УЗЕЛ КРЕПЛЕНИЯ НАГРЕТОГО ТЕЛА НА ШТОКЕ В ГЕРМЕТИЧНОЙ КАМЕРЕ
UNIT FOR FASTENING HEATED ELEMENT ON ROD IN PRESSURE TIGHT CHAMBER

Изобретение относится к области цветной металлургии, занимающейся выращиванием чистых монокристаллических материалов, прежде всего полупроводниковых. Изобретение, в частности, может быть использовано в установках для получения бездислокационных монокристаллов кремния разного диаметра и длины методами бестигельной зонной плавки (БЗП), Чохральского и другими.
Как правило, процесс получения полупроводниковых материалов проводится в вакууме или контролируемой атмосфере, что обеспечивает высокую чистоту выращиваемого кристалла. Для крепления держателя с затравкой (нагретого тела) и обеспечения его поступательного и вращательного движения внутри герметичной технологической камеры используются подвижные штоки. В процессе выращивания кристаллов держатель затравки (затравкодержатель) нагревается и передает тепло на шток, который вводится в технологическую камеру через специальное уплотнение, обеспечивающее герметичность камеры (герметичный ввод движения в технологическую камеру). Из-за контакта с нагретым штоком это уплотнение достаточно сильно нагревается, что приводит к снижению надежности его работы и довольно быстрому выходу из строя. В результате снижается срок бесперебойной работы установки. Поэтому актуальной остается задача снятия тепловых нагрузок с уплотнения 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.
Недостатком такого решения является то, что конструкция самого штока получается достаточно сложной, связанной с дополнительной системой водоснабжения, которая должна обеспечить определенный напор воды и имеет конструкцию, включающую большое количество узлов и деталей. В такой конструкции повышается вероятность выхода из строя отдельных узлов за счет изнашивания при длительной (круглосуточной) работе и срыву работы установки, то есть срыву дорогостоящего технологического процесса. Кроме того, при эксплуатации такой установки необходимо проводить частые профилактические работы, что снижает в целом их производительность.
Наиболее близким к заявляемому является известное устройство-прототип [2], в котором узел крепления нагретого тела на штоке в герметичной камере включает держатель нагретого тела, теплопередающий элемент для закрепления держателя на штоке - втулку, осесимметрично закрепленную на штоке с помощью резьбового соединения. Теплопередающий элемент (втулка), размещенный между нагретым телом (источником тепла) и штоком, создает тепловое сопротивление, необходимое для снятия тепловых нагрузок со штока. Тепловой поток от нагретого тела перемещается на шток в аксиальном направлении непосредственно через теплопередающий элемент (втулку), причем часть его при этом излучается с поверхности в окружающее пространство. За счет этого снижается тепловая нагрузка на шток.
Недостатком этого устройства является то, что в данной конструкции теплоизлучающая поверхность втулки ограничена и невелика - она ограничена технологическими требованиями и размерами технологической камеры. Поэтому тепловая нагрузка на шток настолько велика, что шток и, соответственно, уплотнения ввода штока в камеру нагреваются настолько, что уплотнения довольно быстро изнашиваются, происходит срыв работы установки, то есть срыв дорогостоящего технологического процесса. Кроме того, при эксплуатации это приводит к необходимости проводить частые профилактические работы, что снижает в целом производительность установки.
Задача, решаемая предлагаемым изобретением, - увеличение срока бесперебойной работы установок с герметичными технологическими камерами за счет повышения надежности работы уплотнений ввода движений штоков.
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 большей части тепла в окружающее пространство с поверхности теплопередающих элементов.
Указанный технический эффект достигается тем, что известный узел крепления нагретого тела на штоке в герметичной камере, включающий держатель нагретого тела и теплопередающую втулку для осесимметричного крепления держателя на штоке, дополнительно содержит закрепленные на верхнем торце втулки, по меньшей мере, три параллельных друг другу и перпендикулярных оси втулки диска, нечетные из которых имеют расположенные по одной окружности дугообразные вырезы, а четный диск - радиальные, в форме овальных или прямоугольных секторов вырезы, образующие ламели, количество которых в два раза больше числа вырезов на нечетных дисках, при этом диски взаимно расположены так, что против каждого выреза нечетного диска расположены две ламели четного диска, кроме того, диски скреплены попарно между собой, по меньшей мере, тремя расположенными равномерно по окружности перемычками, причем перемычки между последовательными парами дисков смещены относительно друг друга в угловом направлении.
