РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАВИЛЬНОГО ТИГЛЯ В ПЕЧИ
CONTROLLING TEMPERATURE OF CRUCIBLE INSIDE FURNACE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе печи для выращивания кристаллов и к соответствующему способу. В частности, изобретение относится к системе печи, обеспечивающей регулирование температуры тигля внутри печи.
Предпосылки создания изобретения
В обычных печах, используемых для выращивания кристаллов, тигель помещают в камере печи. Для формирования кристаллического компонента внутрь тигля помещают затравочный кристалл. Затравочный кристалл обычно изготавливают из материала, из которого должен быть сформирован кристаллический компонент. Печь нагревают до температуры, при которой материал кристалла внутри тигля переходит в расплавленное (жидкое) состояние.
Кристаллический компонент формируют путем выращивания кристалла, начиная с затравочного кристалла в нижней части тигля. Чтобы добиться роста кристалла со дна тигля, необходимо очень точно регулировать температуру нижней части тигля, так чтобы не допустить расплавления затравочного кристалла, и чтобы уже сформировавшийся твердый кристаллический компонент не стал снова жидким в результате изменений температуры. Поэтому нижняя часть тигля должна быть холоднее его верхней части, предпочтительно со стабилизирующим градиентом температуры, который минимизирует конвекцию. Материал в тигле может затвердевать снизу вверх благодаря вертикальному градиенту температуры.
В известных системах печей часто используется охлажденный стержень тигля и/или подвижные тепловые экраны, обеспечивающие охлаждение нижней части тигля и кристаллического компонента, который уже сформировался. С помощью охлажденного стержня или тепловых экранов может осуществляться регулируемое отверждение жидкого материала кристалла в тигле снизу вверх в результате обеспечения необходимого градиента температуры. В других способах осуществляется отвод тепла от нижней части печи.
Сущность и цели изобретения
Одной из целей настоящего изобретения является обеспечение печи, в которой улучшено регулируемое отверждение жидкого материала для выращивания кристаллов.
Для достижения вышеуказанной цели в изобретении предложена система печи и способ выращивания кристаллов, которые охарактеризованы в независимых пунктах формулы изобретения.
В изобретении предложена система печи для выращивания кристаллов. Система печи содержит тигель для выращивания кристалла и печь, имеющую корпус с внутренней полостью, формирующей зону нагрева. Тигель установлен во внутренней полости, причем в кожухе выполнен сквозной проход, соединяющий внутреннюю полость с внешней средой, то есть с промежуточной полостью, окружающей корпус печи. В сквозной проход может быть введена с возможностью перемещения теплоизоляционная заглушка для регулирования отвода тепла посредством излучения из тигля и, соответственно, из внутренней полости. Теплоизоляционная заглушка не находится в передающем силу контакте с тиглем.
В изобретении также предложен способ выращивания кристаллов. В соответствии с предложенным способом обеспечивается тигель. Тигель устанавливают во внутренней полости корпуса печи, причем в корпусе выполнен сквозной проход, соединяющий внутреннюю полость с внешней средой, то есть с промежуточной полостью, окружающей корпус. В сквозной проход может быть введена с возможностью перемещения теплоизоляционная заглушка для регулирования отвода тепла посредством излучения из тигля и, соответственно, из внутренней полости печи. Теплоизоляционная заглушка не находится в передающем силу контакте с тиглем.
Печь имеет корпус, формирующий внутреннюю полость. Печь содержит нагревательные элементы, в частности радиационные нагревательные элементы, которые нагревают внутреннюю полость, пока не будет достигнута требуемая температура. Во внутренней полости может быть обеспечена температура в диапазоне от 100°С до 1000°С, предпочтительно до примерно 2100°С или более. Корпус печи изготовлен из теплоизоляционного материала, так что внутренняя полость изолирована термически от внешней среды, то есть от промежуточной полости, окружающей корпус. Печь может также содержать внешний кожух, охватывающий корпус печи. Промежуточная полость формируется между внешним кожухом и корпусом печи, так что вспомогательное оборудование печи, такое как теплообменник, может быть установлено в этой промежуточной полости. В процессе работы печи во внутренней полости и в промежуточной полости может создаваться разрежение. В других вариантах в процессе работы печи во внутренней полости и в промежуточной полости может создаваться атмосфера инертного газа.
Тигель имеет внутреннюю полость для выращивания кристалла. Внутрь тигля может быть помещен затравочный элемент. Затравочный элемент изготавливают из требуемого материала кристалла, такого как, например, сапфир. Исходный материал, такой как требуемый материал кристалла, например, высокочистый оксид алюминия, помещают во внутреннюю полость тигля для выращивания кристалла. При повышении температуры внутри тигля, исходный материал переходит в расплавленное состояние. Печь приспособлена для нагрева тигля таким образом, чтобы можно было регулировать градиент температуры от нижней поверхности тигля к его верхней части. Иначе говоря, температура нижней поверхности тигля может поддерживаться на уровне, который будет ниже, чем температура зоны тигля, расположенной на некотором расстоянии от нижней поверхности.
Регулируемый градиент температуры от нижней части корпуса печи, и в частности от нижней поверхности тигля, к его верхней части, регулируют с помощью сквозного прохода, сформированного в корпусе, например в нижней части корпуса, в результате чего обеспечивается термическая связь посредством излучения между внутренней полостью и промежуточной полостью печи.
Для регулирования отвода тепла через сквозной проход корпуса печи в этот проход вводят с возможностью перемещения теплоизоляционную заглушку. Соответственно, если температура нижней поверхности тигля слишком высока, теплоизоляционную заглушку отодвигают от тигля, так чтобы больше тепла отводилось посредством излучения через сквозной проход. Если температура нижней поверхности тигля слишком низка, теплоизоляционную заглушку перемещают в сквозном проходе в направлении тигля для прерывания отвода тепла через сквозной проход. Во внутренней полости печи могут быть установлены соответствующие датчики температуры для измерения градиента температуры между нижней и верхней частями тигля и, соответственно, внутренней полости. Таким образом, передача энергии между внутренней полостью печи и внешней средой может эффективно регулироваться в каждом режиме работы печи, и может быть сведена к потерям энергии через теплоизоляцию окружающего кожуха, когда теплоизоляционная заглушка полностью введена в сквозной проход.
