CN102108543A - 垂直梯度凝固晶体生长炉中多段式侧加热器 - Google Patents

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屠海令
苏小平
张峰燚
丁国强
杨海
黎建明
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Abstract

垂直梯度凝固晶体生长炉中多段式侧加热器，它包括：石墨套筒、位于石墨套筒内的上加热器、下加热器，石墨套筒内上加热器与固定在上炉盖板上的石墨电极相连，上加热器以氮化硼与石墨套筒连接；或上加热器以石墨块支撑，石墨套筒与固定在上炉盖板上的电极相连接；下加热器装在石墨套筒内，以石墨块支撑，石墨套筒与固定在上炉盖板上的电极相连接，石墨套筒以螺丝固定于上炉盖板上。本发明的优点：悬挂式侧加热***，可以整体随炉盖上移后，整体拆卸，不需拆卸加热***外的绝热层，故给设备维护和装料、取料带来了很大的方便，采用长板状电极，在侧加热***外侧形成一完整的石墨圆筒，石墨圆筒可以吸收再辐射、反射加热器的热量，这样不仅提高了热能的利用效率，而且使得热场具有较好的对称性和稳定性。

Description

垂直梯度凝固晶体生长炉中多段式侧加热器
技术领域
本发明涉及晶体生长领域，特别是采用采用垂直梯度凝固技术(VGF)生长单晶时，加热***的设计。 
背景技术
VGF(垂直梯度凝固)技术已成为生长大直径、低位错单晶的主流技术之一，其最大的优点在于能够在晶体生长的固-液界面处形成较小的温度梯度。保证热场的对称性、维持热场的稳定是VGF热场设计的关键。而在晶体***中侧加热器为主加热器，其决定着热场的性质，故侧加热***的设计是整个晶体生长***的核心内容之一。目前VGF单晶生长***中侧加热采用线圈加热和高纯石墨加热两种，由于线圈在高温下会导致金属的挥发，会对炉内造成污染，常用在具有封闭***的晶体生长中；而高纯石墨在高温下，具有较好的化学稳定性，常被用在纯净的环境中，如生长半导体单晶等。目前石墨加热器的支撑结构通常采用底部支撑结构，如专利US 0087125、US 5698029等。这种装配方式固然简洁，但是当需放入原料、取料以及对加热器拆卸维护时，均需将外边的绝热层一一去除，然后再逐一拆分，于是给生产及设备维护带来很大的不便。 
发明内容
本发明的目的是提供一垂直梯度凝固晶体生长炉中多段式侧加热器，该加热器可通过控制各加热器的功率，满足VGF技术生长单晶的热场条件包括合理的温度梯度、固-液界面形状、热流方向等；保证热场具有较高的对称性，并抑制热场的温度波动，维持热场稳定；提高热能的利用率；便于拆卸与维护；便于装料、取料。 
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案： 
垂直梯度凝固晶体生长炉中多段式侧加热器，它包括：石墨套筒、位于石墨套筒内的上加热器、下加热器，石墨套筒内上加热器与固定在上炉盖板上的石墨电极相连，上加热器以氮化硼与石墨套筒连接；或上加热器以石墨块支撑，石墨套筒与固定在上炉盖板上的电极相连接；下加热器装在石墨套筒内，以石墨块支撑，石墨套筒与固定在上炉盖板上的电极相连接，石墨套筒以螺丝固定于上炉盖板上。 
石墨套筒由两半圆形石墨圆筒组成。 
石墨套筒由1/4或1/8或1/10圆弧状长板电极组成。 
下组加热器为多段加热器，段的数量为1～5个。 
采用高纯石墨制作加热器，并按以下两种方式安装： 
(1)上加热器直接与固定在上炉盖板上的石墨电极相连，而下加热器首先预装在两半圆形石墨圆筒内后与固定在上炉盖上的电极相连接，其结构与分布如图2中7、9所示；安装完成后两组加热器均位于石墨套筒内， 
(2)采用1/4圆弧状长板电极，分别将上加热器、下加热器连接起来。安装完成后，两组加热器位于长板状电极所围成的石墨套筒内。两者的共同点是在石墨加热器外形成一完整的石墨套筒，上、下加热器的位置分布如图2所示。 
