CN221071722U - 一种用于提拉法晶体生长的感应加热装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种用于提拉法晶体生长的感应加热装置，由内至外依次包括坩埚和多个感应加热层，多个感应加热层以同心圆的形式内外排列，每个感应加热层为由上至下依次排列且相互平行的多个独立的感应加热线圈组成，坩埚的高度位于内感应加热层高度的中间位置，水平位置位于感应加热线圈的圆心处，坩埚内盛放有晶体原料，晶体原料经加热后成为熔体，熔体经籽晶提拉生成晶体，籽晶和提拉生成的晶体位于坩埚中心处上方，每个感应加热线圈均通过接线口电连接有一个控制器，多个控制器集成至一个总的控制装置，通过单独控制每个感应加热线圈的控制器的开关，实现感应加热线圈与坩埚相对位置的调节，达到控制坩埚磁通量的目的。
Description
技术领域
本实用新型涉及晶体生长技术领域，尤其涉及一种用于提拉法晶体生长的感应加热装置。
背景技术
感应加热是利用电磁感应的方法使被加热的材料的内部产生电流，依靠这些涡流的能量达到加热目的。感应加热系统的基本组成包括感应线圈、交流电源、控制程序、通讯连接和导体材料。线圈和电源相连，电源为线圈提供交变电流，流过线圈的交变电流产生一个通过导体材料的交变磁场，该磁场使导体材料产生涡流来加热。
感应加热作为晶体生长领域的主流加热方式之一，往往选用铂金、铱金等贵金属坩埚作为加热体，为晶体融化提供热量，其相较于电阻丝和硅钼棒等加热方式，优点在于：直接加热坩埚，系统响应速度高，更容易获得高温；感应加热没有电连接点，温场对称性高；起炉快，热惯性小，高效节能。例如铌酸锂、钽酸锂、红宝石、蓝宝石、人造钇铝榴石(YAG).人造钆镓榴石(GGG)等晶体都是通过感应加热所制备的材料。
但是感应加热系统在实际应用中存在的主要问题在于，感应线圈一经定做，随成品炉子安装完成后就固定了位置。因此在晶体生长实际操作中，工程师只能通过调整坩埚与线圈垂直位置上的相对位置，来实现对坩埚热效率的调控，这务必会牵动整个温场系统的改变，同时，由于线圈中通有冷却循环水，因此改变了线圈与坩埚的相对位置，即改变了冷场与坩埚的位置，因此，目前使用的固定线圈不能仅通过控制线圈与坩埚相对位置这一变量，来控制坩埚的发热效率，以达到调节热场温度梯度的作用，其缺点是显而易见的。
另外，现有技术中，由于线圈螺旋式分布的原因，加热器形成的热场都是偏离中心，互相叠加起来的总热场是倾斜的。严格来说，这种不对称的加热器不利于生长的晶体，特别是用在对称性的热场中来生长晶体。而且对于特定热场所需的轴向温度梯度，传统的电感加热只能依靠线圈整体效应，无法做到某一特定范围内的精准调控。因此，设计一种用于晶体生长中可精准调控温度的加热装置已刻不容缓。
发明内容
本实用新型提出了一种用于提拉法晶体生长的感应加热装置，所述感应加热装置由内至外依次包括坩埚和多个感应加热层；
所述多个感应加热层以同心圆的形式内外排列；
每个感应加热层为由上至下依次排列且相互平行的多个独立的感应加热线圈组成；
所述坩埚的高度位于内感应加热层高度的中间位置，垂直位置位于感应加热线圈的圆心处；
坩埚内盛放有晶体原料，晶体原料经加热后成为熔体，熔体经籽晶提拉生成晶体，籽晶和提拉生成的晶体位于坩埚中心处上方。
进一步地，内外相邻感应加热层之间的间距为10mm-100mm。
进一步地，每个感应加热层包括8-30个独立的感应加热线圈。
进一步地，每个感应加热线圈为中空结构，中空结构内设有冷却循环水。
进一步地，每个感应加热线圈设有接口装置，接口装置包括接线口和接水口，接水口与冷却水循环机连通。
进一步地，每个感应加热线圈均通过接线口电连接有一个控制器，多个控制器集成至一个总的控制装置，通过单独控制每个感应加热线圈的控制器的开关，实现感应加热线圈与坩埚相对位置的调节，达到控制坩埚磁通量的目的。
