ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК H05B3/64 

Изобретение относится к области высокотемпературной нагревательной техники и может быть использовано в установках выращивания монокристаллов из расплавов с выпуклой формой фронта кристаллизации.

Технической задачей, решаемой данным изобретением, является создание высокотемпературного электронагревателя сопротивления для выращивания профилированных монокристаллов и создание теплового поля с радиальной симметрией по всей длине нагревателя, что приводит к росту бездефектных и однородных по структуре и чистоте монокристаллов заданной формы.

Известен высокотемпературный электронагреватель сопротивления, используемый в вакуумных и газозаполненных электропечах, включающий нагревательные элементы - ламели, выполненные из прутков П-образной формы из тугоплавких металлов и сплавов. Вертикальные участки ламелей механически скреплены и расположены по образующей цилиндрической поверхности с равным зазором друг от друга. Они образуют вертикальные стенки нагревательной камеры. Дно камеры образуют горизонтальные участки. Концы прутков соединены токоподводами (см. пат. США № 3155758, кл. Н 05 В 3/42).

Данная конструкция высокотемпературного электронагревателя сопротивления не может быть эффективно использована в установках выращивания монокристаллов из расплава, т.к. равномерное расположение по всему дну нагревательной камеры горизонтальных участков ламелей дает плоскую форму фронта кристаллизации, а при росте кристалла фронт меняется на вогнутый вследствие выделяющейся теплоты кристаллизации. Это снижает выход монокристаллов.

Известен высокотемпературный электронагреватель сопротивления преимущественно для установок выращивания монокристаллов из расплава (см. а.с. СССР №674254 от 03.05.77 г., кл. Н 05 В 3/42, С 30 В 15/18), принятый за прототип. Нагреватель выполнен сборными ламелями из прутков П-образной формы тугоплавких металлов и сплавов. Вертикальные участки ламелей механически скреплены и расположены по образующей цилиндрической поверхности с равным зазором друг от друга. Вертикальные участки ламелей образуют нагревательную камеру с дном из горизонтальных участков. Вертикальные участки соединены с токоподводом в виде двух полуколец, один конец ламелей подключен к положительно заряженному полукольцу токовода, другой конец - к отрицательно заряженному полукольцу токовода.

Для получения островыпуклого фронта кристаллизации горизонтальные участки П-образных нагревательных элементов расположены по периферии дна камеры, образуя в центре отверстие, площадь которого составляет 10-50% от площади дна.

Для предотвращения деформации и смещения нагревательных элементов (ламелей) вследствие неоднородности их нагрева и наличия больших магнитных полей в процессе работы нагревателя ламели дополнительно скрепляют с помощью пары внешних и внутренних полуколец, расположенных на вертикальной их части на некотором расстоянии друг от друга.

Недостатками указанной конструкции являются следующие.

1. Нагревательные П-образные элементы имеют разную длину и конфигурацию горизонтальных частей ламелей. Так как ток идет по кратчайшему пути, то температура наименьшей по длине горизонтальной части ламели будет выше. Кроме того, пересекающиеся ламели, экранируя друг друга, локально повышают температуру в этих местах.

2. Горизонтальные части ламелей, перекрывающие дно нагревательной камеры, расположены неравномерно, т.е. отсутствует радиальная симметрия теплового поля. Изотерма дна камеры в этом случае представляет собой овал. Это отрицательно сказывается на стабильности формы фронта кристаллизации, а следовательно, и на структуре выращиваемого кристалла.

3. Фиксирующие вертикальные части ламелей полукольца как дополнительная масса и увеличенное сечение для прохождения тока в местах соединения с ламелями снижают в этих местах температуру, а осевой градиент температуры вдоль нагревателя при этом меняет знак с (+) на (-) по количеству полуколец. В результате чего диаметр выращиваемых кристаллов меняется в соответствии с прохождением фронта кристаллизации вдоль нагревателя, что отрицательно влияет на форму кристалла и на однородность структурных характеристик, а следовательно, и свойства изделий из этих монокристаллов.

4. Фиксирующие вертикальные части ламелей полукольца при нагревании сами распрямляются и увеличивает зазор между крайними ламелями полуколец. Это приводит к искажению радиальных изотерм по всей длине нагревателя, которые принимают форму овала, развернутого на 90°С относительно овала в нижней части нагревателя.