Ламели четного диска могут быть выполнены в форме конуса.
Эффект достигается изменением пути теплового потока, идущего от нагретого тела к штоку. В прототипе тепловой поток от нагретого тела передается на шток только в аксиальном направлении и при этом часть его рассеивается излучением с поверхности теплопередающего элемента (втулки), которая имеет ограниченные размеры поверхности. В отличие от прототипа в предлагаемом изобретении направление теплового потока меняется по пути распространения с аксиального на радиальный и опять на аксиальный - увеличивается длина пути прохождения теплового потока и, соответственно, увеличивается тепловое сопротивление. Увеличение пути теплового потока обеспечивается наличием дополнительных переходных элементов (дисков) и их геометрией. Тепловая энергия нагретого тела практически полностью расходуется на нагрев дополнительных переходных элементов и излучение с их поверхности прежде, чем оставшаяся ее минимальная часть снова изменит свое направление на аксиальное и попадет на шток.
Предлагаемая конструкция (совокупность признаков) является новой, так как в настоящее время не известны аналогичные устройства, характеризуемые приведенной совокупностью признаков. Отличиями заявляемого решения являются наличие новых конструктивных элементов, форма выполнения конструктивных элементов и взаимосвязи между ними.
Сущность заявляемого изобретения раскрывается на фиг.1-4 и рассмотрением работы предлагаемого устройства. На фиг.1 схематически изображен вариант предлагаемого устройства, на фиг.2, фиг.3, фиг.4 представлены разрезы переходных элементов (дисков).
На фигурах:
1 - шток,
2 - держатель нагретого тела,
3 - теплопередающая втулка для осесимметричного крепления держателя на штоке,
4 - верхний торец втулки,
5 - нечетный верхний диск,
6 - четный (средний) диск,
7 - нечетный нижний диск,
8 - дугообразные вырезы нечетных дисков (5, 7),
9 - радиальные, овальные в форме секторов вырезы в четном диске,
10 - ламели четного диска,
11, 12, 13 - перемычки между нечетным (верхним) и четным (средним) дисками,
14, 15, 16 - перемычки между нечетным (нижним) и четным (средним) дисками,
17 - внутренняя область четного (среднего) диска,
18 - перешейки между дугообразными вырезами в нечетных дисках,
19 - периферийная кольцевая область верхнего нечетного диска,
20 - периферийная кольцевая область нижнего нечетного диска.
Предлагаемый узел крепления нагретого тела в герметичной камере имеет осесимметричную конструкцию, состоящую из держателя нагретого тела 2, закрепленного на блоке из трех теплопроводящих дисков 5, 6, 7, который с помощью втулки 3 по скользящей посадке с точностью 0,01 мм закреплен на штоке 1. Блок дисков жестко соединен с верхним торцом 4 втулки 3. Блок состоит из трех дисков: верхнего нечетного диска 5, среднего четного диска 6 и нижнего нечетного диска 7. Диски между собой жестко соединены перемычками в чередующемся порядке: верхний диск 5 и средний диск 6 - перемычками 11, 12, 13, средний диск 6 и нижний диск 7 - перемычками 14, 15, 16. Верхний 5 и нижний диски 7 имеют дугообразные вырезы 8, образующие перешейки 18 между ними и периферийными кольцевыми областями 19, 20 верхнего нечетного и нижнего нечетного дисков соответственно. Средний диск 6 представляет собой цилиндр небольшой высоты (толщина диска) с радиальными вырезами 9 овальной формы, которые образуют на нем конусные ламели (радиальные лепестки) 10, направленные вершиной к центру четного среднего диска 6. Ламели 10, чередуясь, соединены последовательно с верхним диском 5 и нижним диском 7. Количество ламелей 10 на среднем диске 6 в два раза больше числа дугообразных вырезов 8 на каждом из нечетных дисков, при этом они расположены так, что под каждым дугообразным вырезом 8 нечетного диска находится две ламели четного диска 6. Суммарное количество теплопроводящих перемычек 11, 12, 13 и 14, 15, 16 с верхним и нижним дисками равно количеству ламелей среднего диска 6.