В соответствии с принципами настоящего изобретения теплоизоляционная заглушка (и, например, другая теплоизоляционная заглушка) не находится в передающем силу контакте с соответствующим тиглем. Таким образом, теплоизоляционная заглушка не используется для опоры тигля, то есть сила веса тигля не передается на теплоизоляционную заглушку. Кроме того, теплоизоляционная заглушка не соединена с корпусом печи передающим силу образом. Итак, теплоизоляционная заглушка и, например, другая теплоизоляционная заглушка свободно перемещаются в соответствующих сквозных проходах корпуса и при этом не поддерживают тигли и не соединены с корпусом. Таким образом, благодаря возможности независимого перемещения теплоизоляционных заглушек внутри соответствующих сквозных проходов может быть обеспечен гибкий способ регулируемого отвода тепла.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения корпус печи имеет нижнюю часть с опорной зоной, на которую опирается тигель, и в опорной зоне сформирован сквозной проход, соединяющий внутреннюю полость со средой, окружающей корпус (то есть с промежуточной полостью).
Таким образом, в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения тигель устанавливают во внутренней полости таким образом, чтобы сквозной проход был закрыт нижней поверхностью тигля.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения нижняя поверхность тигля имеет первый диаметр, а верхний конец теплоизоляционной заглушки имеет второй диаметр, который равен первому диаметру или меньше него.
Верхний конец теплоизоляционной заглушки  -  это та ее часть, которая ближе всего находится к нижней поверхности тигля. Если второй диаметр теплоизоляционной заглушки равен первому диаметру нижней поверхности тигля, то достигается однородный отвод тепла и регулирование отвода тепла по всей нижней поверхности, в частности между краем и центром нижней поверхности тигля.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения тигель содержит затравочный кристалл, который имеет цилиндрическую форму с диаметром кристалла. Второй диаметр верхнего конца теплоизоляционной заглушки равен диаметру кристалла.
Затравочный кристалл может формироваться, например, как короткий цилиндр (диск). Затравочный кристалл может быть расположен, например, на нижней поверхности тигля. В частности, диаметр кристалла может превышать 80%, в частности составлять 90  - 100%. первого диаметра нижней поверхности тигля.
Если второй диаметр теплоизоляционной заглушки дополнительно подогнан к первому диаметру нижней поверхности тигля и к диаметру кристалла, может обеспечиваться эффективный рост высококачественного кристалла внутри тигля.
В частности, диаметр затравочного кристалла может быть увеличен, в результате чего будет уменьшаться время до начала роста кристалла, и дополнительно будет предотвращаться дефекты кристалла, которые могут возникать в результате взаимодействия затравочного кристалла и нижней части тигля. Диаметр подвижной теплоизоляционной заглушки может быть равен, например, увеличенному диаметру затравочного кристалла, что не будет оказывать влияния на способность регулирования количества тепла, отводимого от нижней части тигля на разных стадиях процесса выращивания кристалла.
Таким образом, обеспечивается затравочный кристалл, имеющий диаметр выращиваемого кристалл, и уменьшаются зазоры между боковыми стенками тигля и кромками затравочного кристалла. Кроме того, если второй диаметр теплоизоляционной заглушки подогнан к первому диаметру и/или к диаметру кристалла, то достигается равномерное регулирование тепла по нижней части тигля и по всей длине кристалла. Достоинством технического решения, предлагаемого в настоящем изобретении, является ускорение начала роста кристалла и предотвращение возникновения дефектов в результате взаимодействия нижней части тигля и расплавленного оксида алюминия/растущего кристалла сапфира внутри тигля. Например, если используется затравочный кристалл меньшего диаметра, то необходимо сначала обеспечить рост кристалла в радиальном направлении от края затравочного кристалла и затем начинать его наращивание по вертикали. Если начинать процесс с затравочным кристаллом большего/полного диаметра, как это происходит в рассматриваемом варианте, то можно исключить стадию наращивания в радиальном направлении.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения третий диаметр сквозного прохода может изменяться регулируемым образом до второго диаметра верхнего конца теплоизоляционной заглушки. Третий диаметр сквозного прохода подбирают ко второму диаметру теплоизоляционной заглушки таким образом, чтобы уменьшить зазоры между стенками прохода и теплоизоляционной заглушки для обеспечения надежного точного регулирования температуры.
Сквозной проход формируется в опорной зоне нижней части корпуса, причем тигель опирается на опорную зону своей нижней поверхностью. Таким образом, с одной стороны, нижняя часть корпуса поддерживает тигель и, с другой стороны, тепло от нижней поверхности тигля может непосредственно отводиться через сквозной проход во внешнюю среду, то есть в промежуточную полость.
Опорная зона может быть сформирована как выступ или углубление в нижней части корпуса печи. Если опорная зона сформирована как углубление, тигель может быть зафиксирован и/или совмещен (сориентирован) внутри углубления в нижней части корпуса. Внутри углубления нижней части корпуса может быть установлена опорная пластина (будет описана ниже).
Поскольку нижняя поверхность тигля опирается на нижнюю часть корпуса печи и, таким образом, закрывает сквозной проход, то внутренняя полость печи отделяется от внешней среды (то есть от промежуточной полости) самим тиглем. Если нижнюю поверхность тигля необходимо охладить, то перемещается лишь теплоизоляционная заглушка, а нижняя поверхность тигля продолжает закрывать сквозной проход. Тепло отводится от нижней поверхности тигля через сквозной проход посредством излучения (то есть радиационное охлаждение).
Термин "тепловое излучение" относится к передаче или к получению энергии (например, нижней поверхностью тигля) посредством передачи или поглощения электромагнитного излучения.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения теплоизоляционная заглушка содержит теплоизлучающую секцию, формирующую свободный конец теплоизоляционной заглушки, обращенный к поверхности, в частности к нижней поверхности тигля.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения теплоизлучающая секция содержит материал, коэффициент теплопередачи которого составляет больше чем (приблизительно) 50 Вт/(м⋅K), в частности больше чем (приблизительно) 90 Вт/(мK).
