Тепловой узел для получения монокристаллических материалов

Полезная модель относится к области получения монокристаллических материалов, и может быть использована в качестве элемента ростовой установки. Задачей полезной модели является создание теплового узла для получения монокристаллических материалов, упрощающего конструкцию, уменьшающего габариты и повышающего надежность работы ростовой установки. Поставленная задача достигается тем, что тепловой узел содержит основную керамическую трубку с размещенным с внешней стороны основным резистивным нагревательным элементом и установленный внутри нее тигель, как минимум, два дополнительных резистивных нагревателя, расположены непосредственно под тиглем и над ним. Тепловой узел дополнительно содержит установленные на тигле керамическое кольцо с закрепленной в нем внутренней керамической трубкой, и промежуточную керамическую трубку, установленную на керамическом кольце между внутренней и основной керамическими трубками. Между керамическим кольцом и тиглем установлено платиновое кольцо, а во внутренней трубке - платиновая трубка. 1 н.п., 1 ил.

Полезная модель относится к области получения монокристаллических материалов, и может быть использована в качестве элемента ростовой установки.

Из уровня техники известно устройство для выращивания монокристаллов, содержащее тепловой узел, содержащий резистивный нагревательный элемент, тигель (патент РФ 42530 «Устройство для интенсивного выращивания монокристаллов сложных оксидов», МПК С30В 9/12, опубл. 10.12.2004).

Недостатками указанной системы являются:

- материал тигля (керамика),

- три основных (трубчатых) резистивных нагревательных элементов.

Указанное устройство не обеспечивает выращивание монокристаллов из раствор-расплава с применением модифицированного метода Чохральского, т.к. отсутствует возможность организации вытягивания монокристалла.

Из уровня техники известно устройство для выращивания монокристаллов, выбранный в качестве прототипа (патент РФ 2133786 «Устройство для выращивания монокристаллов», МПК С30В 15/20, опубл. 27.07.1999). Данное устройство содержит тигель, расположенный в тигле формообразователь-мешалку, керамическую трубку с размещенными с внешней стороны тремя основными резистивными нагревательными элементами.

Недостатками указанной системы являются:

- три основных (трубчатых) резистивных нагревательных элементов,

- формообразователь-мешалка.

Конструкция указанного устройства не обеспечивает необходимой защиты элементов ростовой системы, а также имеет ограниченные функциональные возможности, не обеспечивая полного контроля градиента температуры нагрева. Минусом является и то, что для замены даже одного из трех нагревательных элементов необходимо полностью демонтировать тепловой узел, а также и всю ростовую печь.

Задачей заявляемой полезной модели является создание теплового узла для получения монокристаллических материалов, упрощающего конструкцию, уменьшающего габариты и повышающего надежность работы ростовой установки.

Поставленная задача достигается тем, что тепловой узел, содержащий основную керамическую трубку с размещенным с внешней стороны основным резистивным нагревательным элементом и установленный внутри нее тигель согласно полезной модели содержит, как минимум, два дополнительных резистивных нагревательных элемента, расположенных непосредственно под тиглем и над ним, которые дают возможность задавать градиент температуры с высокой точностью. Тепловой узел дополнительно содержит установленные на тигле керамическое кольцо с закрепленной в нем внутренней керамической трубкой, и промежуточную керамическую трубку, установленную на керамическом кольце между внутренней и основной керамическими трубками. Между керамическим кольцом и тиглем установлено платиновое кольцо, а во внутренней трубке - платиновая трубка.

Таким образом, заявляемый тепловой узел для получения монокристаллических материалов, имеющий простую конструкцию и небольшие габариты, обеспечивает надежность и увеличения межремонтных сроков работы ростового оборудования.

Сущность заявленного теплового узла для получения монокристаллических материалов поясняется схематичным чертежом.

Тепловой узел для получения монокристаллических содержит основную керамическую трубку 9 с размещенным с внешней стороны основным резистивным нагревательным элементом 10 и установленный внутри нее тигель 1. Имеет два дополнительных резистивных нагревательных элемента 3 и 8, которые установлены под тиглем и над ним. Резистивный нагревательный элемент 3 отделен от платинового тигля 1 с помощью корундового изолятора 2. Тепловой узел содержит установленные на тигле 1 керамическое кольцо 5 с закрепленной в нем внутренней керамической трубкой 6, и промежуточную керамическую трубку 7, установленную на керамическом кольце 5 между внутренней 6 и основной 9 керамическими трубками, при этом между керамическим кольцом 5 и тиглем 1 установлено платиновое кольцо 11, а во внутренней трубке - платиновая трубка 12.

Заявленное устройство является составной частью ростового оборудования, а именно - ростовой печи и работает следующим образом. В платиновый тигель, установленный на нижний шток засыпают шихту - исходные компоненты питающего раствора. На тигель устанавливают в сборе верхний резистивный нагревательный элемент, расположенный на керамическом кольце с закрепленной в нем внутренней керамической трубкой, и промежуточной керамической трубкой, установленную на керамическом кольце. При этом между керамическим кольцом и тиглем установлено платиновое кольцо, а во внутренней трубке - платиновая трубка, что проедлевает срок службы керамических элементов теплового узла. Пространства между внутренней и промежуточной, а также промежуточной и основной керамическими трубками засыпано корундовым зерном.

С помощью верхней и нижней термопар ростовой печи (которые не относятся к представленному тепловому узлу) измеряют температуру в верхней и нижней частях. С помощью дополнительных резистивных нагревательных элементов регулируют осевой градиент температуры.

Температуру повышают до полной гомогенизации загруженной в тигель шихты. Затем выдерживают при заданной температуре для выравнивания температурного поля, о чем судят по стабилизации показаний термопар.

После этого через внутреннюю керамическую трубку опускают вращающуюся затравку, закрепленную на верхнем штоке устройства вращения и вытягивания ростовой установки. В момент касания затравкой раствора перемещение вниз прекращают. И, в зависимости от скорости разрастания монокристалла (или подплавления затравки) регулируют скорость снижения температуры и/или скорость вытягивания монокристалла. После завершения процесса выращивания монокристалла его отделяют от остатков раствора путем кратковременного увеличения скорости вытягивания до нескольких десятков миллиметров в час. Затем охлаждают тепловой узел со скоростью не более 0,5 К/ч для исключения растрескивания монокристалла.

Преимуществами предложенного теплового узла для выращивания монокристаллов являются, во-первых, возможность с высокой точностью задавать градиент температуры при равномерности температурного поля (достигается путем использования нижнего 3 и верхнего 8 дополнительных резистивных нагревательных элемента непосредственно вблизи тигля 1), во-вторых, минимизируют контакт испаряющегося раствора из тигля с дополнительными и основным нагревателями ростовой печи, продлевая срок их работы (достигается за счет применения оригинальных конструкторских решений), в-третьих, обладает повышенным сроком службы керамических экранов (достигается за счет использования защитных элементов 11 и 12, выполненных из платины).

Тепловой узел для получения монокристаллических материалов, содержащий основную керамическую трубку с размещенным с внешней стороны основным резистивным нагревательным элементом и установленный внутри нее тигель, отличающийся тем, что как минимум два дополнительных резистивных нагревательных элемента установлены под тиглем и над ним, тепловой узел дополнительно содержит установленные на тигле керамическое кольцо с закрепленной в нем внутренней керамической трубкой, и промежуточную керамическую трубку, установленную на керамическом кольце между внутренней и основной керамическими трубками, при этом между керамическим кольцом и тиглем установлено платиновое кольцо, а во внутренней трубке - платиновая трубка.