5. Исследования показали, что при наличии островыпуклого фронта кристаллизации как следствия большого радиального градиента температуры охлаждение выращенного кристалла в этих условиях приводит к пластической деформации последнего (полосы скольжения), а при полном охлаждении - к упругим напряжениям и к трещинам.

Техническим результатом предложенного изобретения является создание нагревателя, обеспечивающего радиальную симметрию теплового поля по всей длине нагревателя с возможностью получения управляемых радиальных изотерм круглой, квадратной, прямоугольной, шестиугольной форм для выращивания профилированных монокристаллов с естественной огранкой.

Технический результат достигается тем, что в высокотемпературном электронагревателе сопротивления установки выращивания монокристаллов из расплава, выполненном в виде сборных ламелей из прутков тугоплавких металлов и сплавов, образующих нагревательную камеру с отверстием в дне и концами ламелей, соединенными с охлаждаемыми токовводами, согласно изобретению ламели выполнены U-образными, имеют одинаковую длину и изогнутую форму с образованием вертикальных и горизонтальных участков нагревательной камеры, токовводы выполнены в виде замкнутых колец, концы каждой ламели закреплены по окружности токовводов с чередованием знаков токовой нагрузки, а отверстие в дне камеры образовано центрирующим кольцом, по окружности которого зафиксированы вершины замкнутых, сходящихся к центру частей ламелей, расположенных в горизонтальной плоскости и образующих дно камеры, а также тем, что расстояние между ламелями равно расстоянию между ветвями ламелей.

Для создания радиальных изотерм круглой формы количество ламелей кратно 12.

Для создания радиальных изотерм прямоугольных или иных многоугольных форм ламели собирают в секции, длина которых соответствует длинам сторон, задаваемым формой многоугольника.

Площадь, ограниченная центрирующим кольцом, составляет 6-90% дна камеры.

Водоохлаждаемые кольцевые токовводы могут быть расположены коаксиально или один под другим.

Конструкция высокотемпературного электронагревателя сопротивления представлена на фиг.1.

Нагреватель включает U-образные изогнутые ламели 1 с концами 2, закрепленными на кольцевых водоохлаждаемых токовводах 3-4, расположенных коаксиально, центрирующее кольцо 5, по окружности которого зафиксированы вершины 6 ламелей 1, токоввод 3 имеет пазы 7, через которые ламели 1 подходят к кольцевому водоохлаждаемому токовводу 4. Стрелки и знаки (+), (-) указывают направление давления электрического тока по ламели и нагревателя в целом.

На фиг.2 (а, б, в) изображены нагреватели, в которых ламели собраны в секции для создания радиальных изотерм многоугольных форм (квадрат, прямоугольник и шестигранник) для выращивания монокристаллов соответствующего профиля.

Сущность изобретения заключается в том, что изогнутая U-образная форма ламелей и фиксация ламелей только в двух точках (концы ламелей в токовводах, а вершины на кольце) образуют нагревательную камеру с равномерно распределенной плотностью тока по всей длине ламелей, как по вертикальной стенке камеры, так и по горизонтальной (донной) части.

Это обеспечивает постоянство формы радиальных изотерм по всей длине выращиваемого монокристалла.

Кроме того, подключение концов ламелей с чередованием знаков (+) и (-) по окружности водоохлаждаемых кольцевых токовводов исключает возникновение магнитного поля в расплаве и его отрицательное воздействие на градиент температуры в расплаве.

Для создания профилированных изотерм при выращивании монокристаллов с кубической и гексагональной решетками с естественной огранкой общее количество ламелей в нагревателе кратно количеству граней монокристалла и кратно 12. При выращивании кристаллов многоугольных ферм ламели собирают в секции, длина которых соответствует длинам сторон выращиваемого профиля многоугольника. Для изменения профиля выращиваемого монокристалла изменяют количество ламелей в секциях.

Кратное 12 количество ламелей в нагревателе определяется составом числа 12 - 2, 3, 4, 6. Числа 2, 3, 4, 6 определяют форму ориентированных выращиваемых монокристаллов кубической и гексагональной решеток.

Так, например, число 2 соответствует ленте, выращиваемой в направлении [1120] с ориентацией граней {1010} и {0001} гексагональной решетки.

Число 3 или 6 - соответствует монокристаллам треугольной или шестиугольной форм, выращиваемых в направлении [111] с ориентацией плоскостей {110} кубической решетки или в направлении [001] с ориентацией граней {1010} гексагональной решетки.

