CN211509329U - 一种单晶元件制备系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种单晶元件制备系统，包括：密闭壳体，还包括：电磁加热装置，设置于所述密闭壳体外部，用于提供电磁加热的交变磁场；加热工装，设置于所述密闭壳体内部，内固定有用于通过高温退火生成所述单晶元件的多晶元件；所述加热工装感应所述交变磁场产生热量，且所述电磁加热装置沿着所述加热工装的延伸方向移动。本申请提供的单晶元件制备系统，升温快，温度梯度可控，加快了晶界的延伸速度，提高制备成的单晶元件的效率和质量。

Description

一种单晶元件制备系统

技术领域

本申请属于晶体材料制造领域，具体涉及一种单晶元件制备系统。

背景技术

单晶铜是非常好的衬底材料，在表面科学、薄膜制备方面起到了越来越重要的作用，特别是近年铜上石墨烯的生长越发成熟，单晶铜箔对于提高石墨烯的质量具有重要作用。

目前，所使用的单晶铜的制备方法主要是对多晶铜箔进行退火，使得多晶铜箔中的晶界延伸，直至消失，形成单晶铜。其中，退火主要是依靠高温对多晶铜进行全面加热；特别是在制备大尺寸的单晶铜时，依靠高温对多晶铜进行全面加热，存在升温慢、加热的温度梯度不易精确控制，影响晶界的延伸速度；进而造成制备的单晶铜的效率和质量存在缺陷和不足。

实用新型内容

本申请的目的是提供一种单晶元件制备系统，以解决现有技术中的不足，通过对多晶元件的局部进行加热并控制加热区域，使得多晶元件具有明显的温度梯度，提高多晶元件的晶界延伸速度，进而提高制备的单晶元件的效率和质量。

本申请采用的技术方案如下：

一种单晶元件制备系统，包括：密闭壳体，还包括：

电磁加热装置，设置于所述密闭壳体外部，用于提供电磁加热的交变磁场；

加热工装，设置于所述密闭壳体内部，内固定有用于通过高温退火生成所述单晶元件的多晶元件；

所述加热工装感应所述交变磁场产生热量，且所述电磁加热装置沿着所述加热工装的延伸方向移动。

进一步的，所述电磁加热装置包电磁源和移动部件，其中，所述电磁源装置固定在所述移动部件上。

进一步的，所述电磁源包括相互电连接的电源和感应线圈；其中，所述电源固定在所述移动部件上；所述感应线圈绕设在所述密闭壳体外部。

进一步的，所述电源为交流电源；其中，所述交流电源的频率为50-200KHz，功率为20-50KW。

进一步的，所述加热工装包括间隙配合的第一石墨块和第二石墨块；其中，所述多晶元件固定在所述第一石墨块和所述第二石墨块之间。

进一步的，所述第一石墨块靠近所述第二石墨块的一面设置有凹槽，用于放置所述多晶元件。

进一步的，所述凹槽与所述多晶元件间隙配合。

进一步的，所述第二石墨块朝向所述第一石墨块的一面设置有凸台，所述凸台与所述凹槽间隙配合，用于固定所述多晶元件。。

进一步的，所述多晶元件的一端为尖端形状。

进一步的，所述加热装置从所述多晶元件的所述尖端位置开始向所述多晶元件的另一端水平移动。

与现有技术相比，本申请通过在密闭壳体外部设置电磁加热装置，用于提供电磁加热的交变磁场；并在密闭壳体内部设置加热工装，所述加热工装内固定有用于通过高温退火生成所述单晶元件的多晶元件；所述加热工装感应所述交变磁场，基于趋肤效应原理，在内部产生电流，进而产生热量，可以使得固定在所述加热工装内的所述多晶元件的温度快速上升；且由于所述电磁加热装置沿着所述加热工装的延伸方向移动，采取局部加热，减小加热面积，并通过对所述电磁加热装置的移动速度和电磁强度进行调控，可以精确的控制所述加热工装的温度梯度，进而控制所述加热工装内的所述多晶元件的温度梯度，加快晶界的延伸速度，提高制备成的单晶元件的效率和质量。