Для обеспечения необходимых характеристик теплопередачи теплоизлучающая секция может быть сформирована, например, из углеродного материала или графита. Таким образом, тепло, которое может излучаться нижней поверхностью тигля, может быть поглощено теплоизлучающей секцией теплоизоляционной заглушки. То есть тепло может отводиться теплоизлучающей секцией с высокой эффективностью.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения теплоизоляционная заглушка содержит теплоизоляционную секцию, которая формирует свободный конец теплоизоляционной заглушки, обращенный в сторону окружающей среды, то есть промежуточной полости корпуса печи.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения теплоизоляционная секция содержит материал, коэффициент теплопередачи которого составляет меньше чем 20 Вт/(м⋅K), в частности меньше чем 1 Вт/(м⋅K).
Теплоизоляционная секция может быть сформирована, например, из теплоизоляционного материала, такого как графит.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения площадь нижней поверхности тигля равна или больше площади поперечного сечения сквозного прохода. Таким образом, в этом варианте обеспечивается полное перекрытие сквозного прохода нижней поверхностью тигля.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения система печи содержит также опорную пластину, установленную между нижней поверхностью тигля и опорной зоной.
Опорная пластина может составлять одно целое с нижней поверхностью тигля или может быть отдельной частью. Опорная пластина может быть изготовлена из материала с высокой удельной теплопроводностью, имеющего коэффициент теплопередачи, составляющий больше чем, например, (приблизительно) 50 Вт/(м⋅K), в частности больше чем (приблизительно) 90 Вт/(м⋅K).
Поэтому зона нижней части корпуса печи, окружающая опорную зону, и/или сама опорная зона может быть выполнена из теплоизоляционного материала с низким коэффициентом теплопередачи, например, меньше чем 10 Вт/(м⋅K). Таким образом, обеспечивается хорошая теплоизоляция между внутренней полостью печи и внешней средой, так что может осуществляться эффективное управление передачей тепла. Однако опорная пластина закрывает сквозной проход и обеспечивает хорошие характеристики теплового излучения, так что тепло может отводиться через сквозной проход, хотя корпус печи выполнен из материала с высокими теплоизоляционными характеристиками.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения теплоизоляционная заглушка поддерживается с возможностью перемещения в направлении тигля и в направлении от тигля.
Например, теплоизоляционная заглушка может быть присоединена к двигателю, такому как гидравлический или электрический двигатель, который обеспечивает перемещение теплоизоляционной заглушки внутри сквозного прохода взад - вперед относительно нижней поверхности тигля.
Теплоизоляционная заглушка может перемещаться внутри сквозного прохода плавно или пошагово. В этом случае между теплоизоляционной заглушкой и нижней поверхностью тигля обеспечивается некоторое промежуточное пространство, так что тепло отводится от нижней поверхности в теплоизоляционную заглушку через это пространство посредством излучения.
В частности, если теплоизоляционная заглушка содержит теплоизлучающую секцию, то заглушку можно выводить из сквозного прохода таким образом, что часть теплоизлучающей секции выйдет наружу из сквозного прохода, а другая ее часть все еще будет находиться внутри этого прохода. Таким образом, тепло от нижней поверхности тигля передается теплоизлучающей секции через промежуточное пространство внутри сквозного прохода. При этом часть теплоизлучающей секции, выведенная из сквозного прохода, отдает поглощенное тепло во внешнюю среду и, соответственно, в промежуточную полость.
Таким образом, перемещая теплоизоляционную заглушку внутри сквозного прохода взад - вперед относительно нижней поверхности тигля, можно осуществлять точное регулирование отвода тепла от нижней поверхности тигля. Соответственно, обеспечивается необходимое управление ростом кристалла внутри тигля.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения система печи содержит также теплообменник, который термически связан с теплоизоляционной заглушкой для передачи тепла между теплоизоляционной заглушкой и теплообменником. Термин "термически связан" описывает такое расположение теплообменника относительно соответствующей теплоизоляционной заглушки, при котором тепло может передаваться (посредством излучения) от соответствующей теплоизоляционной заглушки к теплообменнику.
Теплообменник установлен во внешней среде, то есть в промежуточной полости, в частности под нижней частью корпуса печи. Для целей настоящего изобретения может использоваться трубчатый теплообменник. Теплообменник имеет впускной трубопровод для поступления охлаждающей текучей среды и выпускной трубопровод, по которому выходит текучая среда, поглотившая тепло из теплоизоляционной заглушки.
Трубки теплообменника могут частично охватывать теплоизоляционную заглушку в промежуточной полости, в частности, когда теплоизоляционная заглушка полностью или частично выведена из сквозного прохода. В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения теплообменник содержит теплопроводный (металлический) цилиндр, в частности медный цилиндр, установленный внутри промежуточной полости и присоединенный к нижней части печи. Металлический цилиндр установлен таким образом, что теплоизоляционная заглушка может полностью или частично выходить из сквозного прохода в цилиндр теплообменника. Трубки теплообменника могут быть расположены на внутренней или на внешней поверхности цилиндра. Например, трубки могут быть припаяны или приварены к внутренней или к внешней поверхности цилиндра. При использовании цилиндра обеспечивается сплошная излучающая/поглощающая поверхность.
Трубчатый теплообменник может содержать трубки, которые проходят по спирали и охватывают теплоизоляционную заглушку. Если теплоизоляционная заглушка может перемещаться внутри сквозного прохода, то она может также входить внутрь теплообменника и выходить из него для регулирования количества отводимого тепла.