Число 4 - соответствует монокристаллу четырехугольной формы, выращиваемому в направлении [100] с ориентацией граней {111} кубической решетки или в направлении [1120] с ориентацией граней {1010} и {0001} гексагональной решетки и т.д.

Размер диаметра дна камеры связан с величиной осевых градиентов температур. Величину диаметра в заявленном интервале значений определяет, как правило, способ выращивания монокристаллов.

Так, например, минимальный диаметр используют при выращивании монокристаллов по методу Чохральского и Киропулоса, а максимальный - по методу Бриджмена-Стокбаргера.

Принцип работы нагревателя следующий.

Электрический ток с внутреннего кольцевого водоохлаждаемого токоввода 3 поступает непосредственно на концы 2 ламелей 1, проходит по U-образной части и возвращается через пазы 7 внутреннего токоввода 3 к водоохлаждаемому кольцевому токовводу 4. Ламели 1 образуют круг с нулевым магнитным полем внутри и равномерной знакопеременной нагрузкой по окружности нагревательной камеры и ее дну.

Конструкция позволяет получить следующий положительный эффект.

1. Существенное повышение качества монокристаллов за счет обеспечения однородности теплового поля по вертикали и горизонтали и исключения отрицательного воздействия знакопеременных осевых градиентов температур и магнитного поля.

2. Снижение расхода дорогостоящих материалов за счет выращивания профилированных монокристаллов, что приводит также и к повышению качества изделий из них.

3. Возможность замены вышедших из строя элементов нагревателя (ламелей), что в целом существенно удлиняет срок использования нагревателя.

4. Эргономичность конструкции, обеспечивающая возможность изменения технологических задач по выращиванию многопрофилированных монокристаллов.

Изобретение относится к области высокотемпературной нагревательной техники и может быть использовано в установках выращивания монокристаллов из расплавов с выпуклой формой фронта кристаллизации. В высокотемпературном электронагревателе сопротивления, выполненном в виде сборных ламелей из прутков тугоплавких металлов и сплавов, образующих нагревательную камеру с отверстием в дне, и концами ламелей, соединенными с охлаждаемыми токовводами, согласно изобретению ламели выполнены U-образными, имеют одинаковую длину и изогнутую форму, токовводы выполнены в виде двух замкнутых колец, концы каждой ламели закреплены по окружности токовводов по образующей цилиндрической поверхности с образованием вертикальных и горизонтальных участков нагревательной камеры, а отверстие в дне камеры образовано центрирующим кольцом, по окружности которого зафиксированы вершины замкнутых, сходящихся к центру частей ламелей, расположенных в горизонтальной плоскости и образующих дно камеры, при этом расстояние между ламелями равно расстоянию между ветвями ламелей. Конструкция высокотемпературного электронагревателя обеспечивает однородность теплового поля по вертикали и горизонтали и исключение отрицательного воздействия знакопеременных осевых градиентов температур и магнитного поля; снижает расход дорогостоящих материалов за счет выращивания профилированных монокристаллов и повышает их качество, позволяет заменять вышедшие из строя ламели и в целом удлинить срок использования нагревателя. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Высокотемпературный электронагреватель сопротивления для установки выращивания монокристаллов из расплава, выполненный в виде сборных ламелей из прутков тугоплавких металлов и сплавов, образующих нагревательную камеру с отверстием в дне, и концами ламелей, соединенных с токовводами, отличающийся тем, что ламели выполнены U-образными, имеют одинаковую длину и изогнутую форму с образованием вертикальных и горизонтальных участков нагревательной камеры, токовводы выполнены в виде двух замкнутых колец, концы каждой ламели закреплены по окружности токовводов с чередованием знаков токовой нагрузки, а отверстие в дне камеры образовано центрирующим кольцом, по окружности которого зафиксированы вершины замкнутых сходящихся к центру частей ламелей, расположенных в горизонтальной плоскости и образующих дно нагревательной камеры.2. Высокотемпературный электронагреватель сопротивления по п.1, отличающийся тем, что расстояние между ламелями равно расстоянию между ветвями ламелей.3. Высокотемпературный электронагреватель сопротивления по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что для создания изотерм круглой формы количество ламелей кратно 12.4. Высокотемпературный электронагреватель сопротивления по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что для создания радиальных изотерм прямоугольных или иных многоугольных форм ламели собирают в секции, длина которых соответствует длинам сторон, задаваемым формой многоугольника.5. Высокотемпературный электронагреватель сопротивления по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что площадь, ограниченная центрирующим кольцом, составляет 6-90% площади дна камеры.