CS262076B1

CS262076B1 - Tube furnace with controlable thermal regime

Info

Publication number: CS262076B1
Application number: CS873066A
Authority: CS
Inventors: Tomislav Rndr Simecek; Viktorin Charvat
Original assignee: Tomislav Rndr Simecek; Viktorin Charvat
Priority date: 1987-04-30
Filing date: 1987-04-30
Publication date: 1989-02-10
Also published as: CS306687A1

Abstract

Teplotní režim trubkové pece, určené zejména pro přípravu monokrystalů, Je regulován změnou tepelné ztráty dané velikostí účinné plochy radiačního pláště. Radiační plášť je uspořádán okolo vnějšího povrchu trubkové pece. Může být upraven přestavitelně vůči trubkové peci a za účelem plynulé změny koeficientu odrazu může sestávat i z několika vrstev perforovaného materiálu, uložených vůči sobě přestavitelně.The temperature regime of the tube furnace, intended in particular for single crystal preparation, Is regulated by changing the heat loss by size effective surfaces of the radiation sheath. Radiation the housing is arranged around the outer surface tubular furnaces. It can be customized with respect to the tube furnace and for the purpose of continuous operation the change in the reflection coefficient may consist even from several layers of perforated material, stored relative to each other.

Description

(54] Trubková pec s regulovaným teplotním režimem í(54) Controlled temperature mode tube furnace.

Teplotní režim trubkové pece, určené zejména pro přípravu monokrystalů, Je regulován změnou tepelné ztráty dané velikostí účinné plochy radiačního pláště. Radiační plášť je uspořádán okolo vnějšího povrchu trubkové pece. Může být upraven přestavitelně vůči trubkové peci a za účelem plynulé změny koeficientu odrazu může sestávat i z několika vrstev perforovaného materiálu, uložených vůči sobě přestavitelně.The temperature mode of the tube furnace, especially for the preparation of single crystals, is controlled by varying the heat loss given by the size of the effective area of the radiation jacket. The radiation jacket is arranged around the outer surface of the tube furnace. It may be displaceably adjusted to the tube furnace and may consist of a plurality of layers of perforated material displaceably displaceable relative to one another in order to continuously change the reflection coefficient.

³³

Vynález se týká trubkové pece, zejména pro přípravu monokrystalů, a řeší technický problém nastavení a regulace průběhu teploty uvnitř této pece.The invention relates to a tube furnace, in particular for the preparation of single crystals, and solves the technical problem of adjusting and controlling the temperature curve inside the furnace.

Uvnitř trubkové pece používané při průmyslové výrobě polovodičových materiálů je třeba pří provozu nastavit a dále udržovat s vysokou přesností průběh teploty v souladu s technologickými předpisy. K těmto požadavkům se přihlíží již při projektu a konstrukci trubkové pece, avšak výsledek je obvykle jen v přibližné shodě se záměrem. Kromě toho i v průběhu používání trubkové pece se mohou měnit požadavky na rozložení vnitřních teplot, takže za provozu je nutné teplotní průběh v trubkové peci korigovat podle skutečné potřeby.Inside the tube furnace used in the industrial production of semiconductor materials, the temperature curve must be set and maintained with high accuracy during operation in accordance with technological regulations. These requirements are already taken into account in the design and construction of the furnace, but the result is usually only in approximate agreement with the intention. In addition, even during the use of the furnace, the requirements for the distribution of the internal temperatures may vary, so that during operation the temperature curve in the furnace must be corrected to the actual need.

Za tím účelem se stavějí trubkové pece s větším počtem nezávisle vytápěných sekcí, s přitápěcími vložkami, s chladicími vložkami, popřípadě se do trubkových pecí vkládají vložky se zvýšenou tepelnou vodivostí.For this purpose, tube furnaces with a plurality of independently heated sections, with heating inserts, with cooling inserts, or with inserts with increased thermal conductivity, are built into the tube furnaces.

Za provozu bývá rovněž třeba měnit časový průběh teploty uvnitř materiálu zpracovávaného v trubkové peci, což se realizuje buď změnou· polohy materiálu, anebo i posouváním pece podél materiálu.During operation, it is also necessary to change the time course of the temperature inside the material processed in the tube furnace, which is realized either by changing the position of the material or by moving the furnace along the material.

Ve všech uvedených případech je nutno trubkovou pec vybavit dostatečným počtem měřicích a regulačních elementů a v případě časově proměnných změn teploty i programovým regulátorem nebo počítačem. Z toho je patrno, že uvedená známá řešení jsou přístrojově značně náročná.In all these cases, the pipe furnace must be equipped with a sufficient number of measuring and control elements and, in the case of time-varying temperature changes, with a program controller or computer. This shows that the known solutions are very demanding in terms of equipment.

