УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ ИЗ РАСПЛАВА

Устройство относится к металлургии полупроводниковых материалов, преимущественно, к выращиванию монокристаллов из расплава по методу Чохральского.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является устройство для выращивания монокристаллов по методу Чохральского RU 2231582 C2, 27.06.2004, включающее камеру выращивания монокристаллов, с расположенным в ней тиглем для получения расплава и вытягивания из расплава монокристалла на затравку. Тепловой узел представлен резистивным нагревателем, графитовой подставкой под кварцевый тигель, нижним экраном, боковым экраном, верхним экраном и экранирующим приспособлением, расположенным соосно выращиваемому монокристаллу.
1
1
Недостатком прототипа является невозможность извлечь булю (Буля - цилиндрический или грушевидный синтетический кристалл у которого нет ни граней, ни ребер, ни выступающих вершин.) из расплава за короткий отрезок времени.
При выращивании кристаллов возникают ситуации, когда после продолжительного периода выращивания (например, цикл выращивания монокристалла парателлурита вытягиванием из расплава составляет 5 суток), уже достигшая значительных размеров буля обламывается в области затравки и тонет в расплаве. Однако от момента попадания ее в расплав до ее полного расплавления проходит несколько минут, в течение которых булю можно извлечь из расплава и использовать в дальнейшем обычным образом - для вырезания из нее акустооптических элементов.
Целью заявляемой полезной модели является разработка устройства позволяющего извлечь булю из расплава за короткий промежуток времени.
Для достижения заявленной цели устройство содержит дополнительный узел, состоящий из: металлического кольца жестко закрепленного на штоке выше держателя затравки; крупноячеистой сетки из химически инертного к расплаву материала (например, платиновой для случая выращивания монокристалла парателлурита) размещенной соосно внутри цилиндрического тигля с возможностью возвратно-поступательного движения, причем сетка жестко соединена с изменяющимися по длине гибкими подвесами,проходящими через отверстия в куполообразном экране соединенным с верхней частью теплоизолирующего материала, размещенного между кварцевым экраном, расположенным у внутренней стенки камеры и цилиндрическим нагревательным элементом, так что его верхняя граница на 40-70 мм ниже верхней кромки цилиндрического нагревательного элемента, а закрепление гибких подвесов на куполообразном экране осуществляют зажимами с керамическими наконечниками, кроме того в средней части подвесов к ним жестко прикреплена шайба (например, керамическая) с отверстием большим чем диаметр верхнего штока с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль него так что шток проходит через отверстие в керамической шайбе. Размер ячейки от 15 до 30 мм определяется целесообразностью «спасения» були и изменением гидродинамики расплава, связанными с введением в толщу расплава крупноячеистой сетки.
Заявленное техническое решение иллюстрируется Фиг.1 и Фиг.2. Фиг.1. Общий вид устройства для выращивания кристаллов из расплава. 1 - камера; 2 - дверца; 3 - смотровое окно; 4 - цилиндрический нагревательный элемент; 5 - внутренний цилиндр; 6 - резистивный нагреватель; 7 - теплоизоляционный материал; 8 - куполообразный экран; 9 - тигель; 10 -подставка; 11 - нижний шток; 12 - цилиндр, 13 - нижнее цилиндрическое отверстие; 14 - сетка; 15 - гибкие подвесы; 16 - отверстия в куполообразном экране; 17 - зажимы; 18 - шайба; 19 - верхний шток; 20 - верхнее цилиндрическое отверстие; 21 - держатель затравки; 22 - затравка; 23 -металлическое кольцо; 24 - расплав; 25 - буля; 26 - термопара.
Фиг.2. Работа устройства в случае облома були.
Осуществление полезной модели.
