Устройство для выращивания объемных кристаллов из расплава и тигель

Полезная модель относится к производству монокристаллов к устройствам выращивания их из расплавов на затравочном кристалле, например, синтетического корунда, по методам Чохральского и Степанова, и может быть использовано для получения объемных монокристаллов, в частности, сапфира.

Устройство для выращивания объемных кристаллов из расплава включает цилиндрическую камеру с крышкой и съемным дном, тепловой узел, тигель для расплава, затравкодержатель, закрепленный на штоке с возможностью вращения и вертикального перемещения, бункер с исходной шихтой для дозагрузки тигля, установленного на нижнем штоке с возможностью его вращения и вертикального перемещения. Тепловой узел выполнен в виде, по меньшей мере, двух раздельных нагревателей, донного и бокового. Донный нагреватель может быть выполнен резистивным или высокочастотным. Боковой нагреватель может быть выполнен резистивным высокочастотным или секционным с возможностью регулирования температуры по его высоте. Тигель включает донную часть для расплава, выполненную в виде кольцеобразного углубления, по меньшей мере один вертикальный капилляр, соединенный с горизонтальными каналами. Тигель снабжен формообразователем, выполненным в виде чаши. Тигель может быть выполнен кольцевой или квадратной формы. Угол наклона а конуса дна чаши выбран в интервале 5...80.

Полезная модель относится к производству монокристаллов к устройствам выращивания их из расплавов на затравочном кристалле, например, синтетического корунда, по методам Чохральского и Степанова, и может быть использовано для получения объемных монокристаллов, в частности, сапфира.

Известна установка для выращивания объемных монокристаллов «Омега», имеющая цилиндрическую камеру с крышкой и съемным дном, тепловой узел, тигель для расплава, затравкодержатель, закрепленный на штоке с возможностью вращения и вертикального перемещения, бункер с исходной шихтой для дозагрузки тигля, установленного на нижнем штоке с возможностью его вращения и вертикального перемещения. (Найдено на сайте Интернета по адресу http://1426.ukrindustrial. corn/cat. php?oid=8194 8.10.2004 г.)

Известная установка имеет объединенный донно-боковой нагреватель, что не позволяет производить регулирование температуры по мере роста выращиваемого кристалла.

Задачей и техническим результатом является устранение указанного недостатка посредством обеспечения возможности разделения нагрева на донный и боковой.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для выращивания объемных кристаллов из расплава, включающем цилиндрическую камеру с крышкой и съемным дном, тепловой узел, тигель для расплава, затравкодержатель, закрепленный на штоке с возможностью

вращения и вертикального перемещения, бункер с исходной шихтой для дозагрузки тигля, установленного на нижнем штоке с возможностью его вращения и вертикального перемещения, тепловой узел выполнен в виде, по меньшей мере, двух раздельных нагревателей, донного и бокового.

Кроме того, донный нагреватель может быть выполнен резистивным или высокочастотным.

Кроме того, боковой нагреватель может быть выполнен резистивным высокочастотным или секционным с возможностью регулирования температуры по его высоте.

Известен тигель для выращивания монокристаллов оксидов, выполненный в виде формы прямого усеченного конуса, имеющего геометрические размеры, удовлетворяющие соотношению (d_h D_B)2h 0,1 0,2, где d_h - диаметр нижнего основания тигля, d_b - диаметр верхнего основания тигля, h - высота тигля. (См. описание к патенту РФ №2072003, опубл. 20.01.1999 г., МПК ⁶ С 30 В 15/10). Известный тигель позволяет получать монокристаллы прозрачных и полупрозрачных оксидов диаметром более 60 мм. Однако он требует больших затрат электроэнергии, т.к.. необходимо плавить сразу большое количество сырья.

Задачей и техническим результатом является уменьшение затрат электроэнергии при получении больших кристаллов высокого качества.

Указанный технический результат достигается тем, что в тигеле, включающем донную часть для расплава, выполненную в виде кольцеобразного углубления, по меньшей мере один вертикальный капилляр соединен с горизонтальными каналами.

Кроме того, тигель снабжен формообразователем, выполненным в виде чаши.

Кроме того, тигель может быть выполнен кольцевой или квадратной формы.

Кроме того, угол наклона а конуса дна чаши выбран в интервале 5...80°.