Сущность изобретения раскрывается рассмотрением работы предлагаемого изобретения и заключается в следующем. Тепловой поток от нагретого держателя нагретого тела 2 за счет теплопроводности верхнего диска 5 передается в аксиальном направлении его внутренней части. Далее тепловой поток от центральной части этого диска 5 направляется в радиальном направлении по образованным между дугообразными вырезами 8 перешейкам 18 к периферийной наружной кольцевой части 19 диска 5. При этом верхний диск 5 нагревается и часть энергии теплового потока излучается с его развитой поверхности в окружающее пространство. Оставшаяся часть теплового потока с периферийной наружной кольцевой части 19 диска 5 поступает через расположенные равномерно по окружности перемычки 11, 12, 13 на ламели 10 среднего диска 6 и возвращается по ним в обратном направлении к центру. Тепловое сопротивление этих ламелей 10 по направлению движения теплового потока резко увеличивается от периферии к центру вследствие их конусной формы (уменьшения сечения от периферии к центру). На этом пути уже уменьшенный поток теряет большую часть (80-90%) своей энергии на нагрев элементов диска 6 и излучение тепла с его поверхностей в окружающее пространство. При этом наибольшее количество тепла аккумулируется в центральной части 17 диска 6. Для усиления этого эффекта толщина среднего диска может быть выполнена больше толщин верхнего и нижнего дисков 5, 7 в 2-3 раза.
Далее тепловой поток, аккумулированный в центральной части 17 диска 6, по ламелям, соединенным перемычками 14, 15, 16 с нижним диском 7, направляется от центра к периферии диска 6. Ламели 10 диска 6, соединенные перемычками 14, 15, 16 с нижним диском 7, имеют - по пути следования теплового потока - тепловое сопротивление, резко падающее от центра к периферии (увеличение сечения от центра к периферии). По пути следования тепловой поток также рассеивается за счет излучения с поверхностей и затем через перемычки 14, 15, 16 попадает на периферийную кольцевую область 20 нижнего диска 7. Потеряв свою энергию на верхнем и среднем дисках 5, 6, оставшаяся часть теплового потока (10-20%) поступает в радиальном направлении от периферийной кольцевой области 20 через перешейки 18 между дугообразными вырезами 8 к внутренней, центральной части нечетного нижнего диска 7, окончательно расходуя энергию на нагрев его массы и излучение с поверхности. Несколько процентов энергии теплового потока все же попадает на посадочную втулку 3 и, уже в аксиальном направлении, по ней достигают штока 1. Величина этой энергии оказывается настолько малой, что после 8-10 часов непрерывной работы температура штока не повышается выше комнатной.
Таким образом, в рассматриваемом узле крепления нагретого тела на штоке в герметичной камере по изобретению достигается такое распределение тепловой энергии, передающейся от нагретого тела к штоку, что в процессе работы вся энергия сосредотачивается в блоке дисков 5, 6, 7 и рассеивается с поверхности его элементов за счет излучения в окружающее пространство, а температура штока практически остается комнатной. Надежно обеспечивается практически неограниченная возможность задержки передачи теплового потока от нагретого тела через узел крепления к штоку и через него к элементам ввода движения штока в камеру и, как следствие, достигается существенное увеличение срока бесперебойной работы технологической установки. Этот результат и технический эффект, его обеспечивающий, достигаются благодаря новой, неизвестной из уровня техники совокупностью конструктивных особенностей узла крепления по изобретению.
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, в частности, выращиваются высококачественные монокристаллы кремния диаметром 20 мм, длиной 200 мм. Конструкция узла крепления нагретого тела на штоке в герметичной камере соответствует фиг.1-4.
Таким образом, предлагаемое изобретение за счет оригинальной конструкции позволяет практически исключить в процессе работы нагрев штока, надежно обеспечив практически неограниченную возможность задержки теплового потока за счет многократного чередования дисков с определенной формой вырезов (дугообразных вырезов и вырезов в форме лепестков) и, соответственно, передачу тепловой нагрузки на уплотнения ввода движения штока в герметичную камеру. Конструкция компактна, проста в эксплуатации, дает возможность быстрой замены всего узла при выходе его из строя на новый. Конструкция позволяет строго соблюсти соосность затравкодержателя и посадочной втулки и дает возможность избежать необходимости центровки затравки. Все эти преимущества изобретения позволяют обеспечить практически круглосуточную бесперебойную работу установок с герметичными технологическими камерами.
Изобретение может использоваться в различных установках для получения, в частности, бездислокационных монокристаллов полупроводников методами бестигельной зонной плавки, Чохральского, Степанова и другими.
Источники информации
1. Патент ГДР №159649, МПК С30В 13/00, опубл. 23.03.83.
2. Н.Парр. Зонная очистка и ее техника. М.: Металлургиздат, 1963, стр.120, рис.96, прототип.