專利名稱：多溫區(qū)發(fā)熱體及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及晶體生長，特別是一種應(yīng)用于晶體生長爐的可以有效建立合適溫度梯度場的多溫區(qū)發(fā)熱體及其制作方法。
背景技術(shù)：
生長高質(zhì)量的晶體的一個很重要的條件就是要有一個合適的溫度場。生長系統(tǒng)中的溫度分布或者說晶體中、熔體中以及固-液界面上的溫度梯度對晶體的質(zhì)量有決定性的影響。然而，不同的晶體有不同的特性，需要控制的主要缺陷也往往不同，它們對于溫場條件的要求自然也不相同。因此，所謂合適的溫場并沒有一個嚴(yán)格的判據(jù)。一般來說，對于摻雜晶體需要有大的溫度梯度(特別是界面附近)，而不摻雜的晶體或者容易開裂的晶體，需要采用較小的溫度梯度；另外，一般采用平的(或微凸)的界面來生長晶體時，則有助于晶體均勻性的改善。不過，在特定的條件下，采用凸界面生長晶體也有它有利的一面。當(dāng)然，生長任何晶體都要求有一個徑向?qū)ΨQ分布的熱環(huán)境?？傊?，一個優(yōu)化的生長系統(tǒng)要求溫場具有較靈活的可調(diào)節(jié)性，以滿足不同晶體的生長需要。
晶體生長過程中溫度場的分布主要由保溫層的構(gòu)造、坩堝在發(fā)熱體中的位置以及冷卻介質(zhì)的流量等因素決定。其中改變坩堝的位置及冷卻介質(zhì)的流量對溫場的調(diào)節(jié)效果有限，而改變保溫層的設(shè)置雖然可以達(dá)到較為理想的調(diào)節(jié)效果，但其實現(xiàn)周期較長，且需要耗費大量的人力物力。值得注意的是，晶體生長所需的熱量是由發(fā)熱體產(chǎn)生并通過輻射的方式施加至生長區(qū)的，如能使發(fā)熱體直接產(chǎn)生溫度梯度，則是調(diào)節(jié)溫場分布最為有效的方法。
目前，在電阻加熱的提拉法(參見Chemical Engineering Science 2004，591437～1457)、熱交換法(參見Journal of Crystal Growth 1979，46601-606)、溫梯法(參見Journal of Crystal Growth 1998，193123-126)等晶體生長爐中，多采用簡單的波浪式回路發(fā)熱體，這種發(fā)熱體自身不產(chǎn)生溫度梯度；在多發(fā)熱體提拉法、布里奇曼法和雙加熱溫梯法中，雖然可以多個分立的發(fā)熱體來產(chǎn)生溫度梯度，但它大大增加了設(shè)備的成本和控制的難度，也影響溫場的穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是改進(jìn)上述現(xiàn)有發(fā)熱體的設(shè)計，提供一種用于晶體生長的多溫區(qū)發(fā)熱體及其制作方法，使溫場的建立更經(jīng)濟(jì)、快捷，增加溫場調(diào)節(jié)的靈活性，即對發(fā)熱體進(jìn)行簡單的調(diào)整就可以適用于不同種類晶體的生長。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種用于晶體生長的多溫區(qū)發(fā)熱體的制作方法，該方法是將不同阻值的發(fā)熱元件組合在一起，或?qū)σ粋€發(fā)熱筒體進(jìn)行開槽處理，形成一串連的具有不同電阻值的加熱電路。
采用石墨、鉬、鎢或其他發(fā)熱體材料制備幾組寬度不同的發(fā)熱體板條，該板條的厚度、長度和數(shù)量視所需的溫場而定，采用鉚接、焊接或其它方式將同一阻值板條的左上部和右下部間隔地相互串連接在一起形成幾組波狀發(fā)熱元件，再將這幾組不同阻值的元件連接在一起形成一串連電路。
采用石墨、鉬、鎢或其他發(fā)熱體材料制成發(fā)熱筒，然后在發(fā)熱筒上開槽，通過改變槽的間隔來改變發(fā)熱元件的阻值，形成由多個不同阻值區(qū)段相互串連的整體。
