TWI504306B - 一種高溫長晶爐所使用的三相電阻式加熱器 - Google Patents

Description

一種高溫長晶爐所使用的三相電阻式加熱器

單晶長晶的方法有很多種，一般而言以凱氏長晶法(Kyropoulos method簡稱KY法)和柴氏拉晶法(Czochraski method簡稱CZ法)為業界所常用，在長晶過程中原料熔化的過程中，需藉由加熱器提供熱量，將裝在坩堝的原料加熱至熔點後熔化行成熔湯。熱的傳播以下列三種方式進行：傳導、對流、輻射，長晶設備通常採用設置於反應腔室或反應器外周邊以感應或電阻方式加熱。對於電阻方式加熱，最基本的要求是在高溫條件下的穩定性，否則溫度的變動會對晶體生長產生致命的影響，導致晶體生長失敗。本發明主要是針對電阻式加熱器所配置的電力供應系統做說明，運用三相電源供電的好處，使機台的性能與效率提昇，讓加熱器壽命達到最佳極致化。

根據俄羅斯專利編號SU674254及中華人民共和國專利開編號CN101760782這兩篇專利中，內文中敘述圓柱形加熱器可以使內部放置的坩堝側表面加熱生產流程，或者透過此金屬發熱體的設計來調節溫場，得到晶體生長所需要的溫度及熱場分佈。

第1圖和第2圖是根據先前技術所描述之加熱器圖面，從第1圖和第2圖可以明確看出加熱器的結構主要是由兩個半圓環金屬體(1)、縱向與橫向金屬棒(2)所構成，在電阻式加熱器的領域中，半圓環金屬體會被作 為電極使用，發明中所闡述的電阻式加熱器，知悉電學的人可知先前技術，加熱器所使用的電力供應系統必為單相迴路。

為了節省成本，晶體生長在近幾年是往大尺寸發展，像半導體矽晶圓是往18吋邁入而用在發光二極體產業的藍寶石基板是往六吋發展，從熔體中結晶合成寶石概略基本流程是：準備原料→爐體抽真空及加熱→原料熔化→晶體生長→晶體與坩堝分離→冷卻。大尺寸人工晶體的生長周期一般而言要連續兩周以上的時間，而過程中間不能中斷，其中原料熔化的過程中，需藉由加熱器提供熱量，以藍寶石而言溫度需達2100℃~2500℃，可使原料完全溶化，形成熔湯，當原料完全溶化形成熔湯時，必需讓熔湯持溫最少一小時，確保熔湯內部溫度分佈均勻且溫度適中，才可下晶種，因此電力供應系統是否能供應穩定的功率及供電效率給加熱器和設備使用就顯得格外重要。

本發明主要是針對電阻式加熱器所配置的電力供應系統而加以闡述，可知先前技術加熱器所使用的電力供應系統為單相電源，本發明是使用三相電源做為電力供應系統，主要是改善使用單相電源的缺點，如在傳輸中是不平衡的，於零至最大值間作週期性的變化，且在相等因數下(產生的功率、電壓、功率因數)，單相有較多的功率損失在導線上。電阻式加熱器使用三相電源優點如下：三相平衡時，電力傳輸效率高，功率為單相的三倍；由於電力傳輸效率高，可供應穩定之功率給加熱器使用，並可讓加熱器的電流傳輸路徑變短，縮短加熱器底部鎢棒的長度，運作時鎢棒不易斷裂，達到加熱器使用壽命變長的效果；加熱器可調整截面熱場的對 稱性及上下的溫度梯度，具有熱量供給均勻及溫場分佈均勻穩定的特點；在輸配電系統裡，就相同負載功率及線路損失而言，三相系統較單相可節省用銅量，降低系統之設置及維護費用。

本發明高溫長晶爐所使用的三相電阻式加熱器由下列幾個組件所構成：1.三個導電用銅半環、2.加熱鎢棒與固定用鎢棒。首先針對電阻式加熱器的加熱原理稍加解釋，電阻式加熱是利用金屬導電析熱的原理，將電流直接作用於工件上，使被加熱工件自身成為熱源，能將電能直接轉化為熱能。所有物質的電阻皆會因溫度而產生一些微變化，電阻隨溫度增加而增加，這是所有純金屬及大部份合金具有的性質。