附图说明

图1是本申请单晶元件制备系统组成图；

图2是本申请加热工装剖视图；

图3是本申请多晶元件尖端加工图1；

图4是本申请多晶元件尖端加工图2。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

如图1所示，本申请的实施例提供了一种单晶元件制备系统，包括密闭壳体3、电磁加热装置1和加热工装2，其中：所述电磁加热装置1设置于所述密闭壳体3外部，用于提供电磁加热的交变磁场；所述加热工装2设置于所述密闭壳体3内部，内固定有用于通过高温退火生成所述单晶元件的多晶元件4；所述加热工装2感应所述交变磁场产生热量，且所述电磁加热装置1沿着所述加热工装2的延伸方向移动。

在晶体制造领域，所述单晶元件通常依靠对所述多晶元件4进行高温退火处理，使得多晶元件4中的晶界延伸，进而获得单晶元件。其中，所述高温退火可以采用直接加热和电磁加热。

本申请实施例在采用所述电磁加热的基础上，设置了可以沿着所述密闭壳体3外部移动的电磁加热装置1。通过控制所述电磁加热装置1的移动速度和电磁感应强度，可以对所述加热工装2采取局部加热，加热的温度也可以进行调控，进而使得所述加热工装2内部的所述多晶元件4具有明显的温度梯度，加快所述多晶元件4上的晶界的延伸速度，提高所述单晶元件制备的质量和效率。特别是随着所述单晶元件应用的趋势，需要的所述单晶元件的尺寸越来越大，采用本申请提供的所述电磁加热装置1可移动的间接加热法，有利于提高生产速度。

其中，如图1所示，在本申请具体实施时，所述密闭壳体3采用两边开口、中间相通的石英管，所示石英管两端通过设置法兰31进行密封；两边开口，可以用于将所述加热工装2装置进所述密闭壳体3内部；且所述石英管内部设置有限位装置33，用于保证在批量生产时，批量的所述加热工装2放置进所述所述石英管内部时，位置的一致性，避免因为所述加热工装2在所述石英管内部的放置位置不同而影响加热效果。此外，所述密闭壳体3的两端还对称设置有用于支撑的支架32。

本申请通过在密闭壳体3外部设置电磁加热装置1，用于提供电磁加热的交变磁场；并在密闭壳体内部设置加热工装2，其中，所述加热工装2内固定有用于通过高温退火生成所述单晶元件的多晶元件4；所述加热工装2感应所述交变磁场，基于趋肤效应原理，在内部产生电流，进而产生热量，可以使得固定在所述加热工装2内的所述多晶元件4的温度快速上升；且由于所述电磁加热装置1沿着所述加热工装2的延伸方向移动，采取局部加热，减小加热面积，并通过对所述电磁加热装置1的移动速度和电磁强度进行调控，可以精确的控制对所述加热工装2内的所述多晶元件4的温度梯度，加快晶界的延伸速度，提高制备成的单晶元件的效率和质量。

具体的，如图1所示，所述电磁加热装置1包电磁源11和移动部件12，其中，所述电磁源装置11固定在所述移动部件12上。可以通过控制所述移动部件12沿着所述加热工装2的延伸方向移动，使得所述电磁加热装置11对所述加热工装2进行局部加热，减小受热面积，进而使得所述加热工装2内的所述多晶元件4的具有明显的温度梯度，提高所述多晶元件4的晶界的延伸速度，进而提高制备成的单晶元件的效率和质量。

此外，所述电磁加热装置1还包括驱动装置13和温度传感器14。其中，所述驱动装置13设置在所述移动部件12上，用于驱动所述移动部件12沿着所述加热工装2的延伸方向移动；所述温度传感器14设置在所述电磁源11上，用于实时监测所述加热工装2的加热温度。通过所述驱动装置13对移动部件12的移动速度进行控制，即对所述电磁源11的移动速度进行控制，并通过所述温度传感器14实时监控所述加热工装2的加热温度，可以精准的控制所述加热工装2内的所述多晶元件4的加热温度。

在本申请具体实施时，对所述多晶元件4进行加热时，起始阶段，所述移动部件12在所述加热工装2的一端静止，对所述加热工装2的一端进行加热，并通过所述温度传感器14监测所述加热工装2的温度，当所述加热工装2上被所述电磁源11加热位置的温度上升到设定值时，通过所述驱动装置13驱动所述移动部件12向所述加热工装2的另一端移动，即控制所述电磁源11对所述加热工装2进行局部加热。

具体的，移动速度可以设置为5mm/min。当所述电磁源装置11对所述加热工装2的加热完成，即对所述加热工装2内的所述多晶元件4的加热完成之后，即完成多晶元件14高温退火得到单晶元件的过程。整个加热过程中所述电磁源装置11的局部加热速度可控、加热温度可控，有利于实现自动化生产，提高生产效率。

