УЗЕЛ КРЕПЛЕНИЯ НАГРЕТОГО ТЕЛА НА ШТОКЕ В ГЕРМЕТИЧНОЙ КАМЕРЕ
ASSEMBLY TO ATTACH HEATED BODY ON CON ROD IN TIGHT CHAMBER

Изобретение относится к области выращивания высококачественныех чистых монокристаллических материалов, прежде всего - полупроводниковых, в частности, может быть использовано при получении бездислокационных монокристаллов кремния разного диаметра и длины методом бестигельной зонной плавки.
Как правило, процесс получения полупроводниковых материалов проводится в вакууме или контролируемой атмосфере, что обеспечивает высокую чистоту выращиваемого кристалла. Для крепления затравки (нагретого тела) и обеспечения ее поступательного и вращательного движения внутри герметичной камеры используются подвижные штоки (ввод движения в герметичную камеру). В процессе выращивания кристаллов держатели затравки нагреваются и передают тепло на штоки, которые вводятся в технологическую камеру через специальные уплотнения, обеспечивающие герметичность камеры. Из-за контакта с нагретыми штоками эти уплотнения достаточно сильно нагреваются, что приводит к снижению надежности их работы и довольно быстрому выходу из строя. В результате снижается срок бесперебойной работы установок. Поэтому актуальным остается задача снятия тепловых нагрузок с ввода движения в герметичную камеру.
Известен способ снятия тепловых нагрузок на штоки, заключающийся в охлаждении самого штока водой [1]. В этом устройстве держатель кристалла (нагретого тела) закреплен на опорном кольце, которое в свою очередь закреплено на водоохлаждаемом штоке. Вертикальное перемещение штока обеспечивается при помощи гидропривода. Шток введен в герметичную камеру через вакуумное уплотнение.
Недостатками такого решения является то, что конструкция штоков получается достаточно сложной, требующей создания системы водоснабжения (напор, слив, воронка, датчики расхода и т.п.). Наличие в конструкции штоков и в системе водоснабжения большого количества дополнительных конструктивных элементов повышает вероятность выхода из строя отдельных узлов деталей за счет изнашивания при длительной (круглосуточной) работе, что может привести к выходу из строя установки - срыву дорогостоящего процесса. Кроме того, при эксплуатации установки необходимо проводить более частые профилактические работы, что снижает в целом производительность установок.
Наиболее близким к заявляемому является известное устройство-прототип [2], в котором узел крепления нагретого тела на штоке в герметичной камере содержит держатель нагретого тела и расположенный между держателем нагретого тела и штоком теплопередающий стержень, на верхнем торце которого закреплен держатель нагретого тела. В этом устройстве тепло от нагретого затравкодержателя через длинный теплопередающий стержень передается на шток за сравнительно долгое время. Тепловое сопротивление, создаваемое теплопередающим стержнем пропорционально длине стержня и обратно пропорционально его сечению.
Недостатками этого устройства является то, что достаточно большого теплового сопротивления между нагретым телом и штоком можно достичь только при большой длине теплопередающего стержня, в результате чего увеличивается высота герметичной камеры и, следовательно, всей установки, что в свою очередь ведет к уменьшению жесткости конструкции и ухудшению условий выращивания кристалла (возможны вибрации расплава). Отсутствие большого теплового сопротивления, естественно, приводит к увеличению тепловой нагрузки на шток, выходу из строя уплотнений и нарушению бесперебойной работы установки. Кроме того, небольшой диаметр стержня приводит к возникновению определенных трудностей по центровке (статической балансировке) затравкодержателя: тонкий стержень легко искривляется в процессе центровки, что влияет на качество работы установки.
Задача, решаемая предлагаемым изобретением, - увеличение срока бесперебойной работы установки с герметичной технологической камерой за счет повышения надежности работы уплотнений ввода движений штоков при минимальных размерах технологической камеры.
Технический эффект, обеспечивающий решение задачи, заключается в максимальном снижении тепловых нагрузок на шток путем уменьшения отвода тепла в аксиальном направлении, за счет увеличения теплового сопротивления между нагретым телом и штоком и излучения части тепла в окружающее пространство с поверхностей теплопередающих элементов.
Указанный технический эффект достигается за счет того, что узел крепления - нагретого тела на штоке в герметичной камере включает держатель нагретого тела и расположенный между держателем нагретого тела и штоком теплопередающий стержень, на верхнем торце которого закреплен держатель нагретого тела, и дополнительно содержит наружную теплопроводящую трубу, внутри которой с зазором коаксиально расположен стержень с держателем нагретого тела, причем верхний торец наружной трубы расположен ниже держателя нагретого тела, а нижний торец соединен со штоком; кроме того, внутри наружной теплопроводящей трубы закреплена заглушка, на которой сверху закреплен нижний торец стержня.
Узел также может содержать дополнительную внутреннюю теплопроводящую трубу, вставленную коаксиально с зазором в наружную теплопроводящую трубу, причем внутренняя теплопроводящая труба короче внешней, трубы соединены между собой по верхним торцам, образуя в плоскости осевого сечения меандр, а заглушка закреплена на нижнем торце внутренней трубы.
