УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ ТУГОПЛАВКИХ МОНОКРИСТАЛЛОВ Российский патент 2002 года по МПК C30B11/00 

Изобретение относится к области кристаллографии, а именно к устройствам для выращивания тугоплавких монокристаллов.

Известны устройства для выращивания тугоплавких монокристаллов, описанные, например, в авторских свидетельствах СССР 40495, кл. С 30 В 11/00, опубл. 25.11.77, 1031256, кл. С 30 В 11/00, опубл. 23.05.89, которые состоят из камеры роста и размещенными в ней тепловым узлом, состоящим из нагревателя, образующего зону кристаллизации, и многослойных торцевых и боковых экранов, образующих туннель для перемещения волокуши с установленным на ней контейнером с исходным материалом для выращивания кристаллов.

В этих устройствах для выращивания кристаллов методом горизонтально направленной кристаллизации нагреватель установлен и закреплен в тепловом узле с помощью подвесок или подставок через керамические изоляторы, что приводит к увеличению зоны кристаллизации и градиентов температур.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является устройство для выращивания кристаллов, описанное в патенте РФ 2061803, кл. С 30 В 11/00, опубл. 10.06.96.

Оно состоит из камеры роста с размещенным в ней тепловым узлом, установленным на днище камеры и содержащим многовитковый нагреватель, витки которого изолированы друг от друга керамикой, систему многослойных экранов, окружающую нагреватель и образующую на входе и выходе из нагревателя туннель для перемещения волокуши с контейнером, причем нагреватель установлен и закреплен внутри системы экранов с помощью верхних подвесок или нижних подставок через керамические изоляторы и соединен с тоководами с помощью клиньев в виде конических штифтов; ролики, установленные на нижнем экране по ходу приемной и исходной частей туннеля, размещенной на них волокуши, выполненной из вольфрамовых прутков и соединенной с механизмом перемещения, контейнер с исходным материалом для кристаллизации, установленный на волокуше.

Однако необходимость крепления каждого витка нагревателя к экранам с помощью верхних подвесок или нижних подставок через керамические изоляторы приводит к дополнительному увеличению объема зоны кристаллизации около 30%, что в свою очередь увеличивает теплопотери и градиенты температур в зоне кристаллизации. Наличие керамических изоляторов, постепенно напыляемых металлом в процессе эксплуатации и утрачивающих свою прямую функцию (сами становятся проводниками), приводит к межвитковому замыканию с последующей деформацией витков нагревателя, расплавлению изоляторов и в конечном итоге - к короткому замыканию, разрушению теплового узла и аварии.

Задачей изобретения является создание устройства для выращивания монокристаллов упрощенной конструкции, повышенной устойчивости и стабильности, позволяющее исключить вероятность возникновения аварий, значительно сократить расход электроэнергии и резко снизить градиенты температур в зоне кристаллизации.

Технический результат, обусловленный указанной задачей, достигается тем, что в предлагаемом устройстве для выращивания монокристаллов, содержащем камеру роста с расположенными в ней тепловым узлом, состоящим из многовиткового нагревателя, системы многослойных экранов, окружающей нагреватель и образующей приемную и исходную части туннеля, волокуши, соединенной с механизмом перемещения, в отличие от известного, тепловой узел установлен на лаги из тугоплавкого материала, закрепленные на днище камеры через керамические электроизоляторы, один из витков нагревателя установлен на опору из тугоплавкого материала, размещенную на нижнем экране, а волокуша соединена с механизмом перемещения через электроизоляторы.

На чертеже представлена схема теплового узла предлагаемого устройства для выращивания монокристаллов.

Устройство состоит из камеры роста (не показана), размещенных в ней теплового узла, состоящего из многовиткового нагревателя 1, соединенного с тоководами 2 посредством вольфрамовых клиньев 3, системы многослойных экранов, окружающей нагреватель 1, включающей в себя верхний 4, нижний 5, боковые 6 экраны, и экраны, образующие приемную 7 и исходную 8 части туннеля для перемещения волокуши 9 с контейнером ( не показан), соединенной с механизмом перемещения 10 через электроизолятор 11, опору 12 из тугоплавкого материала, установленную на нижнем экране 5 под одним из витков нагревателя 1, нижний многослойный экран 5 установлен на лаги 13, установленные на днище 14 камеры роста посредством четырех керамических электроизоляторов 15, выполненных в виде роликов с пазом.

Устройство работает следующим образом. Контейнер загружают исходным сырьем, устанавливают на волокушу 9, создают в камере вакуум, подают напряжение на нагреватель 1 по заданной программе, расплавляют исходное сырье, включают механизм перемещения 10 волокуши 9 по заданной программе. После окончания процесса кристаллизации перемещение волокуши 9 выключают и проводят программное снижение напряжения на нагревателе 1. При полном охлаждении рабочего объема камеру роста разгерметизируют и извлекают контейнер с выращенным кристаллом.

Предлагаемое техническое решение отличается от известных в данной области аналогичных решений простотой и лаконичностью конструкции, что снижает материалоемкость и стоимость изготовления, а его применение позволяет по сравнению с ближайшим аналогом повысить стабильность и устойчивость работы устройства, создать равномерные поля как в поперечном, так и в радиальном сечениях кристаллизационной зоны, исключить вероятность возникновения аварии вследствие короткого замыкания за счет установки одного из витков нагревателя на опору из тугоплавкого материала и полной электроизоляции теплового узла, установленного на электроизолированные от днища камеры лаги, и за счет наличия электроизолятора между волокушей и механизмом перемещения.

В предлагаемом устройстве можно выращивать крупногабаритные кристаллы весом более 8 кг, имеющие высокие технические характеристики, и снизить энергозатраты на выращивание 1 кг монокристаллов до 215 кВт/ч, что в 3-4 раза ниже, чем во всех известных аналогичных устройствах для выращивания монокристаллов.

Изобретение может быть использовано в области кристаллографии. Сущность изобретения: устройство для выращивания монокристаллов содержит камеру роста с расположенными в ней тепловым узлом, состоящим из многовиткового нагревателя, системы многослойных экранов, окружающей нагреватель и образующей приемную и исходные части туннеля, и волокуши, соединенной с механизмом перемещения. Тепловой узел установлен на лаги из тугоплавкого материала, закрепленные на днище камеры через керамические электроизоляторы, один из витков нагревателя установлен на опору из тугоплавкого материала, размещенную на нижнем экране, а волокуша соединена с механизмом перемещения через электроизоляторы. Предлагаемая конструкция обладает низкими материалоемкостью и стоимостью изготовления, позволяет повысить стабильность и устойчивость работы, а также создать равномерные поля как в поперечном, так и в радиальном сечениях кристаллизационной зоны. Изобретение также обеспечивает полную электроизоляцию теплового узла, что позволяет исключить вероятность возникновения аварий вследствие короткого замыкания. 1 ил.

Устройство для выращивания тугоплавких монокристаллов, включающее камеру роста с тепловым узлом, состоящим из неподвижно установленного в ней многовиткового нагревателя, системы многослойных экранов, окружающей нагреватель и образующей приемную и исходную части туннеля, волокуши, соединенной с механизмом перемещения, отличающееся тем, что тепловой узел установлен на лаги из тугоплавкого материала, закрепленные на днище камеры через керамические электроизоляторы, один из витков нагревателя установлен на опору из тугоплавкого материала, размещенную на нижнем экране, а волокуша соединена с механизмом перемещения через электроизоляторы.