如图1所示，所述电磁源11包括相互电连接的电源111和感应线圈112；其中，所述电源111固定在所述移动部件12上；所述感应线圈112绕设在所述密闭壳体3外部。通过所述电源111输出电流到所述感应线圈112，由电磁感应原理可知，所述感应线圈112周围产生磁场；当通过在所述感应线圈112内部设置导体即所述加热工装2时，所述加热工装2可以感应所述感应线圈112磁场。当对所述加热工装2进行电磁加热时，通过所述移动部件12带着所述电源111沿着所述加热工装2的延伸方向移动，进而控制所述感应线圈112沿着所述加热工装2的延伸方向移动，对所述加热工装2通过电磁感应原理进行局部加热。

其中，所述感应线圈112的绕制形状可以为圆形、方形、菱形等，本申请实施时，所述感应线圈112绕制成圆形设置在所述密闭壳体3外部，使得所述感应线圈112内部磁场分布均匀，所述加热工装2感应磁场效果稳定，即加热温度误差小，有利于对所述加热工装2内的所述多晶元件4的加热效果，进而提高由所述多晶元件4制备成的所述单晶元件的质量。

此外，所述感应线圈112的内径可以绕制为20-80mm，所述感应线圈112的轴向长度可以绕制成10-50mm。在本申请具体实施的时候，所述感应线圈112的线圈的内径绕制为60mm，所述感应线圈112的轴向长度绕制为20mm，确保所述感应线圈112在随着所述移动部件12移动时的稳定性，不会因为晃动影响对所述加热工装2的加热效果。

需要说明的是，本申请实施时，所述电源11选择为交流电源；其中：所述交流电源的频率为50-200KHz，功率为20-50KW。由电磁感应原理可知，设置于静止磁场中的导体，导体上是没有电流产生的，当穿过导体的磁通量发生变化时，即磁场本身发生变化或导体在磁场中移动切割磁感应线时，导体上才会有电流产生。在本申请具体实施时，所述加热工装2作为导体设置在所述密闭壳体3内部，相比较于采用所述加热工装2移动而言，改变所述感应线圈112中的磁场更容易实现。将所述电源11设置为交流电源，可以使得所述感应线圈112产生的磁场发生变化，进而使得所述感应线圈112内的所述加热工装2感应的磁通量发生变化，产生电流，达到加热的效果。

此外，所述电源11的频率和功率，可以依据所需要加热的所述加热工装2内的所述多晶元件4的尺寸以及加热温度需求来设定，本申请在具体实施，当所述多晶元件4选择为多晶铜时，所述电源11的频率设置为100KHz，功率设置为40KW，可以保证对所述多晶铜的加热温度达到工艺需求。

如图2所示，所述加热工装2包括间隙配合的第一石墨块21和第二石墨块22；其中，所述多晶元件4固定在所述第一石墨块21和所述第二石墨块22之间。由于需要所述加热工装2感应所述电磁加热装置1产生的交变磁场产生电流进而发热，因此需要所述加热工装2具有良好的导电率，同时还需要具备较好的导热效果，能够将达到对所述加热工装2内设置的所述多晶元件4的加热效果；石墨材料能够同时满足所述加热工装2的导电和导热效果，且石墨材料对于磁场感应较为敏感，能够灵敏的感应所述电磁加热装置1产生的交变磁场。将所述加热工装2设置成间隙配合的第一石墨块21和第二石墨块22，结构简单、接触面平滑；并将所述多晶元件4固定在所述第一石墨块21和所述第二石墨块22之间，可以保证所述多晶元件4的上下面均受热，且受热均匀，有利于提高对所述多晶元件4的加热升温效果。

具体的，如图2所示，所述第一石墨块21靠近所述第二石墨块22的一面设置有凹槽211，用于放置所述多晶元件4，所述凹槽211与所述多晶元件4间隙配合。通过在所述第一石墨块21上设置于所述多晶元件4间隙配合的所述凹槽211，一方面可以将所述多晶元件4进行固定，以免左右晃动；另一方面在进行批量生产时，可以通过自动化操作，实现批量的所述多晶元件4的位置一致性，保证对各所述多晶元件4的加热效果一致性，以及制备成的所述单晶元件的一致性。

