Устройство для выращивания объемных кристаллов из расплава (варианты)

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, затравкодержатель, закрепленный на штоке с возможностью вращения и вертикального перемещения, тигель для расплава, установленный на нижнем штоке с возможностью его вращения. Тепловой узел выполнен из, по меньшей мере, двух раздельных резистивных нагревателей: донно-бокового и бокового. В устройстве по второму варианту тепловой узел выполнен из, по меньшей мере, двух раздельных высокочастотных нагревателей, расположенных друг над другом. В устройстве по третьему варианту тепловой узел выполнен в виде, по меньшей мере, одного верхнего резистивного нагревателя и, по меньшей мере, одного нижнего индукционного нагревателя. В устройстве по четвертому варианту тепловой узел выполнен в виде, по меньшей мере, одного бокового высокочастотного нагревателя и, по меньшей мере, одного нижнего донно-бокового резистивного нагревателя.

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 (нижней и боковой).

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

и вертикального перемещения, тигель для расплава, установленный на нижнем штоке с возможностью его вращения, тепловой узел выполнен из, по меньшей мере, двух раздельных резистивных нагревателей: донно-бокового и бокового.

Кроме того, донно-боковой и/или боковой резистивные нагреватели выполнены секционными с возможностью регулирования температуры по их высоте.

Кроме того, тигель установлен на штоке с возможностью его вертикального перемещения.

Кроме того, донно-боковой резистивный нагреватель выполнен по форме конгруэнтным форме тигля и собран из изогнутых U-образных прутков тугоплавкого металла или сплава.

Кроме того, донно-боковой и боковой резистивные нагреватели состоят из секций U-образных ламелей, количество которых соответствует количеству граней затравочного кристалла.

В устройстве для выращивания объемных кристаллов из расплава по второму варианту, включающем цилиндрическую камеру с крышкой и съемным дном, тепловой узел, затравкодержатель, закрепленный на штоке с возможностью вращения и вертикального перемещения, тигель для расплава, установленный на нижнем штоке с возможностью его вращения, тепловой узел выполнен из, по меньшей мере, двух раздельных высокочастотных нагревателей, расположенных друг над другом.

Кроме того, тигель установлен на штоке с возможностью его вертикального перемещения.

Кроме того, верхний и/или нижний высокочастотные нагреватели выполнены секционными с возможностью регулирования температуры по их высоте.

В устройстве для выращивания объемных кристаллов из расплава по третьему варианту, включающем цилиндрическую камеру с крышкой и

съемным дном, тепловой узел, затравкодержатель, закрепленный на штоке с возможностью вращения и вертикального перемещения, тигель для расплава, установленный на нижнем штоке с возможностью его вращения, тепловой узел выполнен в виде, по меньшей мере, одного верхнего резистивного нагревателя и, по меньшей мере, одного нижнего индукционного нагревателя.

Кроме того, тигель установлен на штоке с возможностью его вертикального перемещения.

Кроме того, резистивный нагреватель выполнен из изогнутых U-образных прутков тугоплавкого металла или сплава.

Кроме того, нижний резистивный нагреватель состоит из секций U-образных ламелей, количество которых соответствует количеству граней затравочного кристалла.

Кроме того, верхний резистивный и/или нижний высокочастотный нагреватели выполнены секционными с возможностью регулирования температуры по их высоте.

В устройстве для выращивания объемных кристаллов из расплава по четвертому варианту, включающем цилиндрическую камеру с крышкой и съемным дном, тепловой узел, затравкодержатель, закрепленный на штоке с возможностью вращения и вертикального перемещения, тигель для расплава, установленный на нижнем штоке с возможностью его вращения, тепловой узел выполнен в виде, по меньшей мере, одного бокового высокочастотного и, по меньшей мере, одного нижнего донно-бокового резистивного нагревателя.

Кроме того, тигель установлен на штоке с возможностью его вертикального перемещения.

Кроме того, верхний боковой индукционный и/или нижний высокочастотный нагреватели выполнены секционными с возможностью регулирования температуры по их высоте.

Кроме того, нижний донно-боковой резистивный нагреватель выполнен по форме конгруэнтным форме тигля и собран из изогнутых U-образных прутков тугоплавкого металла или сплава.

Кроме того, нижний резистивный нагреватель состоит из секций U-образных ламелей, количество которых соответствует количеству граней затравочного кристалла.

