Устройство для выращивания монокристаллов
DEVICE FOR GROWING MONOCRYSTALS

Изобретение относится к области выращивания монокристаллов, в частности к устройствам выращивания монокристаллов методом зонной плавки со световым (радиационным) нагревом. Также изобретение может быть использовано в других областях технической оптики.
Известен способ выращивания монокристаллов и конструкция установки для его реализации, описанные в патенте US 2017/0114474 А1, МПК C30B 13/24, C30B 29/66, C30B 13/32, 27.04.2017). Установка содержит четыре эллипсоидных отражателя, в каждом из которых расположена лампа (источник света), цилиндрический световой экран, кварцевую колбу и системы удержания выращиваемого монокристалла и расходуемого поликристаллического стержня. Каждый из четырех отражателей расположен таким образом, что имеется некоторый угол между горизонтом и его оптической осью. Регулировка интенсивности фокусируемого светового потока достигается за счет перемещения цилиндрического светового экрана относительно выращиваемого монокристалла.
Недостатками конструкции является неравномерный (точечный) нагрев зоны переплава и фронта кристаллизации (в азимутальной плоскости) из-за недостаточного перекрытия зон нагрева отдельных ламп, что приводит к модуляции температуры на фронте кристаллизации, отрицательно сказывающегося на качестве получаемого монокристалла. Каждый из пяти вариантов конструкции цилиндрического светового экрана, описанных в патенте US 2017/0114474 А1, не способствует решению этой проблемы, а в отдельных исполнениях, например цилиндрический световой экран с вертикальными прорезями, только обострят отрицательный эффект неравномерного нагрева.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для выращивания монокристаллов (патент на полезную модель RU №158160, МПК C30B 13/00, опуб. 20.12.2015) с основным эллипсоидным отражателем, в котором находится лампа (источник излучения), расположенным оптической осью вертикально, и дополнительным верхним эллипсоидным отражателем, также расположенным оптической осью вертикально, расходуемый поликристаллический стержень установлен в колбе из кварцевого стекла вблизи фокуса дополнительного верхнего эллипсоидального отражателя. Недостатком конструкции является отсутствие возможности регулировки интенсивности светового потока, фокусируемого основным и дополнительным эллипсоидными отражателями без изменения их положения, положения или тока накала лампы. Это значительно осложняет процесс выращивания монокристалла, особенно в момент начала процесса, что отражается на качестве получаемых монокристаллов и эффективности работы устройства в целом.
Техническая задача изобретения заключается в обеспечении регулировки режима плавления.
Техническим результатом изобретения является повышение качества получаемого монокристалла и повышение эффективности работы устройства в целом.
Это достигается тем, что известное устройство для выращивания монокристаллов, содержащее основной и дополнительный эллипсоидные отражатели, источник излучения, помещенный в фокусе основного эллипсоидного отражателя, и расходуемый поликристаллический стержень, установленный в колбе из кварцевого стекла вблизи фокуса дополнительного верхнего эллипсоидального отражателя, снабжено подвижным световым экраном, расположенным на главной вертикальной оптической оси и выполненным в виде тела вращения, причем размер подвижного экрана находится в пределах 10-25% внешнего диаметра основного эллипсоидного отражателя.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлено устройство для выращивания монокристаллов.
Устройство для выращивания монокристаллов содержит источник излучения 1, расположенный в фокусе F1 основного эллипсоидного отражателя 2, дополнительный эллипсоидный отражатель 3 с фокусом F2 и подвижный световой экран 4, выполненный в виде тела вращения, например диска. Световая система образована основным 2 и дополнительным 3 эллипсоидными отражателями и имеет промежуточную точку фокусировки F3. Линия ОЕ, соединяющая точки фокусировки F1, F2 и F3, является основной оптической осью световой системы. Расходуемый поликристаллический стержень 5 расположен в кварцевой колбе 6, установленной у фокуса F2 дополнительного эллипсоидного отражателя 3. Кроме того, колба 6 содержит формируемый монокристалл 7 и зону переплава 8.
Устройство для выращивания монокристаллов работает следующим образом.
Поток энергии от источника излучения 1 собирается путем отражения от основного эллиптического отражателя 2 и направляется на дополнительный эллипсоидный отражатель 3, который концентрирует поток излучения в своем фокусе F2. Расходуемый поликристаллический стержень 5 размещается в кварцевой колбе 6. Чем ближе подвижный световой экран 4 располагается к промежуточной точке фокусировки F3 основного и дополнительного отражателей, соответственно 2 и 3, тем большая доля энергии не попадает в фокус дополнительного эллипсоидного отражателя 3. В начале процесса плавления подвижный световой экран 4 перемещается в положение, соответствующее наименьшей энергии, достигающей фокус F2. После формирования зоны переплава 8 и образования монокристалла 7 подвижный световой экран 4 перемещается от промежуточной точки фокусировки F3.
Перемещение подвижного светового экрана 4 вдоль основной оптической оси ОЕ обеспечивает регулировку режима плавления за счет изменения потока излучения, достигающего фокус F2 дополнительного эллипсоидного отражателя 3. При этом распределение энергии излучения, падающего на незатененную поверхность дополнительного эллипсоидного отражателя 3, не изменяется и остается однородным, чем обеспечивается равномерный нагрев зоны переплава 8, а следовательно, повышается качество получаемого монокристалла 7.
Экспериментально установлено, что для плавной регулировки светового потока диаметр подвижного светового экрана 4 должен находиться в пределах 10-25% от величины внешнего диаметра основного эллипсоидного отражателя 2. При диаметре менее 10% световой экран 4 не дает возможности к значительному подавлению энергии в начальный момент плавления, при диаметрах больших 25% световой экран 4, находясь в любом из положений, поглощает значительную часть энергии, что делает установку для выращивания монокристаллов неэффективной.
Использование изобретения позволяет повысить качество получаемого монокристалла и эффективность работы устройства в целом.