生长炉的制作方法

1.本发明涉及晶体加工设备技术领域，尤其涉及一种生长炉。


背景技术：

2.半导体材料在电子电力、微波射频以及光电子等领域受到广泛的应用，晶体生长技术是半导体材料制备的关键。影响晶体生长的核心因素为晶体生长所需的温度场，温度场的形状和稳定性决定了能否制备出合格的大尺寸单晶，稳定的温度场可以减少结晶界面的形核几率，有利于生长出大尺寸单晶。
3.现有技术中用于晶体生长的生长炉，一般都采用加厚保温层的方式，来加强炉体的保温效果，依靠加厚保温层来增强炉体内温度场的稳定性，效果有限，易受环境温度的影响，当环境温度波动时，热冲击会传递到炉体内部，引起炉体内部温度的波动。特别是当炉体外部所处环境温度有较大差异时，容易导致炉体内部温度紊乱，对晶体的生长造成不利影响。炉体需要降温时，设于炉壳和炉体之间的冷却系统不能快速将炉体内的热量散失，导致炉体散热效率不佳。


技术实现要素：

4.本发明提供一种生长炉，用以解决现有的晶体生长炉易受外界环境温度波动的影响以及冷却系统的设置方式，导致炉体内的温度场的稳定性不佳以及炉体散热效率不佳的问题。
5.本发明提供一种生长炉，包括：炉体、壳体、保温组件以及冷却组件；
6.所述炉体包括加热模块和保温模块，所述保温模块套设于所述壳体的内侧，所述加热模块套设于所述保温模块的内侧；所述保温组件和所述冷却组件均设于所述壳体的外壁；
7.所述保温组件用于向所述壳体传递热量，所述冷却组件用于向所述壳体的外侧散失热量。
8.根据本发明提供的一种生长炉，所述壳体的外壁凸设有多个片状体，所述保温组件和所述冷却组件间隔嵌套于相邻所述片状体所围合成的区域；所述保温组件和/或所述冷却组件与所述片状体的表面接触。
9.根据本发明提供的一种生长炉，所述壳体和所述多个片状体的材质均为碳化硅。
10.根据本发明提供的一种生长炉，所述加热组件包括伴热带，所述伴热带呈螺旋状缠绕于所述壳体的外壁。
11.根据本发明提供的一种生长炉，所述加热组件还包括温控器，所述温控器与所述伴热带连接，用于控制所述伴热带的温度。
12.根据本发明提供的一种生长炉，所述冷却组件包括水冷管，所述水冷管呈螺旋状缠绕于所述壳体的外壁，所述水冷管用于通入冷却介质。
13.根据本发明提供的一种生长炉，所述冷却组件还包括电磁阀；
14.所述水冷管具有进水口和出水口，所述电磁阀设于所述进水口处，用于调节所述水冷管内冷却介质的流量。
15.根据本发明提供的一种生长炉，所述生长炉还包括控制器；
16.所述保温组件和所述冷却组件均与所述控制器连接，在所述控制器控制所述保温组件启动的情况下，所述冷却组件关闭；在所述控制器控制所述保温组件关闭的情况下，所述冷却组件开启。
17.根据本发明提供的一种生长炉，所述加热模块包括第一加热器、第二加热器、第三加热器以及第四加热器；
18.所述第一加热器、所述第二加热器、所述第三加热器以及所述第四加热器沿所述炉体的高度方向依次布设。
19.根据本发明提供的一种生长炉，所述保温模块包括第一保温层、第二保温层、第三保温层以及第四保温层；
20.所述第一保温层、所述第二保温层、所述第三保温层以及所述第四保温层沿所述炉体的高度方向依次布设。
21.本发明提供的生长炉，加热模块和保温模块提供炉体内晶体生长所需的温度场，炉体处于升温和恒温状态时，保温组件向壳体传递热量，使得壳体维持在预设温度，可以有效避免环境温度波动对炉体的影响，保障炉体内部温度场的稳定性；炉体处于降温状态时，保温组件关闭，冷却组件启动，冷却组件与炉体进行热交换，加快炉体内的热量向外部环境散失，提高炉体的散热效率，使得炉体具有高保温性和高散热性。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是本发明提供的生长炉的剖视图；
24.图2是本发明提供的生长炉的局部结构示意图之一；
25.图3是本发明提供的生长炉的局部结构示意图之二；