Устройство для выращивания кристаллов из расплава включает камеру 1 для выращивания монокристаллов которая имеет дверцу 2 со смотровым окном 3; коаксиально расположенный с ней цилиндрический нагревательный элемент 4 состоящий, например, из внутреннего цилиндра 5 (например, керамического) вокруг которого намотан резистивный нагреватель 6 (например, вольфрамовый), и внешнего цилиндра (например, кварцевого), причем между цилиндрическим кварцевым экраном (не показан) расположенным у внутренней стенки камеры 1 и цилиндрическим нагревательным элементом 4 размещен теплоизоляционный материал 7 (например, кварцевая крошка), так что его верхняя граница на 40-70 мм ниже верхней кромки цилиндрического нагревательного элемента 4, при этом верхняя часть теплоизоляционного материала 7 соединена с куполообразным экраном 8 из теплоизолирующего материала; платиновый тигель 9 установленный на подставке 10 из нержавеющей стали с возможностью кругового движения расположенными внутри внутреннего цилиндра 5 соосно с ним и с выращиваемым монокристалом; нижнего штока 11 жестко соединенного с подставкой 10. и проходящего внутри цилиндра 12 через нижнее цилиндрическое отверстие 13 камеры 1 и соединенного с приводом (не изображен); крупноячеистой сетки 14 с размером ячеек от 15 до 30 мм из химически инертного к расплаву материала (например, платиновая для случая выращивания монокристалла парателлурита) помещенной внутри цилиндрического тигля 9 с небольшим зазором от его стенок с возможностью возвратно-поступательного движения, причем сетка 14 жестко соединена с изменяющимися по длине гибкими подвесами 15 проходящими через отверстия 16 в куполообразном экране 8 и закрепленными на нем зажимами 17 с керамическими наконечниками, кроме того в средней части подвесов к ним жестко прикреплена шайба 18 (например, керамическая) с отверстием большим чем диаметр верхнего штока 19 с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль него так что верхний шток 19 проходит через отверстие в шайбе 18. По центру верхней части камеры 1 выполнено цилиндрическое отверстие 20 через которое проходит верхний шток 19 с возможностью кругового вращения и на нижнем конце которого жестко закреплен держатель затравки 21 с затравкой 22. Выше держателя затравки на штоке жестко закреплено металлическое кольцо 23.
Длины гибких подвесов 15 (например, проволочных) регулируют таким образом, чтобы сетка 14 на протяжении всего процесса роста находилась ниже уровня расплава на глубине, исключающей касание с ней растущей були. Благодаря тому, что сетка 14, к которой присоединены гибкие подвесы 15, находится в горячей части расплава, а сами гибкие подвесы 15 расположены внутри теплоизолирующего экрана, температура их достаточно высока, чтобы не вызывать дополнительный рост дендритов на поверхности расплава 24.
В случае успешного завершения процесса роста при помощи ускоренного подъема штока буля 25 отрывается от расплава 24 и поднимается на высоту 12-15 мм над ним. При этом сетка 14 остается внутри расплава 24, который затем, вследствие постепенного понижения температуры, кристаллизуется. Затем производится отсоединение зажимов 17, вынимание були и подготовка установки к новому процессу роста.
В случае облома кристалла буля 25 падает на сетку 14, находящуюся в расплаве 24. В момент попадания були 25 в расплав 24 происходит резкое падение его температуры, и, как следствие, температуры термопары 26, размещенной под тиглем 9, что сопровождается звуковым сигналом. При наличии на ростовой установке системы весового контроля в качестве индикатора облома були 25 может быть использовано резкое изменение веса тигля 9 или верхнего штока 19, о чем оператор также оповещается звуковым сигналом. Оператор, визуально определив, что произошел облом були 25, производит ускоренный подъем верхнего штока 19, в результате чего металлическое кольцо 23, закрепленное на верхнем штоке 19, цепляется за шайбу 18, жестко закрепленную на гибких подвесах 15 и вытаскивает из расплава булю 25, лежащую на платиновой сетке 14.
Перед началом процесса роста положение шайбы 18 и сетки 14 при помощи зажимов 17 должны быть отрегулированы таким образом, чтобы:
1) в ходе процесса буля 25, с учетом падения уровня расплава 24 в тигле 9 и с учетом возможных размеров его подрасплавной части, не задела за сетку 14
2) при ускоренном поднятии верхнего штока 19 между шайбой 18 и куполобразным экраном 8 было достаточное расстояние, чтобы сетку 14 с лежащей на ней булей 25 можно было поднять на высоту 12-15 мм над поверхностью расплава 24 (Фиг.2).
На установке "РЕДМЕТ-8" с диаметром тигля 100 мм при выращивании монокристаллов парателлурита диаметром до 65 мм сетку закрепляют на глубине 40 мм от поверхности расплава.