專利名稱：熔體物性測試用熔化爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種熔體物性測試用熔化爐，具體說是對可熔化金屬、半導(dǎo)體、氧化物或磁性材料等熔體進行物性測試研究用的高溫快速熔化爐，國際專利分類號擬為Int.C17.F27B 14/06。
背景技術(shù)：
光電子技術(shù)和微電子技術(shù)是構(gòu)成當代信息產(chǎn)業(yè)(IT)的兩大支柱。二者的基礎(chǔ)材料，大部分都要制備成單晶體并加工成晶片以后，才能制造出光電子和微電子器件芯片。隨著信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，上述人工晶體都在向著高純度、高完整性、高均勻性和大直徑的方向發(fā)展。因此，晶體生長理論與生長工藝技術(shù)的研究，已成為制備上述基礎(chǔ)材料的關(guān)鍵。又由于這類晶體材料，大都是從高溫熔體中制備出單晶的，因此對環(huán)境相(熔體為濃厚環(huán)境相)，熔體結(jié)構(gòu)及物性的研究至關(guān)重要。
目前市場上已有黑色金屬、有色金屬的熔體物性測試用熔化爐。這種熔化爐一般都用硅鉬(SiMo)棒作加熱元件，加熱溫度最高只可達1500℃，并且要達到該溫度的加熱熔化時間長達6-8小時。長時間的加熱過程，一方面浪費了大量寶貴的科研時間；另一方面加熱元件硅鉬棒的使用壽命本身不高，一般不超過10爐就需要更換新的硅鉬棒，更增加了科研的時間和成本。更為重要的是，如果需要更高的熔化溫度，目前使用的熔化爐根本無法實現(xiàn)。另外，目前的熔化爐爐體無密封，會使被加熱的熔體易于氧化，熔體中的一些元素也易揮發(fā)，不能應(yīng)用于防止氧化物體的測試，并且無密封的爐內(nèi)測試環(huán)境容易受到外界環(huán)境的污染，同樣會影響測試精度和準確性。
另外，由于晶體材料正向大直徑方向發(fā)展，而大投料大熔體中存在著無規(guī)則的熱對流。這種熱對流要嚴重影響晶體的質(zhì)量和尺寸，甚至破壞晶體的生長。為了抑制這種熱對流，在大直徑晶體生長時，要向熔體所在的空間引入磁場，而目前使用的熔化爐沒有磁場，無法研究在磁場空間內(nèi)的熔體結(jié)構(gòu)與物性對大直徑人工晶體生長的影響問題，也即限制了需要在磁場條件下對熔體物性的研究。
實用新型內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型主要解決的技術(shù)問題是提供一種新型熔體物性測試用熔化爐。該熔化爐具有密封好，爐溫高，熔化時間短，使用壽命長，可加磁場，適用范圍廣等優(yōu)點。
本實用新型解決所述技術(shù)問題的技術(shù)方案是設(shè)計一種熔體物性測試用熔化爐，包括爐蓋1、爐體2、熱電偶8、電極9和加熱器5，其特征在于所述的加熱器5采用高純石墨材料做加熱元件；所述的爐蓋1和爐體2均為雙層不銹鋼水冷結(jié)構(gòu)，且爐體2與爐蓋1之間以及其所有與外部設(shè)備連接的接口部分都建立密封連接。
本實用新型熔化爐采用分析純石墨作加熱器5的加熱元件，一方面可以提高加熱溫度(最高可達2200℃)，縮短升溫時間，另一方面可提高加熱器使用壽命，進而提高熔化爐的工作效率。試驗表明，本實用新型達標溫度升溫時間可由原來的6-8小時大幅縮短到目前的30-40分鐘，只是現(xiàn)有技術(shù)的1/12；試驗還表明，在爐內(nèi)最高溫度達2200℃的情況下，石墨加熱元件的正常使用時間可達一年，使用壽命大為提高。又由于本實用新型爐體、爐蓋以及其與外部設(shè)備接口處都做了嚴格密封，因此可使熔體能在需要的真空或微正壓保護氣氛環(huán)境下進行物性測試研究，擴大了熔化爐的適用范圍，同時也避免了熔體材料的氧化，大大減少了熔體中各種元素的揮發(fā)(對半導(dǎo)體材料尤為重要)和熔化過程中的外來污染，也適應(yīng)了高純石墨加熱元件工作防氧化的要求。本實用新型還獨特設(shè)計了爐體外永久磁體磁圈，向熔體空間引入可調(diào)永磁磁場，適應(yīng)了在磁場條件下對熔體物性研究的需要；另一方面本實用新型永磁磁場的設(shè)計與電磁場比較，無需為維持磁場強度而必須消耗的水和電，節(jié)省能源，使研究成本進一步減低。


