УСТРОЙСТВО ТЕПЛОВОГО УЗЛА УСТАНОВКИ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ИЗ РАСПЛАВА

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области выращивания монокристаллов из расплавов, в частности, к устройствам теплового узла установки выращивания монокристаллов из расплава, и может быть использована в технологии выращивания монокристаллов сапфира или для выращивания кристаллов иных тугоплавких материалов.
Уровень техники
Известно устройство для выращивания монокристаллов сапфира, содержащее установленные в вакуумной камере экраны, нагреватель, затравкодержатель с закрепленным в нем затравочным кристаллом, тигель с крышкой и формообразователем, системы регулирования скорости подъема затравочного кристалла и мощности нагревателя, при этом на крышке камеры укреплен бункер, выполненный в виде цилиндра с конусообразной верхней и нижней частями, объем цилиндра равен объему тигля, нижняя часть содержит запорный клапан в виде усеченного конуса, на верхней части бункера установлен сильфон, который соединен с запорным клапаном с помощью штока, снабженного механизмом ручного или автоматического перемещения, нижняя часть бункера герметично вставлена в трубку для подачи исходного порошкообразного материала, опущенную в тигель через отверстие в крышке тигля, при этом нижний конец трубки расположен ниже кромки тигля на глубине, соответствующей 0,20-0,25 высоты тигля, а расстояние между осями трубки и тигля составляет 0,20-0,30 диаметра тигля (см. пат RU 2232832, Кл. С30В 15/02, С30В 17/00, опубл. 20.07.2004 г.)
Недостатком данного устройства являются высокие энергозатраты, низкая производительность.
Известно устройство для выращивания монокристаллов, включающее двухсекционную камеру, затравкодержатель, закрепленный на штоке, тигель, тепловой узел с нагревателем, собранным из изогнутых по форме тигля U-образных ламелей, центрирующее кольцо, на котором закреплены замкнутые части ламелей, водоохлаждаемые кольцевые тоководы, при этом тепловой узел выполнен в виде двух одинаковых по форме, массе и габаритам нагревателей, являющихся зеркальным отображением друг друга, при этом замкнутые части U-образных ламелей закреплены на центрирующем кольце развернутыми на 90°, а шток с затравкодержателем расположены внутри верхнего нагревателя, свободные концы ламелей через токопроводящие переходники соединены с тоководами с чередованием знаков токовой нагрузки «плюс плюс минус минус», тигель установлен на изолированных опорах, расположенных между ламелями нагревателя, имеющими одинаковый знак токовой нагрузки, а токопроводящие переходники выполнены из тугоплавкого материала с сопротивлением, меньшим сопротивления ламелей, при этом концы переходников, соединенных с ламелями, расположены на одном расстоянии от оси нагревателя.
В устройстве ламели выполнены из редких тугоплавких металлов и их сплавов.
В устройстве ламели выполнены из вольфрама и молибдена.
В устройстве ламели выполнены из кантала.
В устройстве ламели выполнены из графита, силита.
В устройстве тоководы расположены внутри секции камеры, при этом тоководы верхнего нагревателя и тоководы нижнего нагревателя
расположены на одинаковом расстоянии от плоскости разъема верхней и нижней секции камеры (см. пат. RU 2261296, С30В 15/00, С30В 15/14).
Недостатком данного изобретения является низкое качество выращенных объемных монокристаллов и сложность конструкции теплового узла.
Наиболее близким по технической сущности и заявляемому техническому эффекту и принятое авторами за прототип является устройство теплового узла установки выращивания монокристаллов из расплава, содержащее водоохлаждаемую камеру, в которой размещен нагреватель, состоящий из изогнутых U-образных вольфрамовых ламелей, закрепленных на медных полукольцах, причем в средней и нижней частях нагревателя ламели фиксируются вольфрамовыми полукольцами, за нагревателем размещены внутренний экран и пакет внешних тепловых экранов, а внутри нагревателя установлен тигель для тепловой экранировки которого используют пакет верхних тепловых экранов, экран-пробку и пакет нижних тепловых экранов, причем все тепловые экраны выполнены из тугоплавких металлов (см. «Энциклопедия сапфира» Е.П.Добровинская, Л.А.Литвинов, В.В.Пищик. - Харьков: Институт монокристаллов, 2004. - 230-231.)
Недостатком данного устройства является высокая материалоемкость и низкий срок службы теплового узла.
Раскрытие полезной модели
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемой полезной модели, сводится к возможности выращивания крупногабаритных монокристаллов сапфира в условиях регулируемого теплообмена в ростовой камере установки выращивания кристаллов для обеспечения контролируемой геометрии кристалла, низких
значений плотности структурных дефектов и термических напряжений в кристалле, снижения интенсивности массообмена расплава и конструкций теплового узла, увеличение срока службы теплового узла и снижение затрат на его изготовление, обеспечение экономии потребляемых энергоресурсов.