所述的多溫區(qū)發(fā)熱體由下列三個發(fā)熱元件組按下列方式構(gòu)成發(fā)熱元件組A由兩塊弦寬為2WA、高度為HA、厚度為T的圓弧形發(fā)熱的第一瓦片和第二瓦片組成，它們相對堅直地放置在一直徑為D的圓上，并保持彼此之間不接觸；發(fā)熱元件組B由八塊弦寬為WB、高度為HB、厚度為T的圓弧形發(fā)熱瓦片構(gòu)成，其中任意兩個第三瓦片、第四瓦片為一組，第三瓦片的右下角與第四瓦片的左下角相連，其余部分不接觸，形成一個“U形”元件，如此每兩個瓦片相連，形成四個“U形”元件；將這四個“U形”元件依次堅直放置在直徑為D的圓上，并保持彼此之間不接觸；發(fā)熱元件組C由十六塊弦寬為WC、高度為HC、厚度為T的圓弧形發(fā)熱瓦片構(gòu)成，其中任意四個第五瓦片、第六瓦片、第七瓦片、第八瓦片為一組，第五瓦片的右上角與第六瓦片的左上角相連，第六瓦片的右下角與第七瓦片的左下角相連，第七瓦片的右上角與第八瓦片的左上角相連，其余部分不接觸，形成一個“M形”元件；如此每四個瓦片相連，形成四個“M形”元件；將這四個“M形”元件依次堅直放置于直徑為D的圓上，并保持彼此之間不接觸；
發(fā)熱元件組A與發(fā)熱元件組B的連接方式為發(fā)熱元件組A中兩個第一瓦片、第二瓦片的頂面分別與發(fā)熱元件組B中兩個相對的“U形”元件的底面相連，其余部分不接觸；發(fā)熱元件組B與發(fā)熱元件組C的連接方式為發(fā)熱元件組B中任一個“U形”元件的兩個頂面分別與發(fā)熱元件組C中兩個“M形”元件的相鄰的兩個瓦片的底面相連。
所述的發(fā)熱元件之間的連接為焊接、鉚接，或通過對完整的發(fā)熱筒開槽時保持連接部分不割斷來實現(xiàn)。
所述的三個發(fā)熱元件組A、B、C的高度HA、HB、HC分別介于0與發(fā)熱體的總高度H之間，并且HA+HB+HC＝H。
本發(fā)明多溫區(qū)發(fā)熱體的特點如下1、是具有多個阻值區(qū)段，可以產(chǎn)生多個溫區(qū)，并且可以通過調(diào)整各個阻值段的高度和比例來靈活地調(diào)整溫場的分布。
2、本發(fā)明的發(fā)熱體各個阻值區(qū)段有機(jī)地連接成一個整體，使得生長系統(tǒng)只需要一套溫度控制裝置，這不僅簡化了操作，降低了成本，還有利于保持溫場的穩(wěn)定。
3、本發(fā)明的發(fā)熱體特別適用于垂直溫度梯法晶體生長爐，也適用于其它電阻加熱的晶體生長方法，如電阻加熱提拉法、布里奇曼法、熱交換法中。


圖1為本發(fā)明多溫區(qū)發(fā)熱體具體實施例的剖視結(jié)構(gòu)示意2為按照本發(fā)明制作的幾個石墨發(fā)熱體實施例應(yīng)用于溫梯法晶體生長爐時生長區(qū)內(nèi)的軸向溫度分布具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
先請參閱圖1，圖1為本發(fā)明多溫區(qū)發(fā)熱體的一個實施例的剖視結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，本發(fā)明所述的多溫區(qū)發(fā)熱體，由下列三個發(fā)熱元件組按下列方式構(gòu)成發(fā)熱元件組A由兩塊弦寬為2WA、高度為HA、厚度為T的圓弧形發(fā)熱的第一瓦片1和第二瓦片2組成，它們相對堅直地放置在一直徑為D的圓上，并保持彼此之間不接觸；