Узел также может содержать дополнительно несколько дополнительных внутренних теплопроводящих труб, вставленных с зазором коаксиально одна в другую, соединенных между собой попарно, образуя в плоскости осевого сечения меандр, при этом дополнительные внутренние трубы короче наружной, а заглушка закреплена на нижнем торце ближайшей к стержню внутренней трубе.
Предлагаемая конструкция (совокупность признаков) является новой, так как в настоящее время не известны аналогичные устройства, характеризуемые приведенной совокупностью признаков. Отличиями заявляемого решения являются новая форма выполнения конструктивных элементов и взаимосвязи между ними.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что отличия предлагаемой конструкции - новая форма выполнения теплопередающего элемента для закрепления держателя на штоке, наличие дополнительных конструктивных элементов и связей, обеспечивают новое качество, а именно, увеличивается тепловое сопротивление между нагретым телом и штоком и, как следствие, снижается температура штока в большей степени, чем в известных устройствах, при минимальных размерах технологической камеры. Как следствие, повышается срок бесперебойной работы установок, улучшаются условия выращивания кристаллов и повышается их качество.
Эффект достигается за счет значительного увеличения пути, по которому передается тепловой поток, и развития поверхности излучения теплопередающих элементов, в отличие от прототипа, в котором тепловой поток рассеивается только на сравнительно небольшой поверхности теплопередающего стержня.
Эффект усиливается увеличением теплового сопротивления за счет дополнительного увеличения пути теплового потока, обеспечиваемого теплопроводностью новых переходных элементов (труб), которые чередуются, образуя в сечении меандр. Последовательное введение новых (дополнительных) переходных элементов (труб) естественно связано с развитием поверхности излучения этих теплопередающих элементов и последовательно увеличивает достижение эффекта предлагаемого изобретения. В предлагаемом устройстве тепловой поток от нагретого тела через его держатель и теплопередающий стержень передается на шток за сравнительно длительное время, вследствие длительного пути его прохождения от тела до штока, за счет наличия на этом пути наружной теплопроводящей трубы, расположенной с зазором коаксиально со стержнем между держателем нагретого тела и штоком. За время прохождения теплового потока по этому пути часть тепла за счет излучения с поверхности теплопередающих элементов уйдет в окружающее пространство, а остальная - меньшая часть, поступит на шток. В результате, по сравнению с прототипом, температура штока будет ниже, а разогрев его будет происходить значительно медленнее.
Предлагаемое изобретение позволяет значительно увеличить время нагрева штока и снизить его температуру значительно, по сравнению с прототипом, сократить размеры технологической камеры, а также длину теплопередающего стержня, если использовать дополнительно внутреннюю теплопроводящую трубу, вставленную коаксиально с зазором в наружную теплопроводящую трубу, причем внутренняя теплопроводящая труба короче внешней, трубы соединены между собой по верхним торцам, образуя в плоскости осевого сечения меандр, а заглушка закреплена на нижнем торце внутренней трубы. Время разогрева штока и теплоотвода, за счет излучения в окружающее пространство увеличивается, если, развивая путь теплоотвода, теплопроводящие переходные элементы будут дополнительно содержать несколько внутренних теплопроводящих труб, вставленных с зазором коаксиально одна в другую, соединенных между собой попарно, образующих в плоскости осевого сечения меандр, при этом внутренние трубы короче наружной, а заглушка закреплена на нижнем торце ближайшей к стержню внутренней трубе.
В этом случае тепловой поток будет двигаться от нагретого тела через его держатель по тонкому теплопередающему стержню на заглушку, а от нее по тонкостенной(ым) внутренней(им) трубе(ам) через соединения по верхним и нижним торцам, на наружную трубу, а затем на шток. Происходит временная задержка отвода тепла в аксиальном направлении и сокращается его количество, за счет излучения в окружающее пространство с поверхности теплопередающих элементов. Предлагаемая конструкция тепловой развязки включает в себя элементы с более эффективной системой отвода тепла от основного объекта - штока, снижая его температуру в несколько раз.
Таким образом, указанный технический эффект достигается новой, неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, фиг.2, фиг.3.
На фиг.1 показан в разрезе предлагаемый узел крепления нагретого тела на штоке в герметичной камере с наружной теплопроводящей трубой
На фиг.2 показан в разрезе предлагаемый узел крепления нагретого тела на штоке в герметичной камере с дополнительной внутренней теплопроводящей трубой
На фиг.3 показан схематично в разрезе предлагаемый узел крепления нагретого тела на штоке в герметичной камере с несколькими дополнительными внутренними теплопроводящими трубами, которые образуют в плоскости осевого сечения меандр.
