НАГРЕВАТЕЛЬ УСТАНОВКИ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ

Полезная модель относится к электротермии, а именно к резистивным нагревателям высокотемпературных электровакуумных установок для выращивания кристаллов, а более конкретно к нагревателям, применяемым в установках для выращивания монокристаллов, в частности кристаллов неорганических фторидов.
Конструкция нагревателя и геометрические соотношения его элементов оказывают большое влияние на качество кристаллов, что делает нагреватель одним из основных элементов конструкции теплового узла ростовых установок.
Анализ уровня техники позволил выявить следующие аналоги:
Известен трехфазный графитовый трубчатый нагреватель, имеющий постоянную толщину стенок и широкие продольные прорези переменной по длине конфигурации, обеспечивающие равномерное по длине нагревателя температурное поле за счет изменения ширины стенки (авторское свидетельство СССР №339020, кл. Н05В 3/40 от 28.11.1968).
Недостатком указанного нагревателя является сложность изготовления и малый срок службы. Это связано с тем, что широкие продольные прорези являются каналами теплоотвода от нагреваемого тигля и, в конечном счете, приводят к дополнительным тепловым потерям, а также создают значительные неравномерности температурного поля на поверхности нагревательного элемента и в его поперечном сечении.
Известен графитовый нагреватель трубчатой формы, имеющий переменное по длине сечение, создающие при нагревании равномерное тепловое поле и снабженный продольными прорезями (см. Гутман М.Б., Кацевич Л.С., Лейканд М.С.и др. Электрические печи сопротивления и дуговые печи. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 360 с.)
Недостатком указанного нагревателя являются сложности изготовления и короткий срок службы нагревателя за счет разрушения в местах, имеющих меньшую толщину.
Известен графитовый нагреватель, используемый в устройстве для выращивания кристаллов в печи с двухзонным электрическим нагревом (патент на изобретение RU №2038356, МПК С08В 11/00, опубликован 27.08.1995 г.). Нагреватель представляет собой цилиндрическую трубу из мелкозернистого графита. Соотношение диаметра и высотой нагревателя составляет 1:2. Параллельно оси вращения цилиндра выполнены вырезы минимальной шириной, например 2-3 мм, достаточной для исключения возможности прохождения через них тока. Нагреватель имею утолщенную выводную верхнюю часть, предназначенную для крепления нагревателя к токовводам. Нагреватель и выводная часть выполнены из одной заготовки. Переход от рабочей цилиндрической части к выводной части сделан утолщенным и плавным с тем, чтобы в месте изменения сечения не создавать местных механических напряжений, вызывающих поломку нагревателя.
Недостатками этого нагревателя являются:
- отсутствие безградиентной зоны в центральной части нагревателя, т.е. распределение температуры по длине нагревателя фактически представляет условия, близкие к зонной плавке с широкой зоной. Для получения столба расплава высотой ~80-100 мм необходимо создавать перегрев отдельных частей расплава на ~200-250°С, что крайне нежелательно, так как при этом некоторые фторидные соединения сильно испаряются, и нарушается исходный состав шахты.
- большие токи, необходимые для создания температуры Т~1500-1600°С внутри нагревателя при плавлении и кристаллизации тугоплавких фторидов.
Также известен, выбранный в качестве прототипа, нагреватель установки для выращивания кристаллов, содержащий выполненный из графита трубчатый корпус, в котором по высоте корпуса выполнены симметричные горизонтальные и пересекающие их под прямым углом вертикальные прорези (Авторское свидетельство СССР 514454, кл. Н05В 3/40 от 15.10.1974).
Недостатком нагревателя является значительная неравномерность температурного поля на поверхности нагревательного элемента и в его поперечном сечении за счет неравномерного распределения надрезов.
Технической задачей настоящей полезной модели является создание нагревателя, обеспечивающего достижение безградиентной высокотемпературной зоны в центральной части нагревателя.
Техническим результатом является создание нагревателя, обеспечивающего получение кристаллов высокого качества благодаря созданию безградиентного температурного поля по высоте нагревателя и увеличение срока эксплуатации нагревателя.