26.附图标记：
27.1：壳体；2：片状体；3：伴热带；4：水冷管；5：第一加热器；6：第二加热器；7：第三加热器；8：第四加热器；9：第一保温层；10：第二保温层；11：第三保温层；12：第四保温层；13：底部盖板；14：顶部盖板。
具体实施方式
28.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相
连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
30.下面结合图1至图3描述本发明实施例的生长炉。
31.如图1所示，本发明实施例提供的生长炉，包括：炉体、壳体1、保温组件以及冷却组件；炉体包括加热模块和保温模块，保温模块套设于壳体1的内侧，加热模块套设于保温模块的内侧；保温组件和冷却组件均设于壳体1的外壁；保温组件用于向壳体1传递热量，冷却组件用于向壳体1的外侧散失热量。
32.具体地，壳体1采用导热性能佳的材料制作，壳体1的形状不做具体限制，壳体1可以为方形、圆形或者多边形等。壳体1的内侧依次设有保温模块和加热模块，保温模块的外壁面与壳体1的内壁面相贴合，加热模块的外壁面与保温模块的内壁面相贴合，加热模块呈筒状结构，加热模块的内侧设有一筒状壳体，筒状壳体采用耐高温金属材料制作，筒状壳体的外壁面与加热模块的内壁面相贴合，筒状壳体所围成的腔室构成晶体生长的空间，保温模块和加热模块用于提供晶体生长所需的温度场。炉体的底部安装有底部盖板13，炉体的顶部安装有顶部盖板14，顶部盖板14和底部盖板13均采用保温材料制作。
33.壳体1的外壁上设有保温组件和冷却组件，保温组件和冷却组件的设置方式不做具体限制。例如，保温组件和冷却组件均绕壳体1的外壁周向设置，沿壳体1的高度方向，保温组件和冷却组件间隔环绕于壳体1的外壁上；或者保温组件和冷却组件均绕壳体1的外壁竖向设置，沿壳体1的周向方向，保温组件和冷却组件间隔设于壳体1的外壁上。
34.保温组件可以为伴热带，伴热带可以为自限温电伴热带、自控温电伴热带或恒功率电伴热带，对伴热带通电，伴热带加热可以向壳体1传递热量，使得壳体1保持在预设温度，预设温度根据实际需求设置，例如预设温度为20
°
～200
°
。保温组件还可以为电阻丝，电阻丝缠绕于壳体1的外壁上，电阻丝与控温仪表和可控硅连接，通过控温仪表和可控硅调节电阻丝的温度，使得壳体1保持在预设温度。
35.冷却组件包括管道和冷却介质，通过向管道内通入冷却介质，将炉体内的热量快速散失到外部环境中。
36.现有的晶体生长炉，一般采用加厚保温层的方式，来加强炉体的保温效果，单纯靠加厚保温层来增强稳定性，效果有限，易受环境温度的影响，当环境温度波动时，热冲击会传递到炉体内部，引起炉体内温度的波动，特别是当炉体所处环境温度有较大差异时，容易导致炉体内部温度紊乱，对晶体的生长产生不利影响，导致固液界面失稳，产生多晶和杂晶。晶体生长的后期阶段，需要控制炉体的降温速度。
37.以下对保温组件和冷却组件的使用进行详细的说明。在晶体生长的过程中，炉体要经历升温阶段、恒温阶段以及降温阶段三个过程，升温阶段又包括快速升温阶段和缓慢升温阶段。加热模块和保温模块提供晶体生长所需的温度场，在炉体处于升温状态和恒温状态时，安装于壳体1外壁上的保温组件处于启动状态，保温组件产生热量，保温组件产生的热量传递给壳体1，使得壳体1的温度保持在一个预设温度，预设温度的温度值根据实际需求设置，可以根据使用的地域、季节以及具体使用时间段的环境温度，通过控制保温组件的加热功率等，将壳体1的温度控制在20
°
～200
°
之间。由于在壳体1的外壁增加了低温保温
组件，保温组件的热量使得壳体1处于一个恒定温度例如80
°
，在环境温度波动较大时，壳体1的温度依然保持在预设温度，可以避免炉体内的热量向外部环境中传递，确保炉体内温度场的稳定性。