以下將針對上述發明組件之功能加以詳細說明，三個導電用銅半環：數量為三個，材質為純紅銅，銅半環的厚度並無特殊規定，主要用途作為導電電極和組合加熱鎢棒及固定用鎢棒，紅銅即純銅，選擇紅銅作為電極最主要的原因具有極高之電、熱傳導性、加工性、延展性、高純度，在高溫時不會產生氫脆化作用。材質採用紅銅其目的在於使大電流通過而不會有太大的電阻損耗。加熱鎢棒與固定用鎢棒：長晶過程將原料溶化，需加熱到很高的溫度，諸如藍寶石、碳化矽等晶體的長晶溫度高達2000℃以上，因此選用具高熔點的難熔金屬鎢作為加熱體材料，鎢是稀有高熔點金屬，鎢的熔點高達3410℃，鎢的化學性質很穩定，常溫時不跟空氣和水反應，加熱鎢棒在本發明為長晶爐的加熱元件。固定在同一個銅半環上的加熱鎢棒相互之間用固定用鎢棒連接在一起，使其固定讓結構不變形，鎢棒交錯的地方用鎢線綁住固定，構成鳥籠的形狀，由於鎢棒相互連接再一起形成一並聯的電路。同一組間由若干根鎢棒等距且平行排列組成，且 相同組會對稱性的分佈在構成的鳥籠上，於加熱器的底部，不同組間鎢棒設置具有高低層次之分，共有一到三層三種結構，異面相互交錯分佈。本發明每一支鎢棒長度均相等，目的以維持均勻的熱場分佈，位於加熱器底部結構區域內的鎢棒，有些地方會彎曲呈現U字型，鎢棒彎曲的程度可具有多種的形式，但不論鎢棒形狀為何，每一支鎢棒長度均相等。

在發明摘要中所提及與三個導電用銅半環相連接的銅電極，數量為三個，材質為純紅銅，材質採用紅銅目的和上述第一點相同，主要用途作為電極和連接電源入端。電源供應系統是使用三相電源做為電力供應。何謂三相電源，三相電源就是三個電壓源的振幅、頻率完全相同，三個波形相差120度。使用三相供電比單相的好處有，具有較高的傳輸功率，輸送同樣之電力，比單相電源省下一半之壓降與電力損失，避免三相不平衡，加熱器內的電流傳輸路徑變短，縮短加熱器底部鎢棒的長度，達到加熱器使用壽命變長的效果。三個導電用銅半環和加熱鎢棒與固定用鎢棒，會構成鳥籠的形狀，參照在實施方式所敘述中的圖會更加清楚明瞭，提供長晶過程中所需要均勻穩定的溫場，鳥籠狀的加熱器所構成的尺寸大小，會依照長晶所使用的坩堝尺寸而有所不同，知悉電阻式長晶方法，會清楚明瞭本發明所敘述的論點。

1‧‧‧兩個半圓環金屬體

2‧‧‧縱向與橫向金屬棒

3a‧‧‧導電用銅半環

3b‧‧‧導電用銅半環

3c‧‧‧導電用銅半環

4‧‧‧加熱鎢棒

4a‧‧‧加熱鎢棒

4b‧‧‧加熱鎢棒

4c‧‧‧加熱鎢棒

4d‧‧‧加熱鎢棒

4e‧‧‧加熱鎢棒

4f‧‧‧加熱鎢棒

4g‧‧‧加熱器底部最長的鎢棒

5‧‧‧固定用鎢棒

5a‧‧‧加熱鎢棒與固定用鎢棒交錯的地方

6a‧‧‧長晶爐內的銅電極

6b‧‧‧長晶爐內的銅電極

6c‧‧‧長晶爐內的銅電極

7‧‧‧電源供應系統中R相

8‧‧‧電源供應系統中S相

9‧‧‧電源供應系統中S相

10a‧‧‧加熱鎢棒

10b‧‧‧加熱鎢棒

10c‧‧‧加熱鎢棒

10d‧‧‧加熱鎢棒

10e‧‧‧加熱鎢棒

10f‧‧‧加熱鎢棒

11a‧‧‧加熱鎢棒

11b‧‧‧加熱鎢棒

11c‧‧‧加熱鎢棒

11d‧‧‧加熱鎢棒

11e‧‧‧加熱鎢棒

11f‧‧‧加熱鎢棒

第1圖是根據先前技術所描述兩個半圓環金屬體俯視圖。

第2圖是根據先前技術所描述之加熱器示意圖。

第3圖本發明鳥籠狀加熱器結構之示意圖。

第4圖本發明加熱鎢棒與固定用鎢棒交錯的地方結構示意圖。

第5圖本發明加熱器底部三層鎢棒結構之示意圖。

第6圖使用單相電源加熱器時，加熱器底部最長的鎢棒示意圖。

第7圖為長晶爐內的銅電極與電源供應系統中R、S、T或(A、B、C)相所構成的物件之示意圖。

第8圖為第3圖與第7圖結合所構成的物件之示意圖。

第9圖為實施例2之示意圖。

第10圖為實施例3之示意圖。

接下來將參照附圖更清楚地描述，依據本發明某些具體實施例中，電阻式加熱器所配置的電力供應系統運作模式，其中在每一圖中，相同的元件被賦予相同的元件號碼，且不重複說明。為達成本發明先前敘述之目的，兹列舉以下實施例，並配合圖示加以說明。