石墨套筒将加热器发出的热量吸收再发射、反射等再次输送到晶体生长的核心区域，从而起到均热、提高热能利用效率的作用；由于减小了加热器外侧热流损失，故能促进形成轴向的热流；将石墨套筒固定在和炉盖相连接的绝缘、隔热性能较好的盖板上，通过外部丝杠升降时，侧加热***随着升降，从而使得侧加热***可以方便完整的取出或放入，由此方便了加热器的拆卸维护，以及晶体生长过程中的取料和装料；考虑不同材料的性质，如挥发性、热导率、透明度等，来调整上下加热器的功率，使上下加热器之间形成一定的温差，从而满足晶体生长的工艺条件。 
本发明的优点：与背景技术相比，悬挂式侧加热***，可以整体随炉盖上移后，整体拆卸，不需拆卸加热***外的绝热层，故给设备维护和装料、取料带来了很大的方便。采用长板状电极，在侧加热***外侧形成一完整的石墨圆筒，石墨圆筒可以吸收再辐射、反射加热器的热量，这样不仅提高了热能的利用效率，而且使得热场具有较好的对称性和稳定性。 
附图说明
图1为垂直梯度凝固单晶炉结构示意图 
图2为本发明的一种两段加热器结构示意图 
图3为1/4圆弧状长板电极组成的石墨套筒 
图1、图2、图3中，1为坩埚，2加热器，3为绝热层，4为炉体外壳，5为上炉盖板，6为钼螺丝，7为上加热器，9为氮化硼，10为下加热器，11为石墨块，8为圆弧状长板电极，12为螺孔。 
具体实施方式
安装方案一：将上加热器直接与石墨电极相连，而下加热器先预装在由两半 圆柱形石墨圆桶组成的石墨筒，将石墨套筒与电极相连。为保证石墨电极的安全，不能让石墨电极受力，在石墨套筒上安装对称的两BN块以支撑上加热器，下加热器采用石墨块支撑连接，而石墨套筒则采用钼螺栓固定于上炉盖板上，这样通过炉体外侧的丝杠将炉盖升起或降低时，石墨套筒连同加热器一起移出或装入炉体内。 
安装方案二：采用1/4圆柱状长板将上、下加热器连接起来，在连接部位采用石墨块支撑各加热器，安装完成后，在两加热器外形成一完整的石墨套筒，然后将石墨套筒分别与石墨电极相连接。为保证安装电极的安全，不让石墨电极受力，石墨套筒采用钼螺栓固定到炉盖板上。这样通过炉体外侧的丝杠将炉盖升起或降低时，石墨套筒连同加热器一起移出或装入炉体内。 
加热方案(使用方法)：满足晶体生长的温度梯度，主要依赖于两个参数，热场中的位置和上下加热器之间的温差。生长不同晶体时，综合考虑晶体的性质、晶体的生长效率以及晶体质量各方面的因素，上下加热器之间采用不同的温差。例如，生长6英寸低位错的GaAs单晶时，为降低晶体中的热应力，生长界面附近的温度梯度应小于5K/cm，同时还应考虑熔持在15℃左右。而当生长像Ge这样的元素半导体时，由于Ge熔体的热导率很大，为维持晶体生长界面的稳定性，应适当提高熔体中的温度梯度，故此时上下加热器的温差一般在50℃左右 。

Claims (4)

1.垂直梯度凝固晶体生长炉中多段式侧加热器，其特征在于：它包括：石墨套筒、位于石墨套筒内的上加热器、下加热器，石墨套筒内上加热器与固定在上炉盖板上的石墨电极相连，上加热器以氮化硼与石墨套筒连接；或上加热器以石墨块支撑，石墨套筒与固定在上炉盖板上的电极相连接；下加热器装在石墨套筒内，以石墨块支撑，石墨套筒与固定在上炉盖板上的电极相连接，石墨套筒以螺丝固定于上炉盖板上。
2.根据权利要求1所述的垂直梯度凝固晶体生长炉中多段式侧加热器，其特征在于：石墨套筒由两半圆形石墨圆筒组成。
3.根据权利要求1所述的垂直梯度凝固晶体生长炉中多段式侧加热器，其特征在于：石墨套筒由1/4或1/8或1/10圆弧状长板电极组成。
4.根据权利要求1所述的垂直梯度凝固晶体生长炉中多段式侧加热器，其特征在于：下加热器为多段加热器，其段的数量为1～5个。
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