Таким образом, с помощью вышеописанного теплообменника достигается очень точное регулирование отвода тепла от теплоизоляционной заглушки и, соответственно, от нижней поверхности тигля.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения система печи содержит также по меньшей мере один другой тигель для выращивания другого кристалла, причем этот другой тигель установлен во внутренней полости печи.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения корпус печи имеет по меньшей мере один другой сквозной проход, соединяющий внутреннюю полость печи с внешней средой, то есть с промежуточной полостью. В другой сквозной проход может быть введена с возможностью перемещения другая теплоизоляционная заглушка для регулирования отвода тепла посредством излучения из внутренней полости печи и из тигля, соответственно. Другая теплоизоляционная заглушка не находится в каком - либо передающем силу контакте с тиглем.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения другой тигель установлен во внутренней полости печи таким образом, что другой сквозной проход закрывается нижней поверхностью этого тигля для изолирования внутренней полости печи от внешней среды, то есть от промежуточной полости.
Для регулирования отвода тепла через соответствующие сквозные проходы в стенке, например, в нижней части корпуса печи, соответствующую теплоизоляционную заглушку вводят в соответствующий сквозной проход с возможностью перемещения в проходе. Соответственно, если температура нижней поверхности одного из тиглей слишком высока, соответствующую теплоизоляционную заглушку перемещают таким образом, чтобы тепло могло отводиться посредством излучения через соответствующий сквозной проход. Если температура нижней поверхности тигля слишком низка, теплоизоляционную заглушку перемещают в соответствующем сквозном проходе в направлении соответствующего тигля для прерывания отвода тепла через этот сквозной проход. Во внутренней полости корпуса печи могут быть установлены соответствующие датчики температуры для измерения градиента температуры между нижней и верхней частями корпуса печи и, соответственно, внутренней полости корпуса.
В рассматриваемом варианте осуществления изобретения обеспечивается печь, которая содержит внутри своего корпуса группу тиглей. В каждом из соответствующих тиглей в результате выращивания кристалла может быть сформирован кристаллический компонент. Поскольку под каждым тиглем сформирован соответствующий сквозной проход в нижней части корпуса печи, то будет обеспечиваться требуемый отвод тепла через каждый такой сквозной проход, так что в каждом из тиглей может быть обеспечен требуемый градиент температуры от нижней поверхности соответствующего тигля до его верхней части. Таким образом, в процессе нагрева одновременно могут быть сформированы два или более кристаллических компонентов. Соответственно, в вышеописанной системе печи обеспечивается более эффективное производство кристаллических компонентов.
Система печи по рассматриваемому варианту может содержать возле сквозного прохода и другого сквозного прохода другую группу сквозных проходов внутри нижней части корпуса печи. Соответственно, в каждый проход из этой группы сквозных проходов может быть введена соответствующая теплоизоляционная заглушка. Соответственно, над каждым проходом из этой группы сквозных проходов во внутренней полости печи может быть установлен соответствующий тигель, так что в печи по настоящему изобретению может быть сформировано множество кристаллических компонентов.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения печь содержит радиационное нагревательное устройство для нагрева тигля и/или другого тигля, причем радиационное нагревательное устройство установлено во внутренней полости корпуса.
Радиационное нагревательное устройство содержит в частности теплоизлучающую стенку, так что обеспечивается радиационный нагрев тиглей. В частности, радиационное нагревательное устройство имеет цилиндрическую форму, и нагревательный элемент окружает тигли. Таким образом, может быть обеспечен постоянный поток теплового излучения, действующий по окружности тигля.
Для целей настоящего изобретения может использоваться электрическое радиационное нагревательное устройство.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения радиационное нагревательное устройство содержит теплоизлучающую стенку, которая охватывает тигель и другой тигель.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения радиационное нагревательное устройство содержит первую теплоизлучающую стенку и вторую теплоизлучающую стенку, причем первая теплоизлучающая стенка охватывает тигель, а вторая теплоизлучающая стенка охватывает другой тигель
В вышеописанных вариантах осуществления изобретения каждый тигель охватывается соответствующей теплоизлучающей стенкой. Таким образом, вокруг каждого тигля установлена соответствующая теплоизлучающая стенка. В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения управление работой теплоизлучающих стенок может осуществляться независимо друг от друга, так что в разных тиглях могут обеспечиваться разные градиенты температуры. Для независимого управления работой каждой теплоизлучающей стенки нагревательное устройство может быть соединено с блоком управления, который будет обеспечивать раздельное управление градиентами температуры в каждом из тиглей
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения по меньшей мере сквозной проход (и/или другой сквозной проход) формируется в соответствующей опорной зоне нижней части корпуса, причем тигель опирается на опорную зону, и/или другой тигель опирается на другую опорную зону, которая находится на некотором расстоянии от опорной зоны. Сквозной проход закрывается нижней поверхностью тигля, так что тигель изолирует внутренний объем печи от внешней среды, то есть от промежуточной полости. Соответственно, другой сквозной проход закрывается нижней поверхностью другого тигля, так что этот тигель изолирует внутренний объем печи от внешней среды, то есть от промежуточной полости.
Соответствующая опорная зона может быть сформирована как выступ или углубление в нижней части корпуса печи. Если соответствующая опорная зона сформирована как углубление, тигель или другой тигель может быть зафиксирован и/или совмещен (сориентирован) внутри углубления в нижней части. Внутри соответствующего углубления нижней части корпуса может быть установлена соответствующая опорная пластина (будет описана ниже).
Поскольку нижняя поверхность каждого тигля опирается на нижнюю часть корпуса печи и, таким образом, закрывает соответствующий тиглю сквозной проход, внутренняя полость корпуса изолируется от внешней среды (то есть от промежуточной полости) самими тиглями. Если нижнюю поверхность некоторого тигля необходимо охладить, то лишь соответствующая ему теплоизоляционная заглушка перемещается относительно тигля, а нижняя поверхность этого тигля продолжает закрывать соответствующий ему сквозной проход. Тепло отводится от нижней поверхности соответствующего тигля через соответствующий сквозной проход посредством излучения (то есть радиационное охлаждение).
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения печь содержит опорную конструкцию тигля, такую как опорная рама, которая установлена во внутренней полости корпуса печи. Опорная конструкция тигля содержит углубление, в котором может быть установлен по меньшей мере один из тиглей, и другое углубление, в котором может быть установлен другой тигель.
