Устройство для выращивания монокристаллов

Область техники
Полезная модель относится к электронной и полупроводниковой промышленности, в частности к устройствам выращивания монокристаллов из раствора-расплава на затравку.
Предшествующий уровень техники
Известно устройство для выращивания монокристаллов (патент RU №85904, опубл. 20.08.2009 г.), которое содержит цилиндрическую камеру, внутри которой установлен тигель с расположенным над ним затравкодержателем, соединенным с тягой, проходящей внутри полого вращающегося штока, передающим вращение тяге затравкодержателя, связанной с датчиком веса. Датчик веса установлен неподвижно в герметичной камере, при этом вращение от штока к тяге затравкодержателя передается при помощи гибких эластичных пружин, соединенных одним концом с тягой затравкодержателя, а другим - с вращающимся штоком, при этом передача веса растущего монокристалла от вращающегося затравкодержателя к неподвижному датчику обеспечивается подшипником, установленным в корпусе, соединенным с датчиком и передающим на датчик силовое воздействие при изменении веса монокристалла, а неподвижность датчика веса от вращающегося штока обеспечивает подшипник.
Недостатком данного устройства для выращивания монокристаллов является недостаточно высокая точность измерение веса монокристалла в процессе его роста.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является установка для выращивания монокристаллов сложных оксидных соединений из раствора-расплава на затравку (патент RU №123011, опубл. 20.12.2012), которая содержит термическую камеру омического нагрева с регулятором температуры, тигель с раствором-расплавом с размещенным над ним кристаллодержателем с затравочным кристаллом, при этом кристаллодержатель связан с механизмами вращения и перемещения, датчик веса и систему управления. Также установка снабжена датчиком для фиксирования момента касания затравочного кристалла поверхности раствора-расплава и устройством для определения положения затравочного кристалла, регулятор температуры выполнен программным, механизмы вращения и перемещения снабжены программными блоками управления. Датчик веса выполнен тензометрическим, при этом одной плоскостью соединен с неподвижной частью механизма вращения, противоположной плоскостью - с подвижной частью механизма перемещения и электрически связан с электронными весами, все программные элементы связаны с внешним компьютером в стандарте RS 232.
Недостатком данной установки для выращивания монокристаллов является неподвижность тигля с раствор-расплавом внутри термической камеры для выбора оптимального температурного распределения по высоте тигля, без его извлечения из термической камеры.
Техническая задача, решение которой обеспечено предложенной полезной моделью, направлена на улучшение качества получаемых монокристаллов, за счет более точного взвешивания исходных компонентов для обеспечения заданного состава шихты и достижения точности выбора оптимальных характеристик распределения температурного поля по высоте тигля.
Техническая задача достигается тем, что в устройстве для выращивания монокристаллов, содержащем несущий каркас, на котором установлен термический блок, тигель с размещенным над ним кристаллодержателем с затравочным кристаллом, связанный с механизмом вращения и механизмом перемещения, закрепленным на несущем каркасе, датчик веса кристаллодержателя и систему управления, согласно предложенному решению, термический блок с термостатированным кожухом, содержащим систему автоматического поддержания заданной температуры, расположены на опорной площадке несущего каркаса, под которой установлен тигель с датчиком веса исходных реактивов, связанный с закрепленным на несущем каркасе механизмом вертикального движения тигля внутри термического блока и за пределы опорной площадки.
Краткое описание чертежей
На рисунке представлен общий вид устройства для выращивания монокристаллов.
Осуществление полезной модели
Устройство представляет собой несущий каркас 1, на опорной площадке 2 которого установлен термический блок 3 омического нагрева с термостатированным кожухом 4 с системой автоматического поддержания заданной температуры. Внутри термического блока 3 расположен тигель 5. Тигель 5 связан с датчиком веса 6 исходных реактивов шихты и механизмом 7 вертикального движения тигля 5, расположенным под опорной площадкой 2 и закрепленным на несущем каркасе 1. Кристаллодержатель 8 с затравочным кристаллом соединен с датчиком веса 9 кристаллодержателя, механизмом вращения 10 и механизмом перемещения 11. Устройство содержит систему управления 12, в которую входят программный регулятор температуры, программные блоки управления механизмами вращения 10 и перемещения 11 и механизмом 7 вертикального движения тигля 5.
Работа устройства
В тигель 5 загружаются исходные реактивы, масса которых контролируется датчиком веса 6 исходных реактивов шихты, и с помощью механизма 7 вертикального движения тигля 5, устанавливают в заданное положение внутри термического блока 3. С помощью программного регулятора системы управления 12 задается необходимый температурный режим. Для качественного приготовления шихты необходимо наплавление производить порциями, чтобы предотвращать вспенивание расплава и его попадание за пределы тигля 5. Например, при приготовлении шихты для метабората бария оптимальное количество порций от пяти до девяти. После наплавления порции тигель 5, при помощи механизма 6 вертикального движения, перемещается за пределы термического блока 3 для добавления следующей порции исходных реактивов, при постоянном контроле массы шихты датчиком веса 6 исходных реактивов шихты. Данная процедура позволяет снизить временные затраты на приготовление шихты, так как нет необходимости каждый раз снижать температуру в термическом блоке 3, а достаточно вывести тигель 5 за его пределы. Также контроль веса исходных реактивов, в процессе приготовления шихты, контролируется датчиком веса 6 исходных реактивов шихты. После гомогенизации раствора-расплава подбирается оптимальное распределение температурного поля с помощью измерительной платино-платинородиевой термопары в объеме раствора-расплава в различных положениях тигля 5 относительно нагревательных элементов термического блока 3.
В термическом блоке 3, с помощью механизма перемещения 11, кристаллодержатель 8 с затравочным кристаллом подводится до касания с поверхностью раствора-расплава в тигле 5 и механизм вращения 10 осуществляет вращение кристаллодержателя 8. Начинается процесс роста кристалла. Вес растущего кристалла контролируется датчиком веса 9 кристаллодержателя 8. Системой управления 12 задаются необходимые параметры процесса роста, такие как скорость снижения температуры, скорость вращения и скорость вытягивания. Система автоматического поддержания заданной температуры термостатированного кожуха 3 обеспечивает стабильность проведения процесса при изменении внешних температурных условий.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет улучшить качество монокристаллов за счет оптимального расположения раствора-расплава в зоне заданного распределения температуры в термическом блоке и точного взвешивания исходных реактивов при приготовлении шихты раствора-расплава в процессе роста монокристаллов, при этом повышается производительность и сокращается время технологического процесса.