發(fā)熱元件組B由八塊弦寬為WB、高度為HB、厚度為T的圓弧形發(fā)熱瓦片構(gòu)成，其中任意兩個第三瓦片3、第四瓦片4為一組，第三瓦片3的右下角與第四瓦片4的左下角相連，其余部分不接觸，形成一個“U形”元件，如此每兩個瓦片相連，形成四個“U形”元件；將這四個“U形”元件依次堅直放置在直徑為D的圓上，并保持彼此之間不接觸；發(fā)熱元件組C由十六塊弦寬為WC、高度為HC、厚度為T的圓弧形發(fā)熱瓦片構(gòu)成，其中任意四個第五瓦片5、第六瓦片6、第七瓦片7、第八瓦片8為一組，第五瓦片5的右上角與第六瓦片6的左上角相連，第六瓦片6的右下角與第七瓦片7的左下角相連，第七瓦片7的右上角與第八瓦片8的左上角相連，其余部分不接觸，形成一個“M形”元件；如此每四個瓦片相連，形成四個“M形”元件；將這四個“M形”元件依次堅直放置于直徑為D的圓上，并保持彼此之間不接觸；發(fā)熱元件組A與發(fā)熱元件組B的連接方式為發(fā)熱元件組A中兩個第一瓦片1、第二瓦片2的頂面分別與發(fā)熱元件組B中兩個相對的“U形”元件的底面相連，其余部分不接觸；發(fā)熱元件組B與發(fā)熱元件組C的連接方式為發(fā)熱元件組B中任一個“U形”元件的兩個頂面分別與發(fā)熱元件組C中兩個“M形”元件的相鄰的兩個瓦片的底面相連。
所述的三個發(fā)熱元件組A、B、C的高度HA、HB、HC分別介于0與發(fā)熱體的總高度H之間，并且HA+HB+HC＝H?？梢匀我飧囊馑鼈冎g的高度比，來實現(xiàn)對溫場的調(diào)整。
下面是具體實施例實施例1采用高純石墨電阻發(fā)熱材料制成外徑為D＝119mm，壁厚T＝4.5mm，高H＝260mm的筒。按本發(fā)明所述對發(fā)熱體進(jìn)行開槽，其中HA＝45mm，HB＝215mm，HC＝0；WA＝45mm，WB＝43mm，WC＝0mm。將發(fā)熱體置于溫梯法晶體生長爐中，關(guān)閉爐膛，抽真空，充高純氬氣后升溫，測得晶體生長區(qū)的溫度分布情況，如圖2中1#線。
實施例2采用高純石墨電阻發(fā)熱材料制成外徑為D＝119mm，壁厚T＝4.5mm，高H＝260mm的筒。按本發(fā)明所述對發(fā)熱體進(jìn)行開槽，其中HA＝115mm，HB＝145mm，HC＝0；WA＝45mm，WB＝43mm，WC＝0mm。將發(fā)熱體置于溫梯法晶體生長爐中，關(guān)閉爐膛，抽真空，充高純氬氣后升溫，測得晶體生長區(qū)的溫度分布情況，如圖2中2#線。
實施例3采用高純石墨電阻發(fā)熱材料制成外徑為D＝119mm，壁厚T＝4.5mm，高H＝260mm的筒。按本發(fā)明所述對發(fā)熱體進(jìn)行開槽，其中HA＝45mm，HB＝180mm，HC＝35mm；WA＝45mm，WB＝43mm，WC＝20mm。將發(fā)熱體置于溫梯法晶體生長爐中，關(guān)閉爐膛，抽真空，充高純氬氣后升溫，測得晶體生長區(qū)的溫度分布情況，如圖2中3#線。
實施例4采用高純石墨電阻發(fā)熱材料制成外徑為D＝119mm，壁厚T＝4.5mm，高H＝260mm的筒。按本發(fā)明所述對發(fā)熱體進(jìn)行開槽，其中HA＝115mm，HB＝110mm，HC＝35mm；WA＝45mm，WB＝43mm，WC＝20mm。將發(fā)熱體置于溫梯法晶體生長爐中，關(guān)閉爐膛，抽真空，充高純氬氣后升溫，測得晶體生長區(qū)的溫度分布情況，如圖2中4#線。
權(quán)利要求
1.一種用于晶體生長的多溫區(qū)發(fā)熱體的制作方法，特征在于該方法是將不同阻值的發(fā)熱元件組合在一起，或?qū)σ粋€發(fā)熱筒體進(jìn)行開槽處理，形成一串連的具有不同電阻值的加熱電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1多溫區(qū)發(fā)熱體的構(gòu)成方法，其特征在于采用石墨、鉬、鎢或其他發(fā)熱體材料制備幾組寬度不同的發(fā)熱體板條，該板條的厚度、長度和數(shù)量視所需的溫場而定，采用鉚接、焊接或其它方式將同一阻值板條的左上部和右下部間隔地相互串連接在一起形成幾組波狀發(fā)熱元件，再將這幾組不同阻值的元件連接在一起形成一串連電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多溫區(qū)發(fā)熱體的構(gòu)成方法，其特征在于采用石墨、鉬、鎢或其他發(fā)熱體材料制成發(fā)熱筒，然后在發(fā)熱筒上開槽，通過改變槽的間隔來改變發(fā)熱元件的阻值，形成由多個不同阻值區(qū)段相互串連的整體。