Заявляемое устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено устройство для выращивания объемных монокристаллов из расплава, на фиг.2 - вид сверху на конструкцию тигеля квадратной формы, на фиг.3 - разрез по А-А с фиг.2, на фиг.4 - вид сверху на конструкцию тигеля круглой формы, на фиг.5 - разрез по Б-Б с фиг.4.

Устройство для выращивания объемных кристаллов содержит бункер для шихты 1, дозирующий клапан 2, трубопровод для шихты 3, шток водоохлаждаемый 4, токовводы бокового нагревателя 5, 6, верхнюю крышку 7, боковой нагреватель 8, затравкодержатель 9, затравочный стержень 10, кристалл 11, расплав 12, камеру (боковую стенку) 13, тигель 14, нижний нагреватель 15, защитную экранировку 16, токовводы нижнего нагревателя 17, дно камеры 18, нижний шток 19.

Тигель для выращивания объемных кристаллов из расплава включает донную часть для расплава 20, горизонтальные каналы 21, соединенные с, по меньшей мере, одним вертикальным капилляром 22, перегородки 23 между горизонтальными каналами могут быть выполнены как тонкостенными, так и толстостенными. Угол наклона а конуса дна чаши выбран в интервале 5...80⁰. Радиус чаши определяется фронтом кристаллизации.

Данный тигель представляет собой два изделия, объединенные в одно. Это собственно тигель, где происходит расплавление сырья и формообразователь, в который поступает расплав и происходит рост кристалла.

Заявленное устройство для выращивания объемных кристаллов из расплава работает следующим образом. После загрузки исходного сырья из бункера 1 производят нагрев тигля 14 нижним нагревателем 15, опускают затравочный стержень 10 и производят рост кристалла из расплава с одновременным нагревом боковым нагревателем 8, который регулирует рост кристалла. В данном устройстве может использоваться тигель практически любой формы, а его размеры ограничены только размерами камеры и возможностью нагревателей. Это позволительно еще и потому, что в

заявляемом устройстве может использоваться бункер для досыпки сырья (шихты), снабженный дозатором (дозирующим клапаном). В этом устройстве может использоваться любой формообразователь для роста кристаллов по методу Степанова. Устройство позволяет существенно снизить затраты на электроэнергию и затраты на изготовление оснастки, т.к. могут использоваться маленькие тигли для получения больших кристаллов.

Конструкция тигля работает следующим образом. В кольцеобразное углубление 20 поступает сырье из бункера 1, в это углублении оно плавится. По горизонтальным каналам 21 расплав поступает к капилляру 22 (может быть несколько капилляров). Каналы могут быть выполнены в виде конусов, что позволяет надеяться на то, что пузыри, появившиеся в расплаве, не дойдут до капилляра, а поднимутся вверх вдоль угла наклона а и соответственно не попадут в кристалл. По вертикальному капилляру 22 расплав поднимается в чащу формообразователя 23. Чаша имеет сферическую форму, но она может быть и другой формы, в зависимости от того, какой кристалл надо получить.

1. Устройство для выращивания объемных кристаллов из расплава, включающее цилиндрическую камеру с крышкой и съемным дном, тепловой узел, тигель для расплава, затравкодержатель, закрепленный на штоке с возможностью вращения и вертикального перемещения, бункер с исходной шихтой для дозагрузки тигля, установленного на нижнем штоке с возможностью его вращения и вертикального перемещения, отличающееся тем, что тепловой узел выполнен в виде, по меньшей мере, двух раздельных нагревателей, донного и бокового.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что донный нагреватель выполнен резистивным.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что донный нагреватель выполнен высокочастотным.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что боковой нагреватель выполнен резистивным.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что боковой нагреватель выполнен высокочастотным.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что боковой нагреватель выполнен секционным с возможностью регулирования температуры по его высоте.

7. Тигель, включающий донную часть для расплава, выполненную в виде кольцеобразного углубления, отличающийся тем, что он снабжен, по меньшей мере, одним вертикальным капилляром, соединенным с горизонтальными каналами, и формообразователем, выполненным в виде чаши.

8. Тигель по п.7, отличающийся тем, что он выполнен кольцевой формы.

9. Тигель по п.7, отличающийся тем, что он выполнен квадратной формы.

10. Тигель по любому из пп.7, 8 или 9, отличающийся тем, что угол наклона конуса дна чаши выбран в интервале 5...80°.