Заявляемая полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображено устройство для выращивания объемных монокристаллов по первому варианту с резистивным нагревом, на фиг.2 изображено устройство для выращивания объемных монокристаллов по второму варианту с высокочастотным нагревом, на фиг.3-4 изображены устройства для выращивания объемных монокристаллов по третьему и четвертому вариантам с комбинированным высокочастотно-резистивным нагревом, на фиг.5 - верхняя крышка токоввода, на фиг.6 - нижняя крышка токоввода, на фиг.7-9 - секции U-образных ламелей резистивных нагревателей.

Устройство для выращивания монокристаллов из расплава по первому варианту (фиг.1) включает верхнюю крышку камеры 1, верхнюю часть камеры 2, среднюю часть камеры 3, нижнюю часть камеры 4, нижнюю крышку камеры 5, верхний шток 6, верхний токоввод верхнего резистивного нагревателя 7, нижний токоввод верхнего резистивного нагревателя 8, верхний резистивный нагреватель 9, затравочный кристалл 10, растущий кристалл 11, верхний токоввод нижнего донно-бокового нагревателя 12, нижний токоввод нижнего нагревателя 13, нижний донно-боковой резистивный нагреватель 14, тигель 15, расплав 16, защиту нижнего штока 17, кольцо, стягивающее ламели нижнего нагревателя 18, нижний шток 19.

Устройство для выращивания монокристаллов из расплава по второму варианту (фиг.2) включает верхнюю крышку камеры 1, верхнюю часть камеры 2, среднюю часть камеры 3, нижнюю часть камеры 4, нижнюю крышку камеры 5, верхний шток 6, верхний высокочастотный нагреватель

20, затравочный кристалл 10, растущий кристалл 11, нижний высокочастотный нагреватель 21, тигель 15, расплав 16, защиту нижнего штока 17, нижний шток 19.

В устройстве по второму варианту (фиг.2) тепловой узел может быть выполнен в виде, по меньшей мере, одного верхнего 20 высокочастотного и, по меньшей мере, одного нижнего 21 высокочастотных нагревателей (т.е. нагреватели могут быть секционными).

Устройство для выращивания монокристаллов из расплава по третьему варианту (фиг.3) включает верхнюю крышку камеры 1, верхнюю часть камеры 2, среднюю часть камеры 3, нижнюю часть камеры 4, нижнюю крышку камеры 5, верхний шток 6, верхний токоввод верхнего резистивного нагревателя 7, нижний токоввод верхнего резистивного нагревателя 8, верхний резистивный нагреватель 9, затравочный кристалл 10, растущий кристалл 11, затравочный кристалл 10, растущий кристалл 11, нижний высокочастотный нагреватель 21, тигель 15, расплав 16, защиту нижнего штока 17, нижний шток 19.

Устройство для выращивания монокристаллов из расплава по четвертому варианту (фиг.4) включает верхнюю крышку камеры 1, верхнюю часть камеры 2, среднюю часть камеры 3, нижнюю часть камеры 4, нижнюю крышку камеры 5, верхний шток 6, верхний высокочастотный нагреватель 20, затравочный кристалл 10, растущий кристалл 11, верхний токоввод резистивного нижнего нагревателя 12, нижний токоввод нижнего нагревателя 13, нижний резистивный нагреватель 14, тигель 15, расплав 16, защиту нижнего штока 17, кольцо, стягивающее ламели нижнего резистивного нагревателя 18, нижний шток 19.

Во всех вариантах устройства тигель 15 может быть установлен на штоке 19 с возможностью его вертикального перемещения, а боковые (донно-боковые) резистивные и/или высокочастотные нагреватели могут быть выполнены секционными.

В устройстве по первому варианту донно-боковой резистивный нагреватель 14 может быть выполнен по форме конгруэнтным форме тигля и собран из изогнутых U-образных прутков тугоплавкого металла или сплава.

Ламели 9 верхних и/или нижних резистивных нагревателей установлены в верхних 7 и 12 и нижних 8 и 13 кольцах токоввода.

Кольца токоввода изготавливаются из меди. Верхнее кольцо токоввода снабжено отверстиями 22 для ламелей с винтами 23, их крепления в кольце, пазами 24 фиксации токоввода, технологическими отверстиями 25 (фиг.5).

Нижнее кольцо токоввода 8 снабжено отверстиями для прохождения ламелей 22, технологическими отверстиями 25, пазами 26, перемежающимися с выступами 27 (фиг.6).

Резистивные нагреватели, выполненные из ламелей 9 на замкнутых кольцевых токовводах, выполняют функции теплового формообразователя и определяют профиль выращиваемых монокристаллов. Для выращивания монокристаллов с кубической или гексагональной решетками общее количество ламелей кратно количеству граней монокристаллов. Ламели 9 могут быть объединены в секции, расположенные вдоль граней кристалла 11 (фиг.7, 8, 9).