进一步地，所述控制器控制感应加热线圈是否通电，以及控制感应加热线圈的功率和频率参数。
进一步地，同一感应加热层的两个上下相邻的感应加热线圈间距为5mm-10mm。
进一步地，感应加热线圈的截面为圆形或方形，圆形感应加热线圈截面的直径为9mm-11mm。
本实用新型具有如下技术效果：
1、提供一种用于提拉法晶体生长的感应加热装置，通过对每圈线圈进行单独控制，实现在不改变坩埚位置及温场系统的前提下，有效提升温度调节的精度，利于晶体生长；同时，现有技术中的感应加热线圈为螺旋分布，线圈螺旋分布带来的不利影响为：加热形成的热场都是偏离中心，互相叠加起来的总热场是倾斜的。这种不对称的加热器不利于生长的晶体，特别是用在对称性的热场中来生长晶体。本实用新型有效避免了现有技术中线圈螺旋式分布带来的冷凝水分布不对称的问题。
2、现有技术中改变坩埚与线圈的相对位置，只能通过改变温场底部支撑的高低来调节，势必影响整体温场系统的保温及温度梯度；采用新的加热装置，通过加热层线圈每圈的单独可控，实现线圈和坩埚垂直位置上相对位置的简易调节，来控制坩埚的发热效率，以达到调节热场温度梯度的作用。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型的单个感应加热层的结构示意图；
图2为图1的单个感应加热层的俯视图；
图3为本实用新型的一个双感应加热层的感应加热装置俯视图；
图4为本实用新型的圆形感应线圈与方形感应线圈截面示意图。
图5为本实用新型的坩埚与加热区域相对位置示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本实用新型的感应加热装置置于加热炉的外部炉体内，感应加热装置由内至外依次包括坩埚、感应加热层。
感应加热装置包括多个感应加热层，优选地包括1-3个感应加热层，多个感应加热层以同心圆的形式内外排列，相邻感应加热层之间的间距为10mm-100mm。每个感应加热层为由上至下依次排列且相互平行的8-30个独立的圆形感应加热线圈组成。如图1所示为单个感应加热层的结构示意图，图2为图1的俯视图。
感应加热线圈1为中空结构，材质优选为铜。中空结构内设有冷却循环水。每个感应加热线圈设有接口装置，接口装置包括接线口和11接水口2，接水口2与冷却水循环机12连通；每个感应加热线圈均通过接线口电连接有1个控制器，控制器控制感应加热线圈是否通电，以及控制感应加热线圈的功率、频率等参数，多个控制器集成至一个总的控制装置3。
同一感应加热层的两个上下相邻的感应加热线圈间距为5mm-10mm。感应加热线圈的平面直径为50mm-400mm。
图3为一个双感应加热层的感应加热装置俯视图。双感应加热层包括内加热层4和外加热层5，坩埚8所在的高度位于内感应加热层高度的中间位置，水平位置位于感应加热线圈的圆心处。坩埚优选铂金坩埚，工作时坩埚内有熔体7。坩埚用于盛放待熔融的晶体原料6，晶体原料经加热后成为熔体，熔体经提拉棒提拉生成晶体。提拉棒和提拉生成的晶体位于坩埚中心处上方。
感应加热线圈的截面除圆形外，也可为方形。如图4所示为圆形感应线圈与方形感应线圈截面示意图。圆形感应加热线圈截面的直径为9mm-11mm，为中空结构。感应加热线圈外壳9为导体，材质可以为铜、银、铝；感应加热线圈的中空结构内为循环冷却水10。
在优选实施例中，以一个包含9个感应加热线圈的感应加热层为例，阐述使用感应加热装置时，调整坩埚与加热区域相对位置，调控温度梯度的方法。
如图5所示，感应加热线圈共9圈，编号从上到下分别为1号至9号，每圈感应加热线圈均单独电连接一个控制器，坩埚位置固定在3号至7号之间。