實施例1，三個導電用銅半環，因數量有三個，分別以第3圖中(3a)、(3b)、(3c)來表示這三個導電用銅半環，主要用途作為導電電極和組合加熱鎢棒及固定用鎢棒，銅半環材質的選用在實施例1中選用紅銅，並無特定限制為何種材質，具有極高之電、熱傳導性之純金屬或合金都可用於本發明。

第3圖中三個導電用銅半環(3a)、(3b)、(3c)與加熱鎢棒(4)及固定用鎢棒(5)，是構成本發明加熱器的主要組件，加熱元件材質選用鎢，主要是因為鎢具有極高的熔點。加熱鎢棒(4)分別通過上述的導電用銅半環(3a)、(3b)、(3c)，導電用銅半環(3a)、(3b)、(3c)頂端的鎢棒用融溶的方式固 定住，固定在同一個銅半環上的鎢棒相互之間用固定用鎢棒連接在一起，使其固定讓結構不變形，鎢棒交錯的地方用鎢線綁住固定，由以上所述的組件，所構成的鳥籠狀加熱器，請參閱第3圖所示，上述加熱鎢棒與固定用鎢棒交錯的地方，用鎢線綁住，用鎢線綁住的結構示意圖，請參閱第4圖5(a)所示。

加熱鎢棒(4)，在實施例1數量有六組，分別以第5圖之(4a)、(4b)、(4c)、(4d)、(4e)、(4f)來表示這六組加熱鎢棒，在發明摘要中有提及，鎢棒於相同組會對稱性的分佈在構成的鳥籠上，於加熱器的底部，不同組間鎢棒設置具有高低層次之分，異面相互交錯分佈，(4a)、(4b)加熱鎢棒為相同組，(4c)、(4d)加熱鎢棒為相同組，(4e)、(4f)加熱鎢棒為相同組，經由上述的分組，(4a)、(4b)、(4c)、(4d)、(4e)、(4f)加熱鎢棒共分為三組，於加熱器的底部，會構成三層的結構，(4a)、(4b)加熱鎢棒為第一層，(4c)、(4d)加熱鎢棒為第二層，(4d)、(4f)加熱鎢棒為第三層，不同組間鎢棒設置具有高低層次之分，異面相互交錯分佈，鎢棒相互連接在一起會形成一個並聯電路，此加熱器透過電阻加熱的方式，能夠提供單晶生長爐一個穩定的溫場，裝有長單晶原料的坩堝會放置於加熱器內，於本發明內無顯示，加熱器鄰設於坩堝旁，加熱器所構成的尺寸，會依照長晶所使用的坩堝尺寸而有所不同。如第5圖所示，在實施例1中加熱鎢棒的直徑為5mm，每一組鎢棒的數量為5根，加熱器底部最長的鎢棒以(4g)來表示，每一組鎢棒於加熱器底部最長的長度為315.34mm。如第6圖所示，本實施例如用單相電源加熱器時，加熱器底部最長的鎢棒一樣以(4g)來表示，那每一組鎢棒於加熱器底部最長的長度則會變為357.6mm，由此可知使用三相電源的加熱器，其鎢 棒在底部的長度可縮短，因此減少鎢棒下垂及斷裂的機會。

長晶爐內的銅電極，數量有三個，分別以第7圖中(6a)、(6b)、(6c)來表示銅電極，長晶爐內的銅電極(6a)、(6b)、(6c)分別與第7圖中電源供應系統R(7)、S(8)、T(9)相相互連接，此兩者所構成的物件，主要用途作為電極和連接電源入端，使用三相電源作為供電系統，使用三相電源的好處，在本發明摘要與發明所欲解決的問題中已有詳細之說明，長晶爐內的銅電極(6a)、(6b)、(6c)與電源供應系統中R(7)、S(8)、T(9)(或A、B、C)相所構成的物件，請參閱第7圖所示，在實施例1長晶爐內的銅電極厚度為24mm。

在長晶過程中，會將上述發明的三個導電用銅半環(3a)、(3b)、(3c)、加熱鎢棒(4)數量有六組及固定用鎢棒(5)、長晶爐內的銅電極(6a)、(6b)、(6c)、電源供應系統中R(7)、S(8)、T(9)相，本實施例1第3圖與第7圖結合，會組合而成一個新的物件，請參閱第8圖所示，透過設備的運作，提供單晶生長爐一個穩定的溫場，從第8圖中可清楚看到三個導電銅半環(3a)、(3b)、(3c)與長晶爐內的銅電極(6a)、(6b)、(6c)，兩個電極是連在一起，我們都知道純銅的導電性和導熱性很高，僅次於銀，因此有電源供應時，兩組銅半環是當電極使用，自由電子在金屬晶體中作不規則的運動，在外電場的作用下，自由電子會做定向移動，形成電流，當電流遇到加熱鎢棒(4)時會形成電阻，此時電流要克服鎢棒的阻力要做功，因此電流做多少功，就有多少的電能轉換成熱能，這也是利用電阻加熱的原理，讓加熱鎢棒(4)在本發明成為加熱元件。

