Устройство для контроля параметров поверхности раздела кристалла и жидкой фазы Советский патент 1990 года по МПК C30B17/00 

Изобретение относится к устройствам получения информации о состоянии поверхности раздела твердой и жидкой фаз системы кристалл - расплав (раствор) в процессе кристаллизации и может быть использовано для автоматизации процесса получения монокристаллов кремния, германия, сапфира и т.д.

Цель изобретения - повышение точности измерения параметров границы раздела фаз.

На чертеже представлена блок-схема устройства для контроля параметров поверхности раздела кристалла и жидкой фазы в процессе кристаллизации.

Устройство содержит усилитель 1. электрических колебаний, измеритель 2 амплитуды, измеритель 3 частоты, преобразователь 4 звука, мембрану 5 шток 6 кристаллодержателя, индукциону | ную катушку 7 магнит 8, кристалл . 9 с границей 10 раздела фаз и расплав (раствор) 11.

Устройство работает следующим образом.

Преобразователь звука 4. подключенный своей обмоткой ю выходу усилителя 1 электрических колебаний, преобразует электрический сигнал в звуковые колебания и через мембрану 5 и шток 6 кристаллодержателя воздействует на кристалл 9. Со штоком 6

ел

V

о: ел ее а

кристаллодержателя, на котором закреплен магнит 8. индуктивно связана индукционная катушка 7, которая своим выходом подключена к входу усилителя 1 электрических колебаний. Та- ким образом, замыкается петля положительной обратной связи, обеспечивающей поддержание колебаний акустической системы (шток кристаллодержа- теля, кристалл) на собственной резонансной частоте. Напряжение на выходе усилителя 1 электрических колебаний и частота измеряются с помощью измерителей амплитуды 2 и частоты 3°

Зная собственную резонансную частоту F колебаний акустической системы, можно определить длину кристалла L по формуле

F

1

2TTXL + LJ

JL

где Е - модуль упругости материала}

р - плотность кристалла;

Ьш - длина штока кристаллодержа- теля.

Величина напряжения на выходе усилителя электрических колебаний пропорциональна амплитуде колебаний, которая функционально связана с добротностью акустической системы и определяется площадью раздела тЕзер дой и жидкой фаз.

Для определения площади поверхности раздела кристалла и жидкой фаз измеряют амплитуду колебаний резонансной частоты акустической системы в процессе роста кристалла и сравнивают ее с амплитудой колебаний резонансной частоты системы для кристал- ла, расходящегося в системе с плоской поверхностью раздела. При этом чем больше поверхность раздела кристалла и жидкой фазы, тем меньше амплитуда колебаний.

Для определения длины растущего кристалла измеряют резонансную частоту акустической системы до и после перемещения поверхности раздела твердой и жидкой фаз. При этом чем меньше резонансная частота системы, тем больше длина кристалла (ниже уровень поверхности раздела твердой и жидкой фаз).

Для определения формы поверхнос- ти раздела кристалла и жидкой фазы измерения, амплитуды колебаний и резонансной частоты акустической сис

0

0

5

5 0 5

0

5

темы повторяют до и после изменения условий кристаллизации каждый раз запоминают и сравнивают между собой.

При этом возможны следующие состояния: если резонансная частота до и после изменения условий кристалли-. зации равны между собой и равны их амплитуды колебаний, то изменений формы поверхности раздела не происходит-, если резонансная частота и амплитуда колебаний после изменения условий кристаллизации стали больше, чем до изменения этих условий, то происходит изменение формы поверхности раздела в направлении от выпуклого к плоскому (в сторону расплава) если резонансные частоты до и после изменения условий кристаллизации равны между собой, а амплитуда колебаний стала меньше, чем до изменения этих условий, то произошло изменение формы поверхности раздела твердой и жидкой фаз от плоской к выпуклой (е сторону кристалла).

Схема данного устройства позволяет производить замыкание петли положительной обратной связи, обеспечивающей поддержание колебаний акустической системы на собственной резонансной частоте, характеризующей длину кристалла. Величина напряжения на выходе усилителя электрических колебаний пропорциональна амплитуде колебаний, которая функционально связана с добротностью акустической системы м оеределяется площадью раздела твердой и жидкой фаз.

Измерения резонансной частоты системы и амплитуды колебаний проводят до контакта кристалла с поверхностью жидкой фазы, после контакта при перемещении кристалда относительно поверхности в процессе вытягивания кристалла из расплава.

Амплитуда колебаний при касании поверхности жидкой фазы резко понижается на величину, пропорциональную площади поверхности контакта твердой к жидкой фаз. При дальнейшем погружении кристалла в расплав происходит изменение амплитуды колебаний, пропорционально изменению площади поверхности раздела фаз.

Длину кристалла, форму и площадь поверхности раздела фаз можно определить данным устройством с помощью предварительной тарировки устройства эталонными образцами и последующим

5

.сопоставлением с результатами изме-

рений в процессе кристаллизации.

Формула изобретения

Устройство для контррля параметров поверхности раздела кристалла и жидкой фазы в процессе кристаллизации, содержащее преобразователь зву- ка, акустически связанный через шток кристаллодержателя с кристаллом, вход которого подключен к измерителям частоты и амплитуды электрических колебаний, отличающее

98

с я

6

тем, что, с целью повышения точности измерения параметров границы раздела фаз, оно дополнительно содер жит усилитель электрических колебаний, мембрану, размещенную на штоке кристаллодержателя, и индукционную катушку, при этом мембрана акустически связана с преобразователей звука, а индукционная катушка индуктивно связана со штоком кристаллодержателя и своим выходом подключена к усилителю электрических колебаний, выход которого соединен с входом преобразователя звука.

Изобретение относится к устройствам получения информации о состоянии поверхности раздела твердой и жидкой фаз системы кристалл-расплав (раствор) в процессе кристаллизации, предназначено для автоматизации процесса получения монокристаллов кремния, германия, сапфира и т.д. и позволяет повысить точность измерения параметров границы раздела фаз. Для этого преобразователь звука акустически связан через шток кристаллодержателя с кристаллом, вход которого подключен к измерителям частоты и амплитуды электрических колебаний, на штоке размещена мембрана и индукционная катушка. При этом мембрана акустически связана с преобразователем звука, а индукционная катушка индуктивно связана со штоком кристаллодержателя и своим выходом подключена к усилителю электрических колебаний, выход которого соединен с входом преобразователя звука. 1 ил.

5

7 В

9

,10- .11