На фигурах:
1 - держатель нагретого тела,
2 - наружная теплопроводящая труба,
3 - теплопередающий стержень,
4 - шток,
5 - верхний торец наружной трубы,
6 - нижний торец наружной трубы,
7 - верхний торец теплопередающего стержня,
8 - нижний торец теплопередающего стержня,
9 - заглушка,
10 - дополнительная(ые) внутренняя(ие) теплопроводящая(ие) труба(ы),
11 - верхний(ие) торец(ы) дополнительной(ых) внутренней(их) теплопроводящей(их) трубы(труб),
12 - нижний(ие) торец(ы) дополнительной(ых) внутренней(их) теплопроводящей(их) трубы(труб),
13 - кольцо.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, где показан в разрезе предлагаемый узел крепления нагретого тела на штоке в герметичной камере с наружной теплопроводящей трубой, состоящий из держателя 1 нагретого тела, наружной теплопроводящей трубы 2, расположенной коаксиально с зазором с теплопередающим стержнем 3 между держателем нагретого тела 1 и штоком 4; на верхнем торце 7 теплопередающего стержня 3 закреплен держатель 1 нагретого тела; верхний торец 5 наружной трубы 2 расположен ниже держателя нагретого тела 1, а нижний торец 6 наружной трубы 2 соединен со штоком 4, кроме того, в нижней части наружной теплопроводящей трубы 2 закреплена заглушка 9, на которой сверху, в полости наружной трубы 2, закреплен нижний торец 8 теплопередающего стержня 3.
На фиг.2 показан в разрезе предлагаемый узел крепления нагретого тела на штоке в герметичной камере, который содержит: держатель 1 нагретого тела и расположенный между держателем 1 нагретого тела и штоком 4 теплопередающий стержень 3, на верхнем торце 7 которого закреплен держатель 1 нагретого тела, наружную теплопроводящую трубу 2, расположенную коаксиально с зазором с теплопередающим стержнем 3 между держателем нагретого тела 1 и штоком 4; дополнительную внутреннюю теплопроводящую трубу 10, вставленную коаксиально с зазором в наружную теплопроводящую трубу 2, причем внутренняя дополнительная теплопроводящая труба 10 короче наружной теплопроводящей трубы 2, трубы соединены между собой по своим верхним торцам 5 и 11 кольцом 13, образуя в плоскости осевого сечения трубы меандр, а заглушка 9 закреплена на нижнем торце 12 внутренней трубы 10. На заглушке 9, сверху, в полости внутренней трубы 10 осесимметрично закреплен нижний торец 8 теплопередающего стержня 3. На фиг.3 показан схематично в разрезе предлагаемый узел крепления нагретого тела на штоке в герметичной камере, который содержит: держатель 1 нагретого тела и наружную теплопроводящую трубу 2, причем верхний торец 5 наружной трубы 2 расположен ниже держателя 1 нагретого тела, а нижний торец 6 соединен со штоком 4 внутри которой расположен по оси, между держателем 1 нагретого тела и штоком 4, теплопередающий стержень 3, на верхнем торце 5 которого закреплен держатель 1 нагретого тела; вокруг стержня 3 расположены несколько внутренних теплопроводящих труб 10, вставленных осесимметрично с зазором коаксиально одна в другую и в наружную теплопроводящую трубу 2, соединенных жестко между собой попарно, образуя в плоскости осевого сечения меандр; при этом внутренние трубы 10 короче наружной 2, а заглушка 9 закреплена на нижнем торце ближайшей к теплопередающему стержню 3 внутренней трубы 10. Теплопередающий стержень 3 с держателем 1, завинчивается в заглушку 9, которая жестко связана с ближайшей к теплопередающему стержню 3 внутренней трубой 10. Последняя в свою очередь жестко связана посредством, например, кольца 13 с наружной трубой 2.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. В процессе плавки держатель нагревается и тепловой поток движется за счет теплопроводности по тонкому стержню на заглушку. Затем поток через систему теплопроводящих внутренних тонких труб, которые объединены попарно по верхнему и нижнему торцам, попадает на наружную теплопроводящую трубу, которая закреплена на штоке. По мере перемещения теплового потока по системе от нагретого тела до штока, величина его будет уменьшаться, за счет излучения тепла в окружающее пространство с поверхности теплопередающих элементов (труб). В результате до штока непосредственно дойдет лишь небольшая его величина. Таким образом, тепловая нагрузка на шток максимально снижается. Практически его температура не будет отличаться от комнатной, что дает возможность надежно и бесперебойно работать герметичным уплотнениям ввода движений штоков в герметичную камеру.
Примером конкретного выполнения может служить узел крепления нагретого тела на штоке в технологической камере современной промышленной установки «Кристалл 115» для выращивания монокристаллического кремния методом бестигельной зонной плавки, разработанную ВНИИТВЧ им. В.П.Вологдина. На установке выращиваются высококачественные монокристаллы кремния диаметром 20 мм, длиной 200 мм. При этом температура штоков не превышает 60°С.
Таким образом, изобретение за счет создания оригинальной конструкции узла крепления держателя затравки позволяет обеспечить бесперебойную работу установки в течение всего технологического цикла.
Источники информации
1. Патент DE 159649, C30B 13/00, заявл. 15.06.81.
2. Н.Парр. Зонная очистка и ее техника. М., Металлургиздат, 1963, стр. 155 - прототип.