Заявленные варианты устройств работают следующим образом.

Собирают тепловой узел из резистивных, высокочастотных или в их комбинации нагревателей, в нижнюю секцию 4 помещают тигель 15 с шихтой, устанавливая его на шток 19. На верхний шток 6 устанавливают затравочный кристалл 12. Включают нагреватели, причем вначале включают верхний нагреватель (резистивный 9 или высокочастотный 20) теплового узла, разогревают его до температуры около 1800°С, контролируя температуру термопарой или любым другим методом. Затем включают нижний (или донно-боковой) резистивный или высокочастотный нагреватель. Шихта в тигле 15 доводится до расплава. Опускают

затравочный кристалл в расплав. Снижают температуру на верхнем нагревателе, при этом начинается рост кристалла.

Различные варианты устройств могут обеспечить выращивание профилированных монокристаллов с огранкой разных форм, высокого качества и крупных размеров.

1. Устройство для выращивания объемных кристаллов из расплава, включающее цилиндрическую камеру с крышкой и съемным дном, тепловой узел, затравкодержатель, закрепленный на штоке с возможностью вращения и вертикального перемещения, тигель для расплава, установленный на нижнем штоке с возможностью его вращения, отличающееся тем, что тепловой узел выполнен из, по меньшей мере, двух раздельных резистивных нагревателей: донно-бокового и бокового.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что донно-боковой и/или боковой резистивные нагреватели выполнены секционными с возможностью регулирования температуры по их высоте.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что тигель установлен на штоке с возможностью его вертикального перемещения.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что донно-боковой резистивный нагреватель выполнен по форме конгруэнтным форме тигля и собран из изогнутых U-образных прутков тугоплавкого металла или сплава.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что донно-боковой и боковой резистивные нагреватели состоят из секций U-образных ламелей, количество которых соответствует количеству граней затравочного кристалла.

6. Устройство для выращивания объемных кристаллов из расплава, включающее цилиндрическую камеру с крышкой и съемным дном, тепловой узел, затравкодержатель, закрепленный на штоке с возможностью вращения и вертикального перемещения, тигель для расплава, установленный на нижнем штоке с возможностью его вращения, отличающееся тем, что тепловой узел выполнен из, по меньшей мере, двух раздельных высокочастотных нагревателей, расположенных друг над другом.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что тигель установлен на штоке с возможностью его вертикального перемещения.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что, верхний и/или нижний высокочастотные нагреватели выполнены секционными с возможностью регулирования температуры по их высоте.

9. Устройство для выращивания объемных кристаллов из расплава, включающее цилиндрическую камеру с крышкой и съемным дном, тепловой узел, затравкодержатель, закрепленный на штоке с возможностью вращения и вертикального перемещения, тигель для расплава, установленный на нижнем штоке с возможностью его вращения, отличающееся тем, что тепловой узел выполнен в виде, по меньшей мере, одного верхнего резистивного нагревателя и, по меньшей мере, одного нижнего индукционного нагревателя.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что тигель установлен на штоке с возможностью его вертикального перемещения.

11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что резистивный нагреватель выполнен из U-образных прутков тугоплавкого металла или сплава.

12. Устройство по п.9, отличающееся тем, что резистивный нагреватель состоит из секций U-образных ламелей, количество которых соответствует количеству граней затравочного кристалла.

13. Устройство по п.9, отличающееся тем, что верхний и/или нижний высокочастотный резистивный нагреватели выполнены секционными с возможностью регулирования температуры по их высоте.

14. Устройство для выращивания объемных кристаллов из расплава, включающее цилиндрическую камеру с крышкой и съемным дном, тепловой узел, затравкодержатель, закрепленный на штоке с возможностью вращения и вертикального перемещения, тигель для расплава, установленный на нижнем штоке с возможностью его вращения, отличающееся тем, что тепловой узел выполнен в виде, по меньшей мере, одного верхнего бокового высокочастотного и, по меньшей мере, одного нижнего донно-бокового резистивного нагревателя.

15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что тигель установлен на штоке с возможностью его вертикального перемещения.

16. Устройство по п.14, отличающееся тем, что верхний боковой высокочастотный и/или нижний донно-боковой резистивный нагреватели выполнены секционными с возможностью регулирования температуры по их высоте.

17. Устройство по п.14, отличающееся тем, что нижний донно-боковой резистивный нагреватель выполнен по форме конгруэнтным форме тигля и собран из изогнутых U-образных прутков тугоплавкого металла или сплава.

18. Устройство по п.14, отличающееся тем, что нижний резистивный нагреватель состоит из секций U-образных ламелей, количество которых соответствует количеству граней затравочного кристалла.