1
2
3
2
4
2
1
1
2
2
3
3
1
1
Решение поставленной технической задачи и достижение технического результата обеспечивается тем, что в нагревателе установки для выращивания кристаллов, содержащем выполненный из графита трубчатый цилиндрический корпус, в котором по высоте корпуса выполнены симметричные лежащие в различных горизонтальных плоскостях серии горизонтальных и пересекающих их под прямым углом вертикальных прорезей, корпус горизонтальными прорезями по высоте корпус разделен на три зоны: верхнюю - A, среднюю - А и нижнюю - А, причем длины названных зон относятся как /:1:/., где А равняется высоте тигля, который размещается внутри нагревателя и определяется высотой выращиваемого кристалла. Расстояния между горизонтальными сериями прорезей по вертикали в каждой из зон, а также между отдельными горизонтальными прорезями по периметру каждой из серий горизонтальных прорезей выбраны из соотношения L=1/3A, L=1/3А, L=1/3А. Соотношение между диаметром нагревателя и его высотой находится в диапазоне от 1:2 до 1:3. Верхняя часть корпуса снабжена графитовым кольцевым переходником, служащим для его крепления к токовводам. Переходник может крепиться к корпусу нагревателя посредством графитовых болтов
Существо полезной модели поясняется на представленных фигурах.
Фиг.1. Схематическое изображение конструкции нагревателя в продольном разрезе.
Фиг.2. График распределения температуры по высоте нагревателя.
В корпусе нагревателя (фиг.1) выполнены серии вертикальных прорезей 1 и перпендикулярных им горизонтальных прорезей 2. Верхняя часть нагревателя снабжена графитовым переходником 3, который соединяют с корпусом посредством графитовых болтов, входящих в резьбовые отверстия 4.
Графитовые переходники применяются для стыковки его корпуса с токовводами, что позволяет экономить материал при эксплуатации нагревателя. Хороший контакт сопрягаемых элементов достигается путем притирания деталей на матовом стекле.
1
2
3
2
1
2
3
2
4
1
1
Внутри нагревателя размещают тигель 5 (фиг.2, показан условно), заполненный расплавом 6. По высоте корпус нагревателя разделен на три зоны: верхнюю - A, среднюю - А и нижнюю - А. Высота средней зоны А определяется высотой используемого тигля (длиной кристалла). Соотношение высот зон между собой составляют A:А:А=/:1:/.
2
1
3
1
1
2
2
3
3
1
1
2
2
3
3
Средняя часть нагревателя, имеющая высоту А, является безградиентной высокотемпературной зоной. Помимо этой зоны нагреватель имеет две дополнительные «подпорные» зоны: верхнюю с высотой А и нижнюю с высотой А. Эти зоны характеризуются увеличенным тепловыделением, что позволяет спрямить температурную кривую и получить достаточно широкий высокотемпературный средний участок. Верхняя и нижняя зоны создаются при помощи более частого нанесения симметрично по диаметру серии горизонтальных прорезей, выполняющих функции «подпорных зон». На графике (фиг.2) криволинейные участки температурной кривой соответствуют названным «подпорным» зонам. Расстояния между горизонтальными прорезями по периметру трубы в каждой из серии прорезей, принадлежащих одной зоне, составляют: L=1/3A, L=1/3A, L=1/3А. По высоте каждая из серий горизонтальных прорезей, выполненных в одной зоне, располагаются по отношению друг к другу: в верхней зоне L=1/3A, в средней зоне L=1/3A, и в нижней зоне L=1/3А.
Приведенная комбинация размеров прорезей обеспечивает достижение удельных величин тепловыделения в верхней, средней и нижней зонах в соотношении 2:1:5.
Пример расчета нагревателя.
1
2
3
∑
1
3
∑
Необходимо определить геометрические размеры нагревателя, в который помещают тигель, предназначенный для выращивания кристалла высотой 120 мм. В этом случае A=60 мм, А=120 мм (высота тигля), А=30 мм, соответственно общая высота нагревателя L=210 мм. Для тигля длиной 150 мм: A=75 мм, А2=150 мм, А=50 мм, и общая длина нагревателя L=275 мм.
Практическая применимость нагревателя подтверждена экспериментально. Получены кристаллы высокого качества, а срок службы нагревателя при температурах 1500-1600°С в условиях применения фторуглеродной ростовой атмосферы превысил 250 часов.