4.采用權(quán)利要求1所述方法制作的多溫區(qū)發(fā)熱體，其特征在于該多溫區(qū)發(fā)熱體由下列三個發(fā)熱元件組按下列方式構(gòu)成發(fā)熱元件組A由兩塊弦寬為2WA、高度為HA、厚度為T的圓弧形發(fā)熱的第一瓦片(1)和第二瓦片(2)組成，它們相對堅直地放置在一直徑為D的圓上，并保持彼此之間不接觸；發(fā)熱元件組B由八塊弦寬為WB、高度為HB、厚度為T的圓弧形發(fā)熱瓦片構(gòu)成，其中任意兩個第三瓦片(3)、第四瓦片(4)為一組，第三瓦片(3)的右下角與第四瓦片(4)的左下角相連，其余部分不接觸，形成一個“U形”元件，如此每兩個瓦片相連，形成四個“U形”元件；將這四個“U形”元件依次堅直放置在直徑為D的圓上，并保持彼此之間不接觸；發(fā)熱元件組C由十六塊弦寬為WC、高度為HC、厚度為T的圓弧形發(fā)熱瓦片構(gòu)成，其中任意四個第五瓦片(5)、第六瓦片(6)、第七瓦片(7)、第八瓦片(8)為一組，第五瓦片(5)的右上角與第六瓦片(6)的左上角相連，第六瓦片(6)的右下角與第七瓦片(7)的左下角相連，第七瓦片(7)的右上角與第八瓦片(8)的左上角相連，其余部分不接觸，形成一個“M形”元件；如此每四個瓦片相連，形成四個“M形”元件；將這四個“M形”元件依次堅直放置于直徑為D的圓上，并保持彼此之間不接觸；發(fā)熱元件組A與發(fā)熱元件組B的連接方式為發(fā)熱元件組A中兩個第一瓦片(1)、第二瓦片(2)的頂面分別與發(fā)熱元件組B中兩個相對的“U形”元件的底面相連，其余部分不接觸；發(fā)熱元件組B與發(fā)熱元件組C的連接方式為發(fā)熱元件組B中任一個“U形”元件的兩個頂面分別與發(fā)熱元件組C中兩個“M形”元件的相鄰的兩個瓦片的底面相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多溫區(qū)發(fā)熱體，其特征在于所述的發(fā)熱元件之間的連接為焊接、鉚接，或通過對完整的發(fā)熱筒開槽時保持連接部分不割斷來實現(xiàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多溫區(qū)發(fā)熱體，其特征在于所述的三個發(fā)熱元件組A、B、C的高度HA、HB、HC分別介于0與發(fā)熱體的總高度H之間，并且HA+HB+HC＝H。
全文摘要
一種用于晶體生長的多溫區(qū)發(fā)熱體及其制作方法，該方法是將不同阻值的發(fā)熱元件組合在一起，或?qū)σ粋€發(fā)熱筒體進(jìn)行開槽處理，形成一串連的具有不同電阻值的加熱電路發(fā)熱體。電流通過不同阻值區(qū)段時產(chǎn)生不同的熱量，從而形成不同的溫區(qū)；通過改變各區(qū)段之間相對的阻值大小或長度大小，可以改變各溫區(qū)的作用范圍和梯度值。本發(fā)明不僅有利提高設(shè)置溫場的靈活性，降低生長控制的難度和成本，還有利于保持溫場的穩(wěn)定性。
文檔編號C30B35/00GK101086085SQ200710041248
公開日2007年12月12日 申請日期2007年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月25日
發(fā)明者李紅軍, 蘇良碧, 徐軍, 錢小波, 周國清 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所