Следует отметить, что варианты осуществления изобретения были описаны в отношении разных объектов изобретения. В частности, некоторые варианты были описаны в отношении пунктов формулы для устройства, а другие варианты были описаны в отношении пунктов формулы для способа. Однако для специалиста в данной области техники будет понятно из вышеизложенного и нижеприведенного описания, что, если в явной форме не указано иное, кроме любого сочетания признаков, относящихся к одному типу объекта изобретения, также любое сочетание признаков, относящихся к разным объектам, в частности любое сочетание признаков пунктов формулы, относящихся к устройству и к способу, должны рассматриваться как раскрытые в настоящей заявке.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет описано ниже более подробно с описанием некоторых вариантов его осуществления, которые однако не должны рассматриваться как ограничения объема изобретения.
Фигура 1  -  схематический вид системы печи в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления настоящего изобретения, в котором теплоизоляционная заглушка полностью введена в сквозной проход;
фигура 2  -  схематический вид системы печи в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления настоящего изобретения, в котором теплоизоляционная заглушка в сквозном проходе полностью опущена;
фигура 3  -  схематический вид системы печи в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления настоящего изобретения, в котором нагревательная печь содержит по меньшей мере два тигля;
фигура 4  -  схематический вид сверху системы печи в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления настоящего изобретения, в котором нагревательная печь содержит четыре тигля с теплоизлучающими стенками;
фигура 5  -  схематический вид системы печи в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления настоящего изобретения, в котором увеличены размеры теплоизоляционной заглушки и затравочного кристалла.
Описание вариантов осуществления изобретения
Фигуры чертежей имеют схематический характер. Одинаковые или тождественные элементы обозначаются на различных чертежах одними и теми же ссылочными обозначениями.
i
i
i
На фигуре 1 приведен схематический вид системы печи для выращивания кристаллов в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления настоящего изобретения. Система печи содержит тигель 110 с камерой 111 для выращивания кристаллов и печь 120 с корпусом 121, формирующим внутреннюю полость V, содержащую зону нагрева. Тигель 110 установлен во внутренней полости V в зоне нагрева, причем в корпусе 121 печи выполнен сквозной проход 124, соединяющий внутреннюю полость V со средой, окружающей кожух 121, в частности с промежуточной полостью 108 между корпусом 121 и внешним кожухом 127. В сквозной проход 124 может быть введена с возможностью перемещения теплоизоляционная заглушка 101 для регулирования отвода тепла из тигля 110, причем теплоизоляционная заглушка 101 не находится в передающем силу контакте с тиглем 110.
i
i
i
Печь 120 содержит нагревательные элементы, в частности радиационное нагревательное устройство 125, нагревающее внутреннюю полость V до необходимой температуры (например, до температуры в диапазоне от 100°С до 2100°С). Корпус 121 печи изготовлен из теплоизоляционного материала, так что внутренняя полость V изолирована термически от промежуточной полости 108, окружающей корпус 121. Печь 120 содержит также, например, внешний кожух 127, который окружает корпус 121. Промежуточная полость 108 формируется между внешним кожухом 127 и корпусом 121 печи, так что вспомогательное оборудование печи, такое как теплообменник 130, может быть установлено в этой промежуточной полости 108. В процессе работы печи во внутренней полости V и в промежуточной полости 108 создается разрежение. Это разрежение может быть создано, например, вакуумным насосом 140.
i
i
i
Корпус 121 печи имеет нижнюю часть 122 с опорной зоной 123, на которую опирается установленный тигель 110, причем в опорной зоне 123 выполнен сквозной проход 124, соединяющий внутреннюю полость V с промежуточной полостью 108. Тигель 110 установлен во внутренней полости V таким образом, что сквозной проход 124 закрывается нижней поверхностью 112 тигля 110 для уплотнения и отделения внутренней полости V от промежуточной полости 108.
В одном из вариантов радиационное нагревательное устройство 125 содержит теплоизлучающую стенку, так что обеспечивается радиационный нагрев тигля 110. В частности, радиационное нагревательное устройство 125 имеет цилиндрическую форму, и нагревательный элемент 125 окружает опорную зоне 123 и, соответственно, тигель 110. Таким образом, может быть обеспечен постоянный поток теплового излучения, действующий по окружности тигля 110.
Тигель 110 имеет полость 111 для выращивания кристалла. Внутрь тигля 110 может быть помещен затравочный элемент 103. Затравочный элемент 103 изготавливают из требуемого материала кристалла, такого как, например, сапфир. Исходный материал 102, такой как требуемый материал кристалла, например высокочистый оксид алюминия, помещают в полость 111 для выращивания кристалла. При повышении температуры внутри тигля 110, исходный материал переходит в расплавленное состояние. Печь 120 приспособлена для нагрева тигля 110 таким образом, чтобы можно было регулировать градиент температуры от нижней поверхности 112 тигля 110 к его верхней части. Иначе говоря, температура нижней поверхности 112 тигля 110 может поддерживаться на уровне, который будет ниже, чем температура зоны тигля 110, расположенной на некотором расстоянии от нижней поверхности 112.
i
Регулируемый градиент температуры внутри тигля 110, например градиент температуры от нижней поверхности 112 тигля 110 к его верхней части, регулируется с помощью сквозного прохода 124 в стенке корпуса 121 печи, например в нижней части 122 корпуса 121, в результате чего обеспечивается тепловая связь между внутренней полостью V и промежуточной полостью 108. Сквозной проход 124 формируется в опорной зоне 123 нижней части 122 корпуса 121 печи, причем тигель 110 опирается на опорную зону 123 своей нижней поверхностью 112. Таким образом, с одной стороны, нижняя часть 122 корпуса 121 печи поддерживает тигель 110 и, с другой стороны, тепло от нижней поверхности 112 тигля 110 может непосредственно отводиться через сквозной проход 124 в промежуточную полость 108.
Отвод тепла и градиент температуры внутри тигля 110 регулируются теплоизоляционной заглушкой 101, которая вводится в сквозной проход 124 с возможностью перемещения.