圖1為本實用新型熔體物性測試用熔化爐爐體一種實施例的主體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實用新型熔體物性測試用熔化爐與外部設(shè)備連接關(guān)系的一種實施例示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例及其附圖進一步敘述本實用新型本實用新型熔體物性測試用熔化爐(以下簡稱熔化爐)一種實施例的主體結(jié)構(gòu)(參見圖1)包括爐蓋1、爐體2、熱電偶8、電極9和加熱器5，其特征在于所述的加熱器5采用高純石墨材料做加熱元件；所述的爐蓋1和爐體2均為雙層不銹鋼水冷結(jié)構(gòu)，且爐體2與爐蓋1之間以及其所有與外部設(shè)備連接的接口部分都建立密封連接。加熱器5采用高純(分析純)石墨材料作加熱元件，具有升溫快，溫度高，壽命長的優(yōu)點。加熱器5外部和爐體2內(nèi)壁間填充公知的保溫材料4，可形成良好的保溫條件。爐體2中的熱電偶8與爐體外的溫控系統(tǒng)12相連以控制爐室溫度。電極9與加熱器5用螺釘7連接。
本實用新型熔化爐的特征還在于所述的爐體2和爐蓋1均為雙層不銹鋼水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計，即爐體2為雙層不銹鋼水冷爐壁，爐蓋1也為雙層不銹鋼水冷爐蓋，并可直接配裝包括水泵10、水箱11以及相應(yīng)管路、閥門、儀表組成的強制水冷系統(tǒng)(參見圖2)。所述的強制水冷系統(tǒng)為公知技術(shù)。水冷系統(tǒng)設(shè)兩套分水器，用于進水和回水，可保證爐體2在高溫下不過熱。同樣道理，所述的電極9也配有強制冷卻的水冷系統(tǒng)。該強制水冷系統(tǒng)并接在所述的爐體強制水冷系統(tǒng)上，或者說所述爐體2與電極9的強制水冷系統(tǒng)一并設(shè)計。爐體2與外部連接的水泵10、水箱11、真空泵15、及伸入爐體2內(nèi)熱電偶8的各個結(jié)合處，均采取了公知的有效的密封措施，如密封墊等。
本實用新型熔化爐的進一步特征設(shè)計是在所述的爐體2外壁加裝有與之尺寸匹配的永磁材料制造的磁圈3，磁圈3與磁圈驅(qū)動蝸輪蝸桿副6連接。所述的磁圈3為內(nèi)外雙層結(jié)構(gòu)(參見圖1)。磁圈3的內(nèi)圈與爐體2固定在一起；而其外圈在磁圈驅(qū)動蝸輪蝸桿副6的驅(qū)動下可做相對于磁圈3內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)運動，以調(diào)節(jié)爐體2內(nèi)的磁場強度。磁場強度范圍為0-2700高斯，并且連續(xù)可調(diào)。這種結(jié)構(gòu)和功能的磁圈3為市售產(chǎn)品。這種設(shè)計可滿足研究磁場強弱對熔體物性影響的要求。
本實用新型熔化爐的工作過程是熔化爐由380伏電源經(jīng)變壓器14、整流器13給電極9提供直流電源，令與電極9連接的加熱器5工作發(fā)熱，進而使爐體2內(nèi)升溫。爐體2內(nèi)溫度可以由爐體外的溫控系統(tǒng)12控制。爐體2內(nèi)的最高溫度可達2200℃，完全可以滿足測定半導(dǎo)體物性參數(shù)的需要。由于本實用新型不僅對爐體2用保溫材料4良好保溫，而且爐體2與外部連接設(shè)備的接口處也都作了嚴格密封，由室溫達到2200℃溫度的加熱時間最少可縮短到30-40分鐘，只是現(xiàn)有技術(shù)的1/12。