實施例2，藉由改變加熱器底部的結構，可改善長晶爐內的 熱場分佈及溫度梯度，本實施例將加熱器底部改為二層結構，以降低長晶爐內的縱向溫度結構。本實施例中加熱鎢棒(4)數量有六組，分別以第9圖中(10a)、(10b)、(10c)、(10d)、(10e)、(10f)來表示這六組加熱鎢棒，本實施例加熱鎢棒的直徑為5mm，每一組鎢棒的數量為5根，每一組鎢棒在加熱器底部最長的長度為251.59mm，(10a)、(10b)、(10c)加熱鎢棒為相同組，(10d)、(10e)、(10f)加熱鎢棒為相同組，經由上述的分組，(10a)、(10b)、(10c)、(10d)、(10e)、(10f)加熱鎢棒共分為二組，於加熱器的底部，會構成二層的結構，(10a)、(10b)、(10c)加熱鎢棒為第一層，(4d)、(4e)、(4f)加熱鎢棒為第二層，不同組間鎢棒設置具有高低層次之分，異面相互交錯分佈，請參閱第9圖所示。此鎢棒組合結構與固定用鎢棒及三個導電用銅半環，和實施例1一樣會構成加熱器的主要組件，與本發明實施例1之加熱效果相同，但提供不同的溫度梯度。

實施例3，本實施例中加熱鎢棒(4)數量有六組，分別以第10圖中(11a)、(11b)、(11c)、(11d)、(11e)、(11f)來表示這六組加熱鎢棒，加熱鎢棒的直徑為5mm，每一組鎢棒的數量為2根，每一組鎢棒在加熱器底部最長的長度為315.34mm，(11a)、(11b)加熱鎢棒為相同組，(11c)、(11d)加熱鎢棒為相同組，(11e)、(11f)加熱鎢棒為相同組，經由上述的分組，(11a)、(11b)、(11c)、(11d)、(11e)、(11f)加熱鎢棒共分為三組，於加熱器的底部，會構成三層的結構，(11a)、(11b)加熱鎢棒為第一層，(11c)、(11d)加熱鎢棒為第二層，(11d)、(11f)加熱鎢棒為第三層，不同組間鎢棒設置具有高低層次之分，異面相互交錯分佈，請參閱第10圖所示。此鎢棒組合結構與三個導電用銅半環所構成的電阻式加熱器，此鎢棒組合結構與固定用鎢棒及三 個導電用銅半環，和實施例1一樣會構成加熱器的主要組件，並提供與實施例1及實施例2不同的溫度梯度，以適合不同的晶體成長所需的溫度梯度。

實施例4，與實施例1相同，但加熱鎢棒的直徑為10mm，加熱器所需的加熱電壓較低，電流較高，但加熱效果與實施例1相同。

3a‧‧‧導電用銅半環

3b‧‧‧導電用銅半環

3c‧‧‧導電用銅半環

4‧‧‧加熱鎢棒

5‧‧‧固定用鎢棒

6a‧‧‧長晶爐內的銅電極

6b‧‧‧長晶爐內的銅電極

6c‧‧‧長晶爐內的銅電極

7‧‧‧電源供應系統中R相

8‧‧‧電源供應系統中S相

9‧‧‧電源供應系統中T相

Claims (3)

1. 一種單晶長晶爐所使用的電阻式加熱器，適於成長藍寶石、碳化矽、氮化鎵及各類單晶晶體，包含：三個導電用銅半環，主要用途作為導電電極，該三個銅半環連接至三相電源得到電力供應；以及加熱鎢棒，為長晶爐的加熱元件，其係採用；金屬鎢製成，組數為3~6組，每組鎢棒數量為1~12根，鎢棒直徑可為2~20mm；其中加熱鎢棒分別與三個導電用銅半環組合。
2. 如申請範圍第1項所述之電阻式加熱器，其中加熱鎢棒，同一組間由若干根鎢棒等距且平行排列組成，且相同組會對稱性的分佈在圍成的鳥籠上，於加熱器的底部，不同組間鎢棒設置具有高低層次，共有一到三層三種結構，異面相互交錯分佈。
3. 如申請專利範圍第2項所述之電阻式加熱器，其中加熱器底部區域內的鎢棒，每一支鎢棒長度均相等，有些地方會彎曲呈現U字型，鎢棒彎曲的程度可具有多種的形式，但不論鎢棒形狀為何，每一支鎢棒長度均相等。