38.在炉体处于降温状态时，加热模块和保温组件停止工作，冷却组件启动，冷却组件通过风冷或者水冷，可以将炉体内的温度快速散失到外部环境中，实现炉体的快速降温。
39.在本发明实施例中，加热模块和保温模块提供炉体内晶体生长所需的温度场，炉体处于升温和恒温状态时，保温组件向壳体1传递热量，使得壳体1维持在预设温度，可以有效避免环境温度波动对炉体的影响，保障炉体内部温度场的稳定性；炉体处于降温状态时，保温组件关闭，冷却组件启动，冷却组件与炉体进行热交换，加快炉体内的热量向外部环境散失，提高炉体的散热效率，使得炉体具有高保温性和高散热性。
40.如图1、图2和图3所示，在可选的实施例中，壳体1的外壁凸设有多个片状体2，保温组件和冷却组件间隔嵌套于相邻片状体2所围合成的区域；保温组件和/或冷却组件与片状体2的表面接触。
41.具体地，壳体1的外壁上凸设有多个片状体2，片状体2可以绕壳体1的外壁周向设置或者竖向设置等，例如沿壳体1的外壁设有多个竖向布设的片状体2，片状体2由壳体1的底部延伸至壳体1的顶部，相邻两个片状体2之间夹设有保温组件或者冷却组件，保温组件和冷却组件依次间隔夹设于相邻两个片状体2所围合形成的区域。保温组件与壳体1的外壁接触的同时，与片状体2的表面也有一定的接触，有利于保温组件的热量快速传递至壳体1，在环境温度波动时，有利于壳体1保持在预设温度。同理，冷却组件与壳体1的外壁接触的同时，与片状体2的表面也有一定的接触，使得冷却组件能够快速将炉体内的热量散失到外部环境中，有利于提高冷却组件的散热效率。
42.或者壳体1的外壁设有多个环向布设的片状体2，保温组件和冷却组件也是环向布设于壳体1的外壁上，保温组件和冷却组件依次间隔夹设于相邻两个片状体2所围合形成的区域。或者片状体2由壳体1的底部向壳体1的顶部延伸，螺旋缠绕于壳体1的外壁上，保温组件和冷却组件也是螺旋状缠绕于壳体1的外壁上，保温组件和冷却组件依次间隔夹设于相邻片状体2所围合形成的区域。
43.在本发明实施例中，壳体1的外壁上凸设有多个片状体2，多个片状体2环向布设、竖向布设或者螺旋缠绕于壳体1的外壁上，保温组件和冷却组件间隔夹设于相邻两个片状体2围合成的区域，增大了保温组件与壳体1的接触面积，有利于热量快速向壳体1传导，增大了冷却组件与壳体1的接触面积，有利于提高冷却组件的散热效率。
44.在可选的实施例中，壳体1和多个片状体2的材质均为碳化硅。
45.具体地，片状体2与壳体1通过模具烧结成型，壳体1和多个片状体2一体成型，有利于缩短制作周期。壳体1和片状体2的材质均为碳化硅，碳化硅具有耐高温、强度大、导热性能良好及抗冲击等特性。加热组件与壳体1的外壁及片状体2的表面相接触，炉体处于升温或恒温状态时，加热组件启动，加热组件的热量能够快速由壳体1的外壁及片状体2传递至壳体1内，在环境温度波动较大时，壳体1依然可以保持在预设温度，有效避免环境温度波动对炉体内的温度场造成影响。
46.冷却组件与壳体1的外壁及片状体2的表面相接触，炉体处于降温状态时，加热模块和保温组件关闭，冷却组件启动，炉体内的热量传递至壳体1和片状体2处，冷却组件能够
将壳体1和片状体2处的热量快速散失到外部环境中，有利于提高散热效率。
47.在本发明实施例中，壳体1和片状体2的材质均为碳化硅，炉体处于升温或恒温状态时，加热组件的热量能够快速传递至壳体1内，确保壳体1保持在预设温度；炉体处于降温状态时，炉体内的热量能够快速传递至壳体1和片状体2处，与冷却组件进行热交换，有利于提高散热效率。
48.如图1和图3所示，在可选的实施例中，加热组件包括伴热带3，伴热带3呈螺旋状缠绕于壳体1的外壁。
49.具体地，加热组件包括伴热带3，多个片状体2连成一体呈螺旋状设于壳体1的外壁上，伴热带3呈螺旋状缠绕于壳体1的外壁上，伴热带3的一端设有接线端子，接线端子与电源模块连接，电源模块接通对伴热带3通电，伴热带3开始加热，使得壳体1维持在预设温度。电源模块断开，伴热带3停止加热。伴热带3可以为自限温电伴热带3或恒功率电伴热带3，根据生长炉的使用环境进行选择。
