器与抽真空系统2连接，坩埚升降系统5与第一位移控制端3.1电性连接，可变电源10.1与电源控制端3.2电性连接，编码器9.1与第二位移控制端3.3电性连接，通过压力传感器和红外检测系统8反馈的信号自动控制和调整加热温度和工艺供气系统4的供气压力，使长晶按工艺要求进行；红外检测系统8将采集到的测温点的温度传输到温度控制端3.5，温度控制端3.5采集到数据后对电源高频加热系统10功率等参数进行调整，并结合具体反应阶段通过与第二位移控制端3.3连接的编码器9.1调整电机9.2动作，电机9.2驱动螺杆9.3带动升降螺母9.7运动，实现感应加热系统7的可控缓慢移动。

具体实施方式八：结合图1-图2说明本实施方式，本实施方式的一种适用于多尺寸晶体生长的热场设备，所述上密封法兰6.5上加工有观察孔，红外检测系统8通过观察孔测试温度。

具体实施方式就：结合图1-图7说明本实施方式，本实施方式的一种适用于多尺寸晶体生长的热场设备的晶体制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：将原料装入石墨坩埚6.3，使用保温毡6.2包裹石墨坩埚6.3，然后将包裹好的石墨坩埚6.3放置在托盘上，升降电机将石墨坩埚6.3运动到热场保温系统6中，升降电机的功率是按8寸坩埚重量设计的，所以4、6、8寸坩埚都可以提升，热场也是根据最大8寸长晶要求设计的，所以热场能容纳4、6、8寸规格的晶体长晶要求，升降电机连接有减速机，升降电机启动经减速机减速达到升降要求的速度，如果不经减速速度太快会影响长晶粉的稳定性，减速器的作用主要降低电机转速，使干锅缓慢而稳定的升降；

步骤二：石墨坩埚6.3进入热场，经密封后热场开始抽真空，真空度达到要求后开始启动感应加热系统7；供电系统12的供电经过电源高频加热系统10给感应加热系统7供电，感应加热系统7主要提供长晶需要的热源，感应加热系统7可移动，用于调整热场的温度梯度，维度控制精确，适应不同尺寸晶体生长所需要的热量；

步骤三：编码器9.1通过控制系统获得的信息来控制电机9.2的转数，来实现感应加热系统7到达不同长晶时需要的加热位置，通过红外检测系统8和仪表控制系统3的反馈，控制系统自动调整热场压力和温度的变化，使长晶顺利完成；由于感应加热系统7是可变化和可调整的，能根据不同尺寸的长晶要求，提供不同热量，其结果可生长出4、6、8寸的晶体。

需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。

本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (7)

1.一种适用于多尺寸晶体生长的热场设备的晶体制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：将原料装入石墨坩埚(6.3)，使用保温毡(6.2)包裹石墨坩埚(6.3)，然后将包裹好的石墨坩埚(6.3)放置在托盘上，升降电机将石墨坩埚(6.3)运动到热场保温系统(6)中；

步骤二：石墨坩埚(6.3)进入热场，经密封后热场保温系统(6)内开始抽真空，真空度达到要求后开始启动感应加热系统(7)，供电系统(12)的供电经过电源高频加热系统(10)给感应加热系统(7)供电；

步骤三：编码器(9.1)通过控制系统获得的信息来控制电机(9.2)的转数，来实现感应加热系统(7)到达不同长晶时需要的加热位置，通过红外检测系统(8)和仪表控制系统(3)的反馈，控制系统自动调整热场压力和温度的变化，使长晶顺利完成；