Uvedené nevýhody jsou odstraněny trubkovou pecí podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že alespoň okolo části vnějšího povrchu trubkové pece je upraven radiační plášť. Tento radiační plášť může být uspořádán přestavitelně vůči trubkové peci. Je výhodné, když radiační plášť sestává alespoň ze dvou vrstev perforovaného materiálu, které jsou uloženy vůči sobě přestavitelně.These disadvantages are overcome by the tube furnace according to the invention, characterized in that a radiation jacket is provided at least around a part of the outer surface of the tube furnace. The radiation jacket may be displaceably disposed relative to the tube furnace. It is preferred that the radiation jacket consists of at least two layers of perforated material which are displaceably disposed relative to one another.

Výhodou předloženého řešení je použití jednoduchých technických opatření k regulování jak časového, tak i prostorového průběhu teploty uvnitř pece. Teplota uvnitř pece se reguluje změnami tepelných ztrát, které jsou závislé na velikosti účinné plochy radiačního pláště, popř. jeho poloze vůči trubkové peci. Řízeným pohybováním dílčího radiačního pláště, obklopujícího jen část pece, se dosáhne změny časového průběhu vnitřní teploty v jednotlivých místech vnitřku trubkové pece. U pláště sestávajícího z více vrstev je možno vzájemným přestavováním těchto vrstev plynule měnit odrazivost radiačního pláště a tím jeho účinnost. Tak se ovlivňuje rovnoměrně teplota v celém vnitřním prostoru pece.The advantage of the present solution is the use of simple technical measures to regulate both the temporal and spatial course of temperature inside the furnace. The temperature inside the furnace is controlled by variations in heat loss, which are dependent on the size of the effective area of the radiation jacket, respectively. its position relative to the tube furnace. By controlling the partial radiation cladding surrounding only a portion of the furnace, a change in the time course of the internal temperature at the individual locations of the furnace interior is achieved. In a multi-layer jacket, the reflectance of the radiation jacket and thus its efficiency can be varied continuously by adjusting the layers together. In this way, the temperature is uniformly influenced throughout the interior of the furnace.

Uvedené účinky se ovšem v plné míře dostaví pouze u takových radiačních pecí, u nichž podstatná část přestupu tepla do okolí se děje zářením. V technické praxi jsou to pece, u nichž je teplota vnějšího povrchu zpravidla vyšší než 300 °C. Z konstrukčního hlediska jsou pro aplikaci vynálezu vhodné trubkové pece s průhlednou plášťovou trubicí ze skla nebo taveného křemene, u nichž jsou ztráty radiací vysoké oproti přestupu tepla vedením. Použitím radiačního pláště se ovšem mění poněkud i tepelné ztráty vedením, protože kolem pece se vytváří vrstva teplejšího vzduchu, takže výsledný efekt vzniká kombinací obou jevů.However, these effects will only fully occur in radiation furnaces in which a significant part of the heat transfer to the environment is due to radiation. In technical practice, these are furnaces in which the external surface temperature is generally above 300 ° C. From the constructional point of view, tube furnaces with a transparent casing of glass or fused quartz are suitable for the application of the invention, where the radiation losses are high compared to the heat transfer through the conduit. However, the use of a radiation cladding also changes the heat loss somewhat, since a layer of warmer air is formed around the furnace, so that the resulting effect is a combination of both.

Na výkrese je znázorněno na obr. 1 uspořádání trubkové pece s radiačním pláštěm spolu s grafickým vyjádřením teplotního efektu radiačního pláště, na obr. 2 je pohled na část radiačního pláště sestávajícího ze dvou vrstev perforovaného materiálu.In the drawing, Fig. 1 shows a configuration of a radiation furnace tubular furnace together with a graphical representation of the temperature effect of the radiation shroud;

Základem trubkové pece znázorněné na obr. 1 je nosná keramická trubice 2 s topným elektrickým vinutím 3. Plášť trubkové pece je uzavřen čely 1, 1‘, mezi nimiž je sevřena plášťová trubice 4, která může být výhodně provedena ze skla nebo z taveného křemene. Část plášťové trubice 4 je obklopena radiačním pláštěm 5, který omezuje vyzařování tepelné energie. Na dolní části obr. 1 je znázorněn graf průběhu teploty uvnitř trubkové pece. Na svislé ose grafu se vynáší absolutní teplota T a na vodorovné ose koordináta x, vyjadřující odlehlost od levého čela 1 trubkové pece. První teplotní křivka 6 udává průběh teploty T uvnitř trubkové pece bez použití radiačního pláště 5. Z grafu je patrno, že teplota T v peci plynule na obou koncích klesá směrem k čelům 1, 1‘, která jsou vystavena chladicím účinkům okolního prostředí a nejsou vyhřívána topným elektrickým vinutímThe base of the tubular furnace shown in FIG. 1 is a ceramic support tube 2 with electric heating coil 3. The casing of the tubular furnace is closed by faces 1, 1 ', between which the casing tube 4 is clamped, which can be made of glass or fused quartz. Part of the sheath tube 4 is surrounded by a radiation sheath 5 which limits the emission of thermal energy. In the lower part of FIG. 1, a graph of the temperature inside the tube furnace is shown. On the vertical axis of the graph, the absolute temperature T is plotted, and on the horizontal axis, the coordinate x expresses the distance from the left face 1 of the tube furnace. The first temperature curve 6 gives the course of the temperature T inside the tube furnace without the use of a radiation jacket 5. The graph shows that the temperature T in the furnace decreases continuously at both ends towards faces 1, 1 'which are exposed to the cooling effects of the environment and not heated. electric heating coil

3. Uvnitř trubkové pece je podle první křivky 6 teplota T v zásadě konstantní.3. Inside the tube furnace, according to the first curve 6, the temperature T is essentially constant.