50.在本发明实施例中，伴热带3呈螺旋状缠绕于壳体1的外壁上，伴热带3能够与壳体1进行充分的热传递，伴热带3的热量能够均匀地传递至壳体1内，有利于壳体1受热的均匀性，加热效率快，同时伴热带3安装便捷。
51.在可选的实施例中，加热组件还包括温控器，温控器与伴热带3连接，用于控制伴热带3的温度。
52.具体地，伴热带3与温控器连接，温控器控制电源模块向伴热带3通入不同强度的电流，在环境温度处于较高温度范围时，例如环境温度在20
°
～50
°
之间时，通过温控器控制伴热带3的温度保持在60
°
左右，环境温度发生变化，不会对壳体1的温度造成影响。在环境温度处于较低温度范围时，例如环境温度在-10
°
～20
°
之间时，通过温控器控制伴热带3的温度保持在30
°
左右，环境温度发生变化，不会对壳体1的温度造成影响。同时伴热带3的温度保持在30
°
左右，可以有效减小电量的消耗。可以根据生长炉的使用环境，根据实际使用需求控制伴热带3的温度。
53.在本发明实施例中，通过温控器控制伴热带3的温度，使得伴热带3的温度与外界环境的温度相适应，即能保障壳体1的温度维持在预设温度，同时有利于节省电能。
54.如图1和图3所示，在可选的实施例中，冷却组件包括水冷管4，水冷管4呈螺旋状缠绕于壳体1的外壁，水冷管4用于通入冷却介质。
55.具体地，冷却组件包括水冷管4，水冷管4可以为铜管或铝管，多个片状体2呈螺旋状设于壳体1的外壁上，水冷管4呈螺旋状缠绕于壳体1的外壁上。相邻两个片状体2之间的间距及水冷管4的外径尺寸不做具体限制，例如相邻两个片状体2之间的间距为12mm时，水冷管4的外径可以为10mm，相邻两个片状体2之间的间距为18mm时，水冷管4的外径可以为16mm。水冷管4的两端分别设有进水口和出水口，炉体处于降温状态时，从水冷管4的一端通入冷却介质，冷却介质可以为常温水，常温水的温度为10
°
～30
°
，常温水在螺旋状的铜管内流动，与壳体1和片状体2进行充分的热交换，然后由出水口排出，有利于炉体快速降温。
56.进一步地，水冷管4与循环泵连通，常温水吸收热量后变为高温水，高温水由出水口排出后经过冷却后，再由循环泵输送至水冷管4的进水口处，进行循环使用。
57.在本发明实施例中，水冷管4呈螺旋状缠绕于壳体1的外壁上，使得水冷管4内的冷却介质在流动的过程中能够充分吸收壳体1和片状体2的热量，有利于炉体快速降温，同时
水冷管4安装便捷。
58.在可选的实施例中，冷却组件还包括电磁阀；水冷管4具有进水口和出水口，电磁阀设于进水口处，用于调节水冷管4内冷却介质的流量。
59.具体地，电磁阀安装于水冷管4的进水口处，通过调节电磁阀的开度大小，来调节水冷管4内常温水的流量，由此可以调节炉体的降温速率。
60.不同的晶体在降温阶段对炉体的降温速度的要求也不同，需要较高的降温速率时，调大电磁阀的开度，由此增大水冷管4内常温水的流量，使得炉体具有较高的降温速率；需要较低的降温速率时，调小电磁阀的开度，由此减小水冷管4内常温水的流量，使得炉体具有较低的降温速率。
61.在本发明实施例中，通过调节电磁阀的开度，调节水冷管4内常温水的流量，由此来控制炉体的降温速率，以适应不同类型晶体的降温需求。
62.在可选的实施例中，生长炉还包括控制器；保温组件和冷却组件均与控制器连接，在控制器控制保温组件启动的情况下，冷却组件关闭；在控制器控制保温组件关闭的情况下，冷却组件开启。
63.具体地，炉体加热模块启动，控制器控制保温组件启动，在炉体处于升温状态或者恒温状态时，保温组件产生的热量传递至壳体1，使得壳体1维持在预设温度，能够有效避免外界环境温度波动对炉体内温度场造成影响。炉体经过升温状态和恒温状态向降温状态转变时，加热模块关闭，控制器控制保温组件关闭，控制冷却组件启动，炉体内的热量传递至壳体1处，冷却组件与壳体1进行热交换，将壳体1处的热量散失至外部环境中，使得炉体能够快速降温。