所述热场设备包括冷却保护系统(1)、抽真空系统(2)、仪表控制系统(3)、工艺供气系统(4)、坩埚升降系统(5)、热场保温系统(6)、感应加热系统(7)、红外检测系统(8)、感应加热升降系统(9)、电源高频加热系统(10)、空调系统(11)和供电系统(12)，热场保温系统(6)的下侧安装有坩埚升降系统(5)，热场保温系统(6)的外侧安装有感应加热系统(7)，热场保温系统(6)的上侧安装有红外检测系统(8)，热场保温系统(6)与冷却保护系统(1)建立连接，冷却保护系统(1)通过电源高频加热系统(10)与感应加热系统(7)建立连接，抽真空系统(2)分别与热场保温系统(6)和工艺供气系统(4)建立连接，热场保温系统(6)和工艺供气系统(4)分别与仪表控制系统(3)建立连接，电源高频加热系统(10)与仪表控制系统(3)建立连接，感应加热升降系统(9)与感应加热系统(7)连接，供电系统(12)分别与冷却保护系统(1)、电源高频加热系统(10)和空调系统(11)电性连接；

所述感应加热升降系统(9)包括编码器(9.1)、电机(9.2)、螺杆(9.3)、环形托盘(9.4)、连接板(9.6)、升降螺母(9.7)和C型架(9.8)，电机(9.2)上安装有编码器(9.1)并与编码器(9.1)电性连接，电机(9.2)的输出端与螺杆(9.3)连接，螺杆(9.3)与C型架(9.8)轴承连接，螺杆(9.3)与升降螺母(9.7)连接，升降螺母(9.7)与连接板(9.6)连接，连接板(9.6)与环形托盘(9.4)连接，环形托盘(9.4)与感应加热系统(7)连接。

2.根据权利要求1所述的一种适用于多尺寸晶体生长的热场设备的晶体制备方法，其特征在于：所述热场保温系统(6)包括下密封法兰(6.1)、保温毡(6.2)、石墨坩埚(6.3)、石英管(6.4)和上密封法兰(6.5)，石英管(6.4)的上下两端分别连接下密封法兰(6.1)和上密封法兰(6.5)，坩埚升降系统(5)位于下密封法兰(6.1)下侧，坩埚升降系统(5)与设置在石英管(6.4)内部的托盘连接，托盘上放置有保温毡(6.2)包裹的石墨坩埚(6.3)，下密封法兰(6.1)和上密封法兰(6.5)均加工有循环水进出口，冷却保护系统(1)分别通过循环水进出口与下密封法兰(6.1)和上密封法兰(6.5)连接并与下密封法兰|(6.1)和上密封法兰(6.5)形成循环水路。

3.根据权利要求2所述的一种适用于多尺寸晶体生长的热场设备的晶体制备方法，其特征在于：所述下密封法兰(6.1)的下部具有入口接头和出口接头，抽真空系统(2)通过出口接头与石英管(6.4)连通，工艺供气系统(4)通过入口接头与石英管(6.4)连通。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种适用于多尺寸晶体生长的热场设备的晶体制备方法，其特征在于：所述电源高频加热系统(10)包括可变电源(10.1)和高频发生器(10.2)，可变电源(10.1)与高频发生器(10.2)电性连接，高频发生器(10.2)与感应加热系统(7)电性连接，可变电源(10.1)与供电系统(12)电性连接。

5.根据权利要求1所述的一种适用于多尺寸晶体生长的热场设备的晶体制备方法，其特征在于：所述连接板(9.6)的数量为三个，连接板(9.6)均匀布置在环形托盘(9.4)外侧。

6.根据权利要求1或5所述的一种适用于多尺寸晶体生长的热场设备的晶体制备方法，其特征在于：所述仪表控制系统(3)包括第一位移控制端(3.1)、电源控制端(3.2)、第二位移控制端(3.3)、压力控制端(3.4)和温度控制端(3.5)，红外检测系统(8)与温度控制端(3.5)电性连接，压力控制端(3.4)与压力传感器连接，压力传感器与抽真空系统(2)连接，坩埚升降系统(5)与第一位移控制端(3.1)电性连接，可变电源(10.1)与电源控制端(3.2)电性连接，编码器(9.1)与第二位移控制端(3.3)电性连接。

7.根据权利要求2所述的一种适用于多尺寸晶体生长的热场设备的晶体制备方法，其特征在于：所述上密封法兰(6.5)上加工有观察孔，红外检测系统(8)通过观察孔测试温度。

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