首先关闭对应1、2、8、9号感应加热线圈的控制器，打开3号至7号感应加热线圈的控制器，各线圈保持同频同功率输出，即感应加热线圈与坩埚位置持平；如果想将坩埚相对感应加热线圈下移，打开1、2号感应加热线圈对应的控制器，功率和频率同3、4、5号线圈，同时关闭6、7号线圈，即坩埚相对线圈下移；如果想将坩埚相对线圈上移，打开8、9号感应加热线圈对应的控制器，功率和频率同5、6、7号线圈，同时关闭3、4号感应加热线圈，即坩埚相对感应加热线圈上移。
坩埚相对感应加热线圈移动后，由于磁通量的改变，通过调整坩埚的热效率，达到调控温度梯度的作用。
在优选实施例中，以一个包含9个感应加热线圈的感应加热层为例，阐述使用感应加热装置时，调整个别线圈的加热功率，调控通过坩埚的磁通量变化量来调节坩埚内温度梯度的方法。
感应加热线圈共9圈，编号从上到下分别为1号至9号，每圈感应加热线圈均单独电连接一个控制器，坩埚位置固定在3号至7号之间。
首先，打开1号至9号感应加热线圈的控制器，各线圈保持同频同功率输出；若想调节坩埚上部分温度梯度，通过单独升高1、2号线圈功率，由于坩埚上部分磁通量的增加，热效率提升，达到减小坩埚上部位局部温度梯度的作用。
同理，可以降低个别线圈加热功率，以增加局部温度梯度的作用。
本实用新型公开了一种晶体生长中可简易调节感应加热线圈与坩埚相对位置的加热装置，通过控制磁通量达到精准调节干锅加热温度的作用；原有水冷加热装置只有一套控制器，新方法通过多个控制程序和通讯连接对感应加热线圈每一圈均单独可控，且上下排列的每层线圈均呈水平方向，而非螺旋式分布；本申请通过控制感应加热线圈开关的数量，来实现对感应加热线圈和坩埚相对位置的调节。本实用新型也适用于所有感应加热线圈加热的方式，具有良好的应用前景。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (9)
1.一种用于提拉法晶体生长的感应加热装置，其特征在于，所述感应加热装置由内至外依次包括坩埚和多个感应加热层；
所述多个感应加热层以同心圆的形式内外排列；
每个感应加热层为由上至下依次排列且相互平行的多个独立的感应加热线圈组成；
所述坩埚的高度位于内感应加热层高度的中间位置，垂直位置位于感应加热线圈的圆心处；
坩埚内盛放有晶体原料，晶体原料经加热后成为熔体，熔体经籽晶提拉生成晶体，籽晶和提拉生成的晶体位于坩埚中心处上方。
2.根据权利要求1所述的感应加热装置，其特征在于，内外相邻感应加热层之间的间距为10mm-100mm。
3.根据权利要求1所述的感应加热装置，其特征在于：每个感应加热层包括8-30个独立的感应加热线圈。
4.根据权利要求1所述的感应加热装置，其特征在于：每个感应加热线圈为中空结构，中空结构内设有冷却循环水。
5.根据权利要求1所述的感应加热装置，其特征在于：每个感应加热线圈设有接口装置，接口装置包括接线口和接水口，接水口与冷却水循环机连通。
6.根据权利要求5所述的感应加热装置，其特征在于：每个感应加热线圈均通过接线口电连接有一个控制器，多个控制器集成至一个总的控制装置，通过单独控制每个感应加热线圈的控制器的开关，实现感应加热线圈与坩埚相对位置的调节，达到控制坩埚磁通量的目的。
7.根据权利要求6所述的感应加热装置，其特征在于：所述控制器控制感应加热线圈是否通电，以及控制感应加热线圈的功率和频率参数。
8.根据权利要求1所述的感应加热装置，其特征在于：同一感应加热层的两个上下相邻的感应加热线圈间距为5mm-10mm。
9.根据权利要求1所述的感应加热装置，其特征在于：感应加热线圈的截面为圆形或方形，圆形感应加热线圈截面的直径为9mm-11mm。
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