Устройство для выращивания тугоплавких монокристаллов

 

Изобретение относится к кристаллографии. Устройство содержит камеру роста с расположенными в ней тепловым узлом, состоящим из нагревателя, тоководов системы многослойных экранов в форме прямоугольного параллелепипеда, окружающей нагреватель и образующей приемную и исходные части туннеля, и волокуши, соединенной с механизмом перемещения. Нагреватель выполнен в виде моноблока, изготовленного из слоистого графитового монолита, полученного путем спекания графитовых волокон при температуре 2600^oС, а один из тоководов выполнен из многослойной гибкой шины. Соединительные поверхности нагревателя и токовода имеют соответственно вогнутую и выпуклую форму. Конструкция устройства позволяет выращивать крупногабаритные монокристаллы шириной до 500 мм, а также обладает повышенной устойчивостью и стабильностью, позволяющими значительно сохранить расход электроэнергии и снизить градиент температуры в зоне кристаллизации. 2 ил.

Предлагаемое 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 408495, 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 с размещенным 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, опуб. 10.06.96 г.

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, в форме прямоугольного параллелепипеда 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, роликов, установленных на нижнем экране по ходу приемной и исходной частей туннеля, размещенной на них волокуши, выполненной из вольфрамовых прутков и соединенной с механизмом перемещения, контейнера с исходным материалом для кристаллизации, установленного на волокуше.

Однако изготовление многовиткового нагревателя из вольфрамовых прутков исключает возможность выращивания крупногабаритных монокристалов размерами более 200 мм шириной, так как нагревательные элементы, изготовленные из вольфрамовых витков длиной более 300 мм, при высокой температуре начинают изгибаться под собственным весом, что приводит к короткому замыканию. Кроме того, 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. Малые поверхности контакта, образованные только по линии касания молибденового сухаря и конца нагревателя, приводят к местному перегреву кристаллизационнй камеры и выходу аппарата из строя. Жесткое соединение нагревателя с охлаждаемым тоководом не позволяет компенсировать термическое расширение нагревателя, что приводит к деформации или поломке нагревателя.

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства для выращивания крупногабаритных монокристаллов размерами до 500 мм шириной, имеющего упрощенную конструкцию, повышенную устойчивость и стабильность, позволяющие исключить вероятность возникновения аварий, значительно сократить расход электроэнергии и снизить градиент 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 неподвижно установленного в ней нагревателя тоководов, системы многослойных экранов в форме прямоугольного параллелепипеда, окружающей нагреватель и образующей приемную и исходную части туннеля, волокуши, соединенной с механизмом перемещения, в отличие от известного нагреватель выполнен в виде моноблока, изготовленного из слоистого графитового монолита, полученного путем спекания графитовых волокон при температуре 2600^oС, соединительные поверхности нагревателя и тоководов выполнены соответственно вогнутыми и выпуклыми, а один из тоководов изготовлен из многослойный гибкой шины.

На фиг.1 представлена схема теплового узла предлагаемого устройства для выращивания монокристаллов.

Устройство состоит из камеры роста (на фиг.1 не указана), размещенных в ней теплового узла, состоящего из моноблочного нагревателя 1, соединенного с многослойным гибким тоководом 2 посредством вольфрамовых клиньев и жестким тоководом 3, а соединительные поверхности нагревателя и тоководов выполнены соответственно выпуклой и вогнутой, системы многослойных экранов, представляющей собой форму прямоугольного параллелепипеда, окружающую нагреватель 1, включающую 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 10, несущим лодочку 11, соединенной с механизмом перемещения 12 через электроизолятор 13, тепловой узел установлен на лаги 14, установленные на днище 15 камеры роста посредством четырех керамических электроизоляторов 16, выполненных в виде роликов, и имеет смотровую трубку 17.

На фиг.2 представлена конструкция нагревателя 1, изготовленного из слоистого графитового моноблока, состоящая из нижней пластины 18, верхней пластины 19, боковых пластин 20 и токоподводящих пластин 21, у которых соединяющие поверхности имеют вогнутую форму. С целью исключения градиентов температур в горизонтальных и вертикальных плоскостях в зоне кристаллизации нагреватель изготавливается таким образом, чтобы сопротивление верхней пластины R₂ равнялось сумме сопротивлений нижних пластин R₁ и боковых пластин R₃ R₂=R₁+R₃.

Устройство работает следующим образом. Лодочку 11 загружают исходным сырьем, размещают в контейнере 10, устанавливают на волокушу 9, создают в камере вакуум, подают напряжение на нагреватель 1 по заданной программе, расплавляют исходное сырье, контролируют расплав через смотровое окно 17, включают механизм перемещения 12 волокуши 9 по заданной программе. После прохождения всей длины лодочки 11 через зону кристаллизации выключают механизм перемещения 12 и включают программное снижение напряжения на нагреватель 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.

В предлагаемом устройстве можно выращивать крупногабаритные кристаллы размерами до 500 мм шириной и весом до 12 кг, имеющие высокие технические характеристики, и снизить энергозатраты на выращивание 1 кг монокристаллов до 180 кВт/ч, что в 4-5 раз ниже, чем во всех известных аналогичных устройствах для выращивания монокристаллов.

Формула изобретения

Устройство для выращивания тугоплавких монокристаллов, включающее камеру роста с тепловым узлом, состоящим из неподвижно установленного в ней нагревателя, тоководов, системы многослойных экранов в форме прямоугольного параллелепипеда, окружающей нагреватель и образующей приемную и исходную части тоннеля, волокуши с механизмом перемещения, отличающееся тем, что нагреватель, выполнен в виде моноблока, изготовленного из слоистого графитового монолита, полученного путем спекания графитовых волокон при температуре 2600^oС, соединительные поверхности нагревателя и тоководов выполнены, соответственно, вогнутыми и выпуклыми, а один из тоководов изготовлен из многослойной гибкой шины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2