由于良好的密封，本實用新型進一步特征是所述的在爐蓋1處接入可將爐體2內(nèi)抽真空的真空泵15，利用該真空泵15可將爐體2內(nèi)抽真空，真空度可達到2×10-3乇。并且可向爐體2內(nèi)充入微正壓(略大于1atm)的保護氣體，如高純氬氣或氮氣等。這種設(shè)計可以防止對熔體的氧化，對半導(dǎo)體材料本身特性的研究尤其重要。爐體底部配有真空開關(guān)，可用以檢測充入惰性保護氣體后的微正壓狀態(tài)，也可使流動氣體處于負壓狀態(tài)。
本實用新型熔化爐的進一步特征在于爐蓋1上有可向爐體2內(nèi)接入測試熔體物性儀器或設(shè)備傳感器的接口。利用該接口可方便地連接各種測試熔體物性所需的儀器或設(shè)備，并通過爐蓋1向爐體2接入各種測試熔體物性儀器或設(shè)備的傳感器，例如熔體粘度計等。
下面給出本實用新型熔化爐的應(yīng)用具體實施例實施例12002年11月某日，在北京儀表機床廠進行實驗，考查本實用新型熔化爐的最高爐溫和升溫情況。實施過程為首先做好抽真空，接通水冷系統(tǒng)等準備工作；通電后，用40分鐘時間可升溫至2200℃；磁場可由零調(diào)至2700高斯，保持狀態(tài)6小時，斷電降至常溫。熔化爐工作正常。
實施例22002年11月的另1天，在同一地點，用30分鐘時間就可由室溫升溫至2200℃。余同實施例1。
實施例32002年12月某日，在北京儀表機床廠進行實驗，考查本實用新型熔化爐熔化半導(dǎo)體材料的能力。被實驗熔化的材料為硅，材料量為直徑φ30毫米，高5 0毫米的圓柱體。實施過程為通電后，用30分鐘的時間升溫至1500℃(硅熔點為1420℃)，磁場由零調(diào)至2700高斯，保持狀態(tài)6小時，斷電降至常溫.實驗后檢查，硅柱完全被熔化，填滿坩堝，熔化爐狀態(tài)正常.余同實施例1。
實施例42002年12月另一日，在山東大學(xué)進行實驗，考查本實用新型熔化爐與測熔體粘度系統(tǒng)連接后測粘度情況。實施過程為通電后，約用30分鐘的時間升溫至1550℃，保溫1小時后，磁場強度為零，在此狀態(tài)下測得硅熔體粘度為0.8厘泊，然后降溫至1450℃，保溫1小時后，磁場強度為零，在此狀態(tài)下測得硅熔體粘度為0.8厘泊，斷電降至常溫。熔化爐及測試系統(tǒng)狀態(tài)均正常.余同實施例3。
權(quán)利要求1.一種熔體物性測試用熔化爐，包括爐蓋(1)、爐體(2)、熱電偶(8)、電極(9)和加熱器(5)，其特征在于所述的加熱器(5)采用高純石墨材料做加熱元件；所述的爐蓋(1)和爐體(2)均為雙層不銹鋼水冷結(jié)構(gòu)，且爐體(2)與爐蓋(1)之間以及其所有與外部設(shè)備連接的接口部分都建立密封連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熔體物性測試用熔化爐，其特征在于所述的爐體(2)外壁加裝有與之尺寸匹配的永磁材料制造的磁圈(3)，磁圈(3)與磁圈驅(qū)動蝸輪蝸桿副(6)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熔體物性測試用熔化爐，其特征在于爐蓋(1)上有可向爐體(2)內(nèi)接入測試熔體物性儀器或設(shè)備傳感器的接口。
專利摘要本實用新型涉及一種熔體物性測試用熔化爐，包括爐蓋1、爐體2、熱電偶8、電極9和加熱器5，其特征在于所述的加熱器5采用高純石墨材料做加熱元件；所述的爐蓋1和爐體2均為雙層不銹鋼水冷結(jié)構(gòu)，且爐體2與爐蓋1之間以及其所有與外部設(shè)備連接的接口部分都建立密封連接。該熔化爐具有密封好，爐溫高，熔化時間短，使用壽命長，可加磁場，適用范圍廣等優(yōu)點。
文檔編號F27B17/02GK2630773SQ03257989
公開日2004年8月4日 申請日期2003年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月4日
發(fā)明者徐岳生, 劉彩池, 王海云, 任丙彥, 張雯, 李養(yǎng)賢, 李幼斌, 顧勵生, 郎益謙, 王繼炎 申請人:河北工業(yè)大學(xué)