Таким образом, если температура нижней поверхности 112 тигля 110 слишком высока, теплоизоляционную заглушку 101 отодвигают от тигля 110 (см. фигуру 2), чтобы больше тепла отводилось через сквозной проход 124. Если температура нижней поверхности 112 тигля 110 слишком низка, теплоизоляционную заглушку 101 перемещают вверх в сквозном проходе 124 для уменьшения тепла, отводимого через этот проход (см. фигуру 1).
i
Поскольку нижняя поверхность 112 тигля 110 опирается на нижнюю часть 122 корпуса 121 печи и, таким образом, закрывает сквозной проход 124, то разделение между внутренней полостью V и промежуточной полостью 108 обеспечивается самим тиглем 110.
Для обеспечения точного отвода тепла теплоизоляционная заглушка 101 содержит теплоизлучающую секцию 104, которая формирует свободный конец теплоизоляционной заглушки 101, обращенный в сторону нижней поверхности 112 тигля 110. Кроме того, теплоизоляционная заглушка 101 также содержит теплоизоляционную секцию 105, которая формирует свободный конец теплоизоляционной заглушки 101, обращенный в сторону промежуточной полости 108 корпуса 121 печи. Теплоизлучающая секция 104 содержит материал, коэффициент теплопередачи которого выше коэффициента теплопередачи материала теплоизоляционной секции 105.
Как показано на фигуре 1, между нижней поверхностью 112 тигля 110 и опорной зоной 123 установлена опорная пластина 106. Опорная пластина 106 может составлять одно целое с нижней поверхностью 112 тигля 110 или может быть отдельной частью. Опорная пластина 106 может быть изготовлена из материала, имеющего высокую удельную теплопроводность.
Далее, как показано на фигуре 1, опору и привод теплоизоляционной заглушки 101 обеспечивает (электрический) двигатель 150, так что теплоизоляционная заглушка 101 может перемещаться в направлении к тиглю 110 и от него. Между стенками сквозного прохода 124 и теплоизоляционной заглушкой 101 может обеспечиваться зазор 107.
Кроме того, на фигуре 1 показан теплообменник 130, который термически связан с теплоизоляционной заглушкой 101 для осуществления теплообмена между заглушкой 101 и теплообменником 130. Теплообменник 130 установлен внутри промежуточной полости 108, в частности под нижней частью 122 корпуса 121 печи. Теплообменник 130 имеет впускной трубопровод 131 для поступления охлаждающей текучей среды и выпускной трубопровод 132, по которому выходит текучая среда, поглотившая тепло из теплоизоляционной заглушки 101. Трубки теплообменника 130 проходят по спирали, охватывая теплоизоляционную заглушку 101. Теплоизоляционная заглушка 101 может перемещаться внутрь теплообменника 130 и наружу из него для регулирования количества отводимого тепла.
На фигуре 2 показана часть системы печи, показанной на фигуре 1, в которой теплоизоляционная заглушка 101 частично выведена из сквозного прохода 124. Как уже указывалось, теплоизоляционная заглушка 101 содержит теплоизлучающую секцию 104. Как можно видеть на фигуре 2, теплоизоляционная заглушка 101 выведена из сквозного прохода 124 таким образом, что часть теплоизлучающей секции 104 вышла из сквозного прохода 124, а другая часть теплоизлучающей секции 104 все еще остается внутри сквозного прохода 124. Таким образом, тепло от нижней поверхности 112 тигля 110 передается посредством излучения в теплоизлучающую секцию 104 и затем, путем переизлучения, дальше в теплообменник. Понятно, что часть теплоизлучающей секции 104, выведенная из сквозного прохода 124, отдает поглощенное тепло в промежуточную полость 108 и в теплообменник 130.
На фигуре 3 приведен схематический вид системы печи для выращивания кристаллов в соответствии с другим иллюстративным вариантом осуществления настоящего изобретения. Система печи содержит тигель 110 с полостью 111 для выращивания кристалла и по меньшей мере еще один тигель 160 с полостью 161 для выращивания еще одного кристалла.
i
i
i
i
i
Печь 120 имеет корпус 121 с внутренней полостью V, причем корпус 121 имеет нижнюю часть 122, в которой выполнен сквозной проход 124, соединяющий полость V со промежуточной полостью 108, и по меньшей мере еще один сквозной проход 126, соединяющий внутреннюю полость V с промежуточной полостью 108. Тигель 110 установлен во внутренней полости V сверху сквозного прохода 124, как это показано на фигуре 1. Указанный еще один тигель 160 установлен во внутренней полости V сверху указанного еще одного сквозного прохода 126.
Теплоизоляционная заглушка 101 вводится в сквозной проход 124 таким образом, чтобы ее можно было перемещать для регулирования температуры тигля 110, и еще одна теплоизоляционная заглушка 170 вводится в указанный еще один сквозной проход 126 таким образом, чтобы ее можно было перемещать для регулирования температуры указанного еще одного тигля 160.
i
i
Печь 120 содержит нагревательные элементы, в частности радиационное нагревательное устройство 125, нагревающее внутреннюю полость V до необходимой температуры (например, до температуры в диапазоне от 100°С до 2100°С). Корпус 121 печи изготовлен из термоизоляционного материала, так что внутренняя полость V изолирована термически от промежуточной полости 108, окружающей корпус 121.
В рассматриваемом варианте радиационное нагревательное устройство 125 содержит теплоизлучающую стенку, так что обеспечивается радиационный нагрев тигля 110. В частности, радиационное нагревательное устройство 125 имеет цилиндрическую форму и окружает опорные зоны 123, 123' и, соответственно, тигли 110, 160. Таким образом, может быть обеспечен постоянный поток теплового излучения, действующий по периферии тиглей 110, 160.
Тигель 110 имеет полость 111 для выращивания кристалла. Внутрь полости 111 может быть помещен затравочный элемент 103. Затравочный элемент 103 изготавливают из требуемого материала кристалла, такого как, например, сапфир. Исходный материал, такой как требуемый материал кристалла, например высокочистый оксид алюминия, помещают в полость 111 выращивания кристалла тигля 110. При повышении температуры внутри тигля 110, исходный материал переходит в расплавленное состояние. Соответственно, другой тигель 160 имеет полость 161 для выращивания кристалла. Внутрь другой полости 161 может быть помещен другой затравочный элемент 103. Другой затравочный элемент 103 изготавливают из требуемого материала кристалла, такого как, например, сапфир. Кроме того, в другую полость 161 помещают другой исходный материал 102, такой как требуемый материал кристалла, для выращивания кристалла.