此外，如图2所示，所述第二石墨块22靠近所述第一石墨块21的一面设置有凸台221，所述凸台221与所述凹槽211间隙配合，用于固定所述多晶元件4。通过所述第一石墨块21的凹槽与所述多晶元件4间隙配合可以防止所述多晶元件4左右晃动；通过在所述第二石墨块22上设置与所述凹槽211间隙配合的所述凸台221，可以防止所述多晶元件4上下晃动。

在对所述加热工装2和所述多晶元件4进行装配时，先将所述多晶元件4放置在所述第一石墨块21的凹槽211内，再将所述第二石墨块22上的所述凸台221对准所述第一石墨块21的凹槽211进行压合，保证所述多晶元件4在所述第一石墨块21的凹槽211内的稳定性。

如图3和图4所示，所述多晶元件4的一端为尖端。在本申请实施时，所述多晶元件4在放入所述加热工装之前，将所述多晶元件4的一端加工尖端形状，所述尖端形状可以通过减掉所述多晶元件4的一个角或者同时减掉两个角形成。所述多晶元件4的尖端位置尺寸小，所述尖端位置上包含的晶界很少，接近于单晶状态，有利于在对所述多晶元件4进行加热时，加快晶界的移动。

因此，在对所述多晶元件4进行加热时，从所述尖端位置开始加热，即所述加热装置1从所述多晶元件4的所述尖端位置开始向所述多晶元件4的另一端水平移动，使得所述多晶元件4的晶界由所述尖端开始延伸，提高晶界的延伸速度和效率，进而提高制备所述单晶元件的效率。

本申请通过在密闭壳体外部设置电磁加热装置，用于提供电磁加热的交变磁场；并在密闭壳体内部设置加热工装，所述加热工装内固定有用于通过高温退火生成所述单晶元件的多晶元件；所述加热工装感应所述交变磁场，基于趋肤效应原理，在内部产生电流，进而产生热量，可以使得固定在所述加热工装内的所述多晶元件的温度快速上升；且由于所述电磁加热装置沿着所述加热工装的延伸方向移动，采取局部加热，减小加热面积，并通过对所述电磁加热装置的移动速度和电磁强度进行调控，可以精确的控制所述加热工装的温度梯度，进而控制所述加热工装内的所述多晶元件的温度梯度，加快晶界的延伸速度，提高制备成的单晶元件的效率和质量。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本申请的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本申请的较佳实施例，但本申请不以图面所示限定实施范围，凡是依照本申请的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种单晶元件制备系统，包括：密闭壳体，其特征在于，所述单晶元件制备系统还包括：

电磁加热装置，设置于所述密闭壳体外部，用于提供电磁加热的交变磁场；

加热工装，设置于所述密闭壳体内部，内固定有用于通过高温退火生成所述单晶元件的多晶元件；

所述加热工装感应所述交变磁场产生热量，且所述电磁加热装置沿着所述加热工装的延伸方向移动。

2.根据权利要求1所述的单晶元件制备系统，其特征在于，所述电磁加热装置包电磁源和移动部件；其中，所述电磁源装置固定在所述移动部件上。

3.根据权利要求2所述的单晶元件制备系统，其特征在于，所述电磁源包括相互电连接的电源和感应线圈；其中：

所述电源固定在所述移动部件上；

所述感应线圈绕设在所述密闭壳体外部。

4.根据权利要求3所述的单晶元件制备系统，其特征在于，所述电源为交流电源；其中：

所述交流电源的频率为50-200KHz，功率为20-50KW。

5.根据权利要求1所述的单晶元件制备系统，其特征在于，所述加热工装包括间隙配合的第一石墨块和第二石墨块；其中，所述多晶元件固定在所述第一石墨块和所述第二石墨块之间。

6.根据权利要求5所述的单晶元件制备系统，其特征在于，所述第一石墨块靠近所述第二石墨块的一面设置有凹槽，用于放置所述多晶元件。

7.根据权利要求6所述的单晶元件制备系统，其特征在于，所述凹槽与所述多晶元件间隙配合。

8.根据权利要求6所述的单晶元件制备系统，其特征在于，所述第二石墨块朝向所述第一石墨块的一面设置有凸台，所述凸台与所述凹槽间隙配合，用于固定所述多晶元件。

9.根据权利要求1所述的单晶元件制备系统，其特征在于，所述多晶元件的一端为尖端。

10.根据权利要求9所述的单晶元件制备系统，其特征在于，所述加热装置从所述多晶元件的所述尖端位置开始向所述多晶元件的另一端水平移动。

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