Naproti tomu druhá křivka 7 znázorňuje průběh teploty T uvnitř pece, opatřené na části vnějšího povrchu radiačním pláštěmOn the other hand, the second curve 7 shows the course of the temperature T inside the furnace provided with a radiation jacket on part of the outer surface.

5. Z grafu je zřetelně patrno, že na úseku vymezeném koordinátami xi a xz vlivem radiačního pláště 5 vnitřní teplota T v trubkové peci v důsledku omezení radiačních tepelných ztrát plynule stoupá až na novou konstantní úroveň. Při přestavování radiačního pláště 5 podél trubkové pece se bude odpovídající měrou posouvat podél koordináty x 1 teplotní maximum znázorněné na druhé křivce 7.5. The graph clearly shows that in the section defined by coordinates xi and xz due to the radiation jacket 5, the internal temperature T in the tube furnace increases steadily to a new constant level due to the reduction of radiation heat losses. When adjusting the radiation jacket 5 along the tube furnace, the temperature maximum shown in the second curve 7 will shift correspondingly along the coordinate x 1.

Při nesouměrném provedení radiačního pláště 5, který bude překrývat plášťovou trubici 4 jen po části jejího obvodu, se obdrží průběh teploty T uvnitř trubkové pece prostorově deformovaný. Např. v místě přivráceném k radiačnímu plášti S bude teplota T vyšší než v místě nechráněném proti radiačním ztrátám tepelné energie..In the asymmetrical design of the radiation jacket 5, which will cover the jacket tube 4 only over a part of its circumference, the temperature curve T inside the tube furnace is spatially deformed. E.g. at the point facing the radiation jacket S the temperature T will be higher than at the place not protected against radiation losses of thermal energy.

Zmíněné nesouměrné provedení radiačního pláště S je možné užít v kombinaci s jeho posunem nebo pootáčením během tepelné operace v trubkové peci· Tak lze vyhovět i dosti složitým technologickým požadavkům na tepelné zpracování materiálů.Said asymmetric design of the radiation jacket S can be used in combination with its displacement or rotation during a heat treatment in a tube furnace. Thus, the rather complex technological requirements for heat treatment of materials can be met.

Jestliže je nutno průběh teploty T uvnitř trubkové pece ještě jemněji korigovat, může se radiační plášť 5 složit alespoň ze dvou vrstev <&, 9 perforovaného materiálu. Jak je znázorněno na obr. 2, jsou v první vrstvě 8 přední perforační otvory 10 a ve druhé vrstvě 9 jsou zadní perforační otvory 11. Vzájemným přestavováním obou vrstev 8 a 9 se mění velikost volných radiačních průchodů 12 vznikajících překrytím předních perforačních otvorů 10 se zadními perforačními otvory 11. Nastavené velikosti volných radiačních průchodů 12 odpovídá i úroveň radiačních tepelných ztrát z trubkové pece. Takto lze fyzikálně realizovat radiační plášť 5 s proměnlivým koeficientem odrazu.If the temperature curve T inside the tube furnace needs to be corrected even more finely, the radiation jacket 5 can be composed of at least two layers of perforated material. As shown in FIG. 2, there are front perforation holes 10 in the first layer 8 and rear perforation holes 11 in the second layer 9. Relative adjustment of the two layers 8 and 9 varies the size of the free radiation passages 12 resulting from the overlap of the front perforation holes 10 with the rear. The set sizes of the free radiation passages 12 correspond to the level of radiation heat losses from the tube furnace. In this way, it is physically possible to realize a radiation jacket 5 with a variable reflection coefficient.

Pro automatizaci a opakovanou reprodukovatelnost výrobních procesů může být pohyb radiačního pláště 5 vcelku, popř. obou jeho vrstev 8, 9 ve vzájemné vazbě, ovládán programově řízeným pohybovým mechanismem.For the automation and repeated reproducibility of the manufacturing processes, the movement of the radiation jacket 5 can be integrated as a whole. of both its layers 8, 9 in mutual relationship, controlled by a programmed motion mechanism.

Vlastností předmětného řešení lze výhodně využít pro pěstování monokrystalů směrovým chlazením z tavenin nebo vysokoteplotních roztoků.The properties of the present invention can be advantageously utilized for the cultivation of single crystals by directional cooling from melt or high temperature solutions.

Claims

SUBJECT

A temperature-controlled tubular furnace, characterized in that at least a part of its outer surface is provided with a radiation jacket (5).

Tube furnace according to claim 1, characterized in that the radiation jacket (5j) is displaceably disposed relative to the tube furnace.

Tube furnace according to Claims 1 and 2, characterized in that the radiation jacket (5j) consists of at least two layers (8, 9) of perforated material, the layers (8, 9) being displaceable relative to one another.