Печь 120 приспособлена для нагрева тиглей 110, 160 таким образом, чтобы можно было регулировать градиент температуры внутри тигля 110, то есть градиент температуры от нижней поверхности 112 тигля 110 к его верхней части. Иначе говоря, температура нижних поверхностей 112, 162 тиглей 110, 160 может поддерживаться на уровне, который будет ниже, чем температура зон тиглей 110, 160, расположенных на некотором расстоянии от нижних поверхностей 112, 162 этих тиглей.
Сквозной проход 124 формируется в опорной зоне 123 нижней части 122 корпуса 121 печи, причем тигель 110 установлен сверху сквозного прохода 124. В частности, тигель 110 может опираться своей нижней поверхностью 112 на опорную зону 123. Таким образом, с одной стороны, нижняя часть 122 корпуса 121 печи поддерживает тигель 110 и, с другой стороны, тепло от нижней поверхности 112 тигля 110 может непосредственно отводиться через сквозной проход 124 в промежуточную полость 108. Соответственно, другой сквозной проход 126 формируется в другой опорной зоне 123' нижней части 122 корпуса 121 печи, причем другой тигель 160 установлен сверху другого сквозного прохода 126. В частности, другой тигель 160 может опираться своей нижней поверхностью 162 на другую опорную зону 123'.
i
Поскольку нижние поверхности 112, 162 тиглей 110, 160, соответственно, опираются на нижнюю часть 122 корпуса 120 и, таким образом, закрывают сквозные проходы 124, 126, соответственно, то разделение между внутренней полостью V и промежуточной полостью 108 обеспечивается самими тиглями 110, 160. Если нижнюю поверхность 112, 162 тигля 110, 160, соответственно, необходимо охладить, то только одну теплоизоляционную заглушку 101, 170 отодвигают от нижней поверхности 112, 162 тигля 110, 160. Площади нижних поверхностей 112, 162 тиглей 110, 160, соответственно, могут быть больше, чем площади поперечных сечений сквозных проходов 124, 126, соответственно.
Как показано на фигуре 3, между нижними поверхностями 112, 162 тиглей 110, 160, соответственно, и опорными зонами 123, 123', соответственно, установлены опорные пластины 106, 106', соответственно. Опорные пластины 106, 106' могут составлять одно целое с нижними поверхностями 112, 162 тиглей 110, 160, соответственно, или могут быть отдельными частями. Опорные пластины 106, 106' могут быть изготовлены из материала, имеющего высокую удельную теплопроводность.
Отвод тепла и градиент температуры внутри тигля 110, например градиент температуры от нижней поверхности 112 тигля 110 до его верхней части, регулируются теплоизоляционной заглушкой 101, которая введена в сквозной проход 124 с возможностью перемещения. Соответственно, другая теплоизоляционная заглушка 170, введенная в другое сквозной проход 126 с возможностью перемещения, регулирует отбор тепла через сквозной проход 126.
Например, если температура нижней поверхности 112 тигля 110 слишком высока, теплоизоляционную заглушку 101 отодвигают от нижней поверхности 112 (см. фигуру 2), так чтобы больше тепла отводилось через сквозной проход 124. Если температура нижней поверхности 112 тигля 110 слишком низка, теплоизоляционную заглушку 101 перемещают в сквозном проходе 124 в направлении нижней поверхности 112 для прерывания отвода тепла через сквозной проход 124. Таким образом, обеспечивается эффективный способ регулирования передачи энергии от нижней части тигля в окружающую среду.
Для обеспечения хорошей теплоизоляции вместе с точным регулированием отвода тепла теплоизоляционные заглушки 101, 170 содержат теплоизлучающие секции 104, 104', соответственно, которые формируют свободные концы теплоизоляционных заглушек, обращенные в сторону нижних поверхностей 112, 162 тиглей 110, 160, соответственно. Кроме того, теплоизоляционные заглушки 101, 170 содержат также теплоизоляционные секции 105, 105', соответственно, которые формирую свободные концы теплоизоляционных заглушек 101, 170, обращенные в сторону промежуточной полости 108.
Теплоизлучающие секции 104, 104' содержат материал, коэффициент теплопередачи которого выше коэффициента теплопередачи материала теплоизоляционных секций 105, 105', соответственно.
Далее, как показано на фигуре 3, опору и привод теплоизоляционных заглушек 101, 170 обеспечивает (электрический) двигатель 150, так что теплоизоляционные заглушки 101, 170 могут перемещаться взад - вперед относительно тиглей 110, 170, соответственно.
В частности, если теплоизоляционные заглушки 101, 170 содержат вышеуказанные теплоизлучающие секции 104, 104', соответственно, то эти заглушки могут быть выдвинуты из сквозных проходов 124, 126, соответственно, таким образом, что части теплоизлучающих секций 104, 104' будут выведены из сквозных проходов 124, 126, а другие части этих секций будут находиться внутри сквозных проходов 124, 126. Таким образом, тепло от нижних поверхностей 112, 162 тиглей 110, 160, соответственно, передается посредством излучения в теплоизлучающие секции 104, 104' и затем, путем переизлучения, дальше в теплообменник.
