Устройство для выращивания монокристаллов тугоплавких окислов

 

Изобретение относится к области выращивания монокристаллов. Сущность изобретения: устройство включает камеру роста. В камере роста размещены система экранов и нагреватель в виде нижних и верхних полувитков. На выходе из камеры роста нагреватель имеет дополнительный виток в форме кольца. Концы нагревателя закреплены в узле крепления в виде единого элемента. Узел крепления соединен с токоподводами через гибкую шину, выполненную в виде пакета листов из тугоплавкого металла, например тонколистового молибдена. В полости нагревателя размещена лодочка для исходного материала. Лодочка перемещается в полости нагревателя по роликам, размещенным в экранах. Обеспечивается повышение стабильности и надежности работы устройства. Срок службы нагревателя увеличен на 20%. Получены монокристаллические пластины лейкосапфира и иттрий-алюминиевого граната. 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области кристаллизации, а более конкретно к устройствам для выращивания монокристаллов тугоплавких оксидов в виде пластин кристаллизацией расплава в лодочке.

Известно устройство для выращивания монокристаллов кристаллизацией расплава в лодочке, в котором нагреватель выполнен из расположенных перпендикулярно к направлению перемещения лодочки витков, каждая соседняя пара которых соединена встречно.

Недостатком данного устройства является низкая стабильность и надежность в работе за счет изменения взаимного расположения прутков нагревателя особенно вблизи фронта кристаллизации.

Наиболее близким техническим решением является устройство для выращивания монокристаллов из тугоплавких оксидов, включающее систему экранов, ролики для перемещения лодочки и прутковый нагреватель сопротивления, нижние полувитки которого расположены в два ряда в шахматном порядке, а выводы закреплены клином на жестких токоподводах, выполненных из жестко соединенных пластин.

Данное устройство также обладает недостаточными стабильностью и надежностью в работе, вследствие изменения взаимного расположения верхних и нижних прутков нагревателя, особенно, вблизи фронта кристаллизации, и крепления выводов нагревателя в жестких токоподводах, исключающих свободное температурное расширение прутков, изменения площади контакта между выводом нагревателя и токоподводом вследствие неравномерного нагрева составляющих его пластин, а также постоянно изменяющегося теплоотвода от лодочки по роликам, закрепленным на стойках, установленных на днище кристаллизационной камеры.

Целью изобретения является повышение стабильности и надежности работы устройства.

Выполнение нагревателя на выходе из камеры роста с дополнительным витком в форме кольца постоянно обеспечивает равномерное распределение температуры в поперечном сечении лодочки вблизи фронта кристаллизации. Снабжение токоподводов гибкой шиной, из набора тонколистового тугоплавкого металла дает возможность свободной подгонки их гнезд под концы нагревателя, исключая механические напряжения и обеспечивая заданный электрический контакт, исключает вертикальное перемещение выводов нагревателя за счет ребра, позволяет свободно перемещаться концам нагревателя при его температурном расширении, что исключает нарушения взаимного расположения нижних полувитков по отношению к верхним и, особенно, смещение нагревателя относительно системы экранов вдоль движения лодочки. Выполнение узла крепления концов в виде единого элемента, имеющего гнезда для размещения выводов нагревателя исключает изменение площади контакта между ними, обеспечивая его постоянное электросопротивление. Размещение роликов непосредственно в системе экранов обеспечило снижение теплоотвода от лодочки и исключило его влияние при движении последней, позволяет свободно перемещаться экранам при температурном расширении, исключая изменения их взаимного расположения, а также позволяет электрически и по теплопереносу оторвать систему экранов от рабочей камеры, что снижает теплоотвод от лодочки, исключает при контакте нагревателя с экранами электрозамыкание на корпус установки.

Таким образом, совокупность отличительных признаков позволяет стабилизировать систему экран-нагреватель, уменьшив до минимума их деформацию, стабилизировать тепловое поле, создаваемое системой в течение всего процесса роста кристалла, повышает надежность в работе экранов и нагревателя и, следовательно, устройства в целом, а также создает равномерное тепловое поле в поперечном сечении лодочки вблизи фронта кристаллизации, что позволяет увеличить ширину лодочки.