Технический результат достигается с помощью устройства теплового узла установки выращивания монокристаллов из расплава, содержащего водоохлаждаемую камеру, в которой размещен нагреватель, состоящий из изогнутых U-образных вольфрамовых ламелей, закрепленных на медных полукольцах, причем в средней и нижней частях нагревателя ламели фиксируются вольфрамовыми полукольцами, за нагревателем размещены внутренний экран и пакет внешних тепловых экранов, а внутри нагревателя установлен тигель для тепловой экранировки которого используют пакет верхних тепловых экранов, экран-пробку и пакет нижних тепловых экранов, причем все тепловые экраны выполнены из тугоплавких металлов, при этом камера разделена, по крайней мере, на пять полостей, при этом три полости расположены в обечайке камеры, а две полости - в днище камеры, с возможностью коммутации полостей для регулирования температуры внутренних стенок камеры, причем внутренний, внешний и нижний тепловые экраны выполнены из высокотемпературных керамических материалов, а верхний экран и экран-пробка выполнены из керамических сегментов, помещенных в молибденовый контейнер, при этом пространство между нижним экраном и дном камеры заполнено смесью гранул размером 1-5 мм, состоящих из тугоплавкого металла и материала с низким коэффициентом теплопроводности.
В устройстве пакет тепловых экранов выполнен из 5-15 листов молибдена толщиной 0,3-2,0 мм.
Краткое описание чертежей
На фиг. дано устройство теплового узла установки выращивания монокристаллов из расплава, общий вид.
Осуществление полезной модели
Тепловой узел установки выращивания монокристаллов из расплава размещен в водоохлаждаемой камере 1, имеющей пять полостей для подачи охлаждающей воды, три полости 2, 3, 4 в обечайке и две полости 5, 6 в днище камеры 7, облегчающих настройку осевого и радиального градиентов температуры внутри теплового узла, при этом нагреватель 8 теплового узла собран из изогнутых U-образных вольфрамовых ламелей (на фиг. не обозначены), закрепленных на медных полукольцах 9, в средней и нижней частях нагревателя 8 ламели фиксируются вольфрамовыми полукольцами 10, внутри нагревателя 8 установлен тигель 11, а за нагревателем 8 размещен внутренний теплоизолирующий экран 12, выполненный из термостойкого материала с низкой теплопроводностью и внешний керамический экран 13. Применяемые теплоизолирующие материалы характеризуются низкими величинами газовыделения в течение срока эксплуатации. Элементы теплового узла размещены и жестко закреплены в контейнере 14 из нержавеющей стали. Верхний экран 15 и экран-пробка 16 выполнены из керамических сегментов 17, помещенных в молибденовый контейнер 18. Нижний экран 19 изготовлен из высокотемпературной керамики. Стойка 20 и пятак 21 изготовлены из молибдена. Пространство между нижним керамическим экраном 19 и дном камеры 1 заполнено смесью гранул 22 размером 1-5 мм из тугоплавкого металла и высокотемпературного материала с низкой теплопроводностью. Тепловой узел предназначен для
выращивания крупногабаритных кристаллов сапфира диаметром 200-300 мм.
Устройство теплового узла установки выращивания монокристаллов из расплава работает следующим образом.
-3
В полости 2-6 камеры 1 подают охлаждающую воду: для снижения температуры стенки камеры 1-е вводного коллектора (на фиг. не показан), для повышения температуры - с выхода предыдущей полости. С помощью вакуумного агрегата (на фиг. не показан) установки выращивания кристаллов внутри камеры 1 создают остаточное давление не более 1 10Па, на нагреватель 8 подают электрическую мощность, обеспечивающую разогрев тигля 11 с шихтой до температуры 2100°С. Внутренний керамический экран 12 обеспечивает переотражение части мощности излучения нагревателя на тигель 11 и препятствует потерям тепла за счет теплопроводности. Внешний тепловой экран 13 обеспечивает тепловой режим внутреннего экрана 12 и препятствующий выгоранию контейнера 14, прошедшая сквозь экраны тепловая энергия рассеивается охлаждающей водой в полостях 2, 3, 4, 5, 6 камеры 1. Аналогичным образом работает верхний экран 15, экран-пробка 16, нижний экран 19 и гранулы 22. Теплоотвод через стойку 20 в центральную зону днища камеры 7 и через отверстие в верхнем экране 15 и экране-пробки 16 обеспечивает градиент температуры в системе кристалл-расплав. Тонкую регулировку теплоотвода осуществляют за счет коммутации полостей 2, 3, 4, 5, 6 камеры 1 и изменению пропорции компонентов гранул 22 между нижним экраном 19 днищем камеры 7.
Предлагаемая полезная модель по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:
- применение композиционных высокотемпературных материалов с заданными теплотехническими характеристиками позволяет снизить затраты на изготовление теплового узла вследствие исключения дорогостоящих конструкционных элементов, выполняемых из тугоплавких металлов (вольфрам, молибден),
- конструктивно обеспечивает оптимальные тепловые условия для кристаллизационного процесса,
- унифицирует режимы работы ростового оборудования,
- повышает срок эксплуатации теплового узла более чем в 3 раза,
- снижает взаимодействие расплава с элементами конструкции теплового узла обеспечивая тем самым большую химическую чистоту кристаллического материала.