Таким образом, перемещая теплоизоляционные заглушки 101, 170 внутри сквозных проходов 124, 126, соответственно, взад - вперед относительно нижних поверхностей 112, 162 тиглей 110, 160, соответственно, можно обеспечить точное регулирование отвода тепла от нижних поверхностей 112, 162.
i
Управление положением теплоизоляционных заглушек 101, 170 внутри сквозных проходов 124, 126, соответственно, может осуществляться совместно, то есть теплоизоляционные заглушки 101, 170 перемещаются вместе в процессе регулирования. В других вариантах положение каждой теплоизоляционной заглушки 101, 170 внутри сквозных проходов 124, 126, соответственно, может регулироваться по отдельности. Соответственно, с каждой теплоизоляционной заглушкой 101, 170 может быть соединен отдельный серводвигатель. Управление каждым серводвигателем может осуществлять блок управления, и в этом случае теплоизоляционные заглушки 101, 170 будут перемещаться независимо друг от друга. Таким образом, градиент температуры в каждом тигле 110, 160 может регулироваться независимо от другого тигля, поскольку теплоизоляционные заглушки 101, 170 могут перемещаться в сквозных проходах 124, 126 независимо друг от друга, и, соответственно, отвод тепла через эти проходы будет также регулироваться независимо друг от друга. Соответственно, если внутри полости V будет установлено множество тиглей 110, 160, управление градиентами температуры в этих тиглях может осуществляться независимо друг от друга. Для улучшения регулирования градиентов температуры в каждом тигле 110, 160 к ним могут быть подсоединены датчики температуры.
С теплоизоляционной заглушкой 101 и с другой теплоизоляционной заглушкой 170 термически связан теплообменник 130 для передачи тепла между теплоизоляционными заглушками 101, 170 и теплообменником 130.
Теплообменник 130 установлен внутри промежуточной полости 108, в частности под нижней частью 122 корпуса 121 печи. Для целей настоящего изобретения может использоваться трубчатый теплообменник. Теплообменник 130 имеет впускной трубопровод 131 для поступления охлаждающей текучей среды и выпускной трубопровод 132, по которому выходит текучая среда, поглотившая тепло из теплоизоляционных заглушек 101, 170.
Трубчатый теплообменник 130 содержит трубки, которые проходят по спирали и охватывают все теплоизоляционные заглушки 101, 170. В других вариантах теплообменник 130 содержит множество теплообменных блоков, каждый из которых охватывает одну теплоизоляционную заглушку 101, 170 и, соответственно, связан с ней термически. Теплоизоляционные заглушки 101, 170 могут перемещаться внутрь теплообменника 130 и наружу из него для регулирования количества отводимого тепла.
i
На фигуре 4 приведен вид сверху печи 120, во внутренней полости V которой установлены четыре тигля 110, 160, 160', 160''. Радиационное нагревательное устройство 125 содержит теплоизлучающую стенку, которая окружает по окружности тигли 110, 160, 160', 160''. Вместо этого или дополнительно к этому радиационное нагревательное устройство 125 может содержать группу теплоизлучающих стенок 128, каждая из которых охватывает один из тиглей 110, 160, 160', 160''. Управление каждой теплоизлучающей стенкой 128 может осуществляться независимо от других стенок, так что в тиглях 110, 160, 160', 160'' могут обеспечиваться разные градиенты температуры. Для независимого управления работой каждой теплоизлучающей стенки 128 нагревательное устройство 125 может быть соединено с блоком управления, который будет обеспечивать управление градиентами температуры в каждом из тиглей 110, 160, 160', 160''.
s
s
На фигуре 5 приведен схематический вид системы печи, характеризующаяся такими же техническими признаками, что и система печи, показанная на фигурах 1 и 2. Дополнительно на фигуре 5 внутри тигля 110 показан затравочный кристалл 103, имеющий форму диска с диаметром I кристалла. Затравочный кристалл 103, показанный на фигуре 5, имеет увеличенный диаметр по сравнению с затравочным кристаллом, показанным на фигурах 1 и 2. В частности, затравочный кристалл 103 на фигуре 5 имеет диаметр I, который, например, может составлять более 80% первого диаметра I1 нижней поверхности 112 тигля 110. Соответственно, в случае затравочного кристалла 103, имеющего увеличенные размеры, может быть обеспечена очень высокая степень однородности роста кристалла в вертикальном направлении.
s
s
Как показано на фигуре 5, второй диаметр I2 верхнего конца теплоизоляционной заглушки 101 равен первому диаметру I1 нижней поверхности 112 тигля 110 или немного меньше него. В частности, второй диаметр I2 верхнего конца теплоизоляционной заглушки 101 равен диаметру I затравочного кристалла. Если второй диаметр I2 верхнего конца теплоизоляционной заглушки 101 равен первому диаметру I1 и/или диаметру I затравочного кристалла, то достигается однородный отвод тепла и регулирование отвода тепла по всей нижней поверхности 112, в частности между краем и центром нижней поверхности 112 тигля 110.
Затравочный кристалл 103 может формироваться, например, как короткий цилиндр (диск). Затравочный кристалл 103 может быть расположен, например, на нижней поверхности 112 тигля.
s
Второй диаметр подвижной теплоизоляционной заглушки 101 может соответствовать, например, увеличенному диаметру I затравочного кристалла 103 без влияния на способность регулирования количества тепла, отводимого от нижней поверхности тигля 110 на разных стадиях процесса выращивания кристалла.
Необходимо иметь в виду, что термин "содержащий" не исключает использования других элементов или стадий, и указание части или стадии в единственном числе не исключает использование нескольких таких частей или стадий. Кроме того, возможно использование сочетаний элементов, описанных в различных вариантах осуществления изобретения. Также следует иметь в виду, что ссылочные обозначения в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничения объема его охраны.
Перечень ссылочных обозначений
101 - теплоизоляционная заглушка
102 - жидкий/расплавленный материал
103 - затравочный кристалл
104 - теплоизлучающая секция
105 - теплоизоляционная секция
106 - опорная пластина
107 - зазор
108 - промежуточная полость
110 - тигель
111 - полость выращивания кристалла
112 - нижняя поверхность
120 - печь
121 - корпус
122 - нижняя часть
123 - опорная зона
124 - сквозной проход
125 - радиационное нагревательное устройство
126 - другой сквозной проход
127 - внешний кожух
128 - теплоизлучающая стенка
130 - теплообменник
131 - впускной трубопровод
132 - выпускной трубопровод
140 - вакуумный насос
150 - двигатель
160 - другой тигель
161 - другая полость выращивания кристалла
162 - другая нижняя поверхность
170 - другая теплоизоляционная заглушка
i
V - внутренняя полость
I1 - первый диаметр
I2 - второй диаметр
s
I - диаметр кристалла