На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого устройства, в разрезе, а на фиг.2 - проекции токоподвода с гибкой шиной.

Устройство содержит многослойную систему экранов 1 из отдельных блоков, ролики 2 для перемещения лодочки 3 с устройством 4 ее размещения, которые расположены в блоках 5 экранов, образующих коридоры, что позволяет оторвать систему экранов от рабочей камеры (на фиг.1-3 не показано) и стабилизировать расположение блоков 1 между собой при нагреве. Окруженный системой экранов прутковый нагреватель выполнен из верхних 6 и нижних 7 полувитков. Нижние полувитки 7 нагревателя имеют большее число прутков и расположены в два ряда в шахматном порядке. При этом нагреватель на выходе из него лодочки 3 выполнен в виде кольца 8, обеспечивая равномерный нагрев вблизи фронта кристаллизации. Концы нагревателя посредством клиньев 9 закреплены в гнездах цельнометаллической части 10 токоподводов 11, снабженных гибкой шиной 12 из пакета тонколистового молибдена, способствующей возможности совпадения осей гнезда и прутка, что улучшает и стабилизирует электроконтакты нагревателя.

Устройство работает следующим образом.

Исходное вещество загружают в лодочку 3. Лодочка 3 с устройством 4 для ее размещения, устанавливается на ролики 2, расположенные в блоках 5 системы экранов 1, окружающей нагреватель. Система экранов 1 с нагревателем установлена в кристаллизационной камере (на фиг.1-3 не показана) через изоляторы.

В камере создают необходимую среду, например вакуум, и проводят нагрев исходного вещества, поднимая температуру на нагревателе путем подачи на него напряжения по заданной программе. В процессе нагрева материала в лодочке 3 до расплава нагреватель находится в стабильном положении, за счет увеличения его жесткости с помощью кольца 8 и крепления выводов верхних и нижних полувитков 6 и 7 в гнезде цельнометаллической части узла крепления 10 токоподвода 11, снабженного гибкой шиной 12, что исключает нарушения симметричности теплового поля. Блоки системы экранов 1 при нагреве также находятся в стабильном положении за счет свободного их размещения и расположения роликов 2 в блоках 5, что уменьшает деформацию и позволяет свободно удлиняться при температурном расширении. После достижения температурного режима, который контролируется появлением расплава, нагрев стабилизируют и включают механизм перемещения лодочки 3 по роликам 2. При этом уменьшен теплоотвод по роликам 2 и, особенно, его влияние в процессе перемещения лодочки 3, что стабилизирует условия роста кристалла. По окончании процесса кристаллизации в объеме лодочки 3 выключают ее перемещение и по программе снижают температуру на нагревателе. После полного охлаждения камеру разгерметизируют и извлекают лодочку 3 с выращенным кристаллом.

Применение устройства с вышеуказанными признаками повышает стабильность и надежность его работы, что увеличило срок его службы и ресурс нагревателя не менее, чем на 20%.

Стабильность и надежность описываемого устройства позволили стабильно выращивать монокристаллические пластины лейкосапфира и иттрий-алюминиевого граната с повышенной производительностью, имеющие следующие характеристики, в сравнении с пластинами, полученными на прототипе (см. таблицу).

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ТУГОПЛАВКИХ ОКИСЛОВ, содержащее камеру роста, размещенные в ней экраны, прутковый нагреватель сопротивления в виде верхних и нижних полувитков, концы которого закреплены в гнездах узла крепления, соединенного с токоподводами, и ролики для перемещения лодочки в полости нагревателя, отличающееся тем, что, с целью повышения стабильности и надежности в работе устройства, нагреватель на выходе из камеры роста снабжен дополнительным витком в форме кольца, токоподводы соединены с узлом крепления при помощи гибкой шины, выполненной в виде пакета листов из тугоплавкого металла, узел крепления нагревателя выполнен в виде единого элемента, а ролики размещены в экранах.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4