64.例如加热组件包括伴热带3和电源模块，冷却组件包括水冷管4和电磁阀，电磁阀设于水冷管4的进水口处。炉体处于升温状态或恒温状态时，控制器控制电源模块与伴热带3连通，伴热带3处于加热状态，使得壳体1保持在预设温度，炉体由升温状态或恒温状态向降温状态转换，控制器控制电源模块与伴热带3断开，控制器控制电磁阀的开度大小，常温水在水冷管4内流动，带走壳体1处的热量，使得炉体以一定的降温速率降温。
65.在本发明实施例中，在炉体处于升温状态、恒温状态或者降温状态时，控制器根据炉体所处状态的不同，控制保温组件的启动及关闭和冷却组件的启动及关闭，使得炉体可以在高保温性能和高散热性能之间快速切换。
66.如图1所示，在可选的实施例中，加热模块包括第一加热器5、第二加热器6、第三加热器7以及第四加热器8；第一加热器5、第二加热器6、第三加热器7以及第四加热器8沿炉体的高度方向依次布设。
67.具体地，第一加热器5、第二加热器6、第三加热器7以及第四加热器8沿高度方向依次布设，第一加热器5、第二加热器6、第三加热器7以及第四加热器8均为环状结构，第一加热器5围合成的空间构成第一加热区，第二加热器6围合成的空间构成第二加热区，第三加热器7围合成的空间构成第三加热区，第四加热器8围合成的空间构成第四加热区。
68.每个加热区的温度都可以在20
°
～1300
°
的范围内调整，例如在晶体生长过程中需要较高的温度时，通过调节加热器的功率，使得第一加热区的温度保持在1000
°
～1050
°
之间，第二加热区的温度保持在1050
°
～1080
°
之间，第三加热区的温度保持在1150
°
～1180
°
之间，第四加热区的温度保持在1120
°
～1150
°
之间，由此可以在炉体的腔室内形成较大的
温度梯度，梯度值可以控制在2
°
～20
°
/cm，满足各种类型的晶体生长所需的温度梯度。需要恒温温度场时，通过调节加热器的功率，使得四个加热区的温度相同，即获得恒温温场。第一加热器5、第二加热器6、第三加热器7以及第四加热器8可以采用电阻丝加热或者电磁加热等。
69.在本发明实施例中，第一加热器5、第二加热器6、第三加热器7以及第四加热器8沿高度方向依次布设，通过调节第一加热器5、第二加热器6、第三加热器7以及第四加热器8的加热功率，可以便捷地在炉体的腔室内调整出恒温温场和梯度温场。
70.如图1所示，在可选的实施例中，保温模块包括第一保温层9、第二保温层10、第三保温层11以及第四保温层12；第一保温层9、第二保温层10、第三保温层11以及第四保温层12沿炉体的高度方向依次布设。
71.具体地，第一保温层9与第一加热器5相对应，第一保温层9嵌套于第一加热器5的外侧；第二保温层10与第二加热器6相对应，第二保温层10嵌套于第二加热器6的外侧；第三保温层11与第三加热器7相对应，第三保温层11嵌套于第三加热器7的外侧；第四保温层12与第四加热器8相对应，第四保温层12嵌套于第四加热器8的外侧。
72.炉体内顶部需要具备良好的保温性和稳定性，第三保温层11和第四保温层12可以采用导热系数较小的莫来石材料制作，由此可以减小炉体上半段轴向方向和径向方向的散热，使得炉体内顶部温度场保持较好的稳定性。第一保温层9和第二保温层10采用导热系数略大的氧化铝陶瓷材料制作，有利于增大炉体下半段的轴向方向的导热性，可形成较大的温度梯度，满足晶体生长需求。
73.在本发明实施例中，第一保温层9、第二保温层10、第三保温层11以及第四保温层12分别对应不同的加热区，有利于炉体下半段能够形成较大的温度梯度场，炉体上半段保持较好的温度稳定性。
74.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。