CS209598B1 - Zařízení pro pěstování monokrystalů, s vysokým bodem tuhnutí z taveniny - Google Patents

Abstract

Zařízení pro pěstování monokrystalů s vysokým bodem tuhnutí tažením z taveniny, zejména korundových, k vytvoření optimálníoh teplotních podmínek v oblasti tavenina/krystel je pěstovaoí zařízení (pec) opatřena vestavbou stínících válcových plechů, upravenýoh jednak jako vnější (4) kolem odporového topení (3) obklopujícího a převyšujícího kelímek s taveninpu, jednak jako vnitřní (5) A nad kelímkem upravenými stíníoími vodorovnými přepážkami (6) tvaru tnezikruží.

Description

Vynález se týká zařízení pro pěstování monokrystalů, s vysokým bodem tuhnutí, jejichž tavenina se zpravidla vyznačuje vysokou optickou absorpcí proti příslušnému monokrystalu.

Pěstování monokrystalů látek s bodem tání vyšším než 1500 °C je náročný technický problém. K obecným požadavkům na konstrukční materiály zařízení, regulaci příkonu a volbu vhodného prostředí přistpuje zde nutnost omezení tepelných ztrát z taveniny jakýmkoli jiným způsobem než prostou kondukcí rostoucím monokrystalem. Kondukce tepla krystalem vede totiž ve svých důsledoíoh k zvýšení nežádoucího teplotního gradientu na rozhrání taveniny a krystalu, což zamezuje buněčnému - dendritiokému růstu monokrystalu. Naopak, jakýkoli jiný způsob odvodu tepla z taveniny vede k zrychlení jejího proudění, což má za následek vzrůst koeficientu přestupu tepla mezi taveninou a krystalem s tím i snížení uvedeného teplotního gradientu, S ohledem na skutečnost, že taveniny jsou i při velmi vysokých teplotách z různých příčin prakticky neprůhledné, t.j. mají vysokou emitivitu, uplatňuje se i v případě dominujících ztrát tepla radiací jen povrchová vrstva taveniny, do které se teplo dostává téměř výhradně konvekcí. Proto je zapotřebí omezit důsledně ztráty tepla radiací, a to především při pěstování .krystalů s nízkou absorpcí, které bez ohledu na vlast ní vysokou teplotu nepředstavují pro záření z taveniny překážku, respektive teplo zpět do taveniny nevyzařují. To platí-zejména v případě monokrystalů korundu, jejichž _absorpce je, bez ohledu na případné přímSsi, většinou velmi nízká, zatímco příslušné taveniny mají abi sorpci velmi vysokou. Uvedeným podmínkám mohou známá a používaná pěstovací zařízení vyhovět jen zčásti, protože potlačení ztrát tepla z taveniny jiným způsobem než .kondukcí krystalem se snižují zároveň ztráty kondukcí. To pak způsobuje obtíže zejména při počátku pěstování, kdy malá hmota krystalu, respektive zárodku neumožňuje odvod dostatečného množství tepla z rozhraní taveniny a krystalu.

Zmíněné nedostatky odstraňuje a vytvoření velmi výhodných pěstovacíoh podmínek umožňuje zařízení píro pěstování monokrystalů s vysokým bodem tuhnutí z taveniny podle tohoto vynálezu, sestávajícího z elektrického odporového topného tělesa vytvořeného z jednoho nebo více do kruhu sestavených článků a jeho středu upraveného kelímku, se souose upravenou tažíoí tyčí, jehož podstata spočívá v tom, že horní okraj kelímku leží ve 40 až 95 % výšky topného telesa a souose s kelímkem a topným tělesem jsou upraveny plechové válce, převyšující topné těleso o 1/10 až 15/10 jeho výšky, z nichž alespoň jeden válec je upraven vhž topného tělesn a aleapcň Jeden další válec je n»d kelímkem uvnitř topného tělesa, přičemž v prostoru had kelímkem jsou umístěný alespoň dvě vodorovné přepážky tvaru mezikruží, jejichž vnitřní průměr odpovídá 25 až 100 % vnitřního průměru kelímku. Je výhodné, leží-li alespoň Jedna z vodorovných přepážek had horním okrajem topného tělesa.

V dalším je s přihlédnutím k připojenému schematickému výkresu ve svislém řezu vynález blíže popsán. Na. připojeném výkrese je zakreslen válcový kelímek 1, plášň pěstovaciho zařízení 2, topné těleso 2 vytvořené z několika do .kruhu sestavených článků, válcové plechy £ ležící vně topného tělesa válcové plechy £ ležící nad kelímkem uvnitř topného tělesa 2» vodorovné přepážky 6 tvaru mezikruží. Dále je makreslena tažící .tyč tavenina 8 v kelímku 1. a rostouc krystal 2·

Zatímco váleo nebo válce £ ležící vnž topného tělesa 2 izolují vnitřní nejteplej- ší části zařízení od okolí, zmenšuje válec nebo válce 5» ležící uvnitř topného tělesa J výměnu tepelné energie mezi topným tělesem 2 a prostorem uvnitř válců do kterého je tažen rostoucí monokrystal 2· má za následek, že na počátku pěstování je vnitřní stěna válce 2 relativně chladná a již v blízkosti hladiny taveniny 8 v kelímku 2 je dostatečně velký teplotní spád,, který zaručuje potřebnou kondukoi tepla v malém krystalu, respektive zárodku. Po svém nárůstu zaplní krystal 2 částečně prostor uvnitř válce 5, ležícího uvnitř topného tělesa 2, Símě jednak sníží přímé ztráty z těchto válců smš_ rem nahoru a dále záření, které postupuje krystalem 2 a teveninou 8 po průchodu krystalem dopadá na sněnu válce buáto se odráží nebo zvyšuje teplotu stěny. Tím automaticky stoupá teplota v prostoru těsně nad taveninou 8, což zamezuje nežádoucí ztráty tepla z taveniny, zatímco zárodečná oblast krystalu která zasahuje k horní přepážce 6 je na dostatečně nízké teplotě, zajištující relativně vysoký odvod tepla kondukoi krystalem 2· 3® výrazné zejména tehdy, když horní přepážka 6 leží nad horním okrajem topného tělesa 2· ¹

Zařízení podle vynálezu umožňuje tak pětování jakostních monokrystalů opticky transparentních látek z taveniny, která má libovolnou propustnost.

Příklad 1

Ha zařízení podle vynálezu byly pěstovány monokrystaly rubínu s obsahem 0,035 hmot.% chrómu. Zařízení sestávalo z wolframového kelímku o vnitřním průměru 100 mm a výšce 100 mm, kolem kterého bylo do kruhu upraveno odporové topné těleso z osmi wolframových smyček tvaru obráoeného ϋ o výšce 155 mm tak, še přesahovalo horní pkraj kelímku o 40 mm. Ha kelímku byla položena přepážka z molybdenového plechu se středovým otvorem o průměru 45 mm a na ni postaveno soustředně pět válců z molybdenového plechu o průměrech 48, 60, 72, 84 a 96 mm a výšce 60 mm. Ha nich byla položena další přepážka tvaru mezikruží o vnějším průměru 140 mm a vnitřním průměru 45 mm. Ha této přepážce byly umístěny dva válce z molybdenového plechu o průměrech 60 a 84 mm a výšce 100 mm. Vně topného tělesa bylo umístěno pět soustředných válců z molybdenového plechu, přesahujících těleso o 120 mm. V ose zařízení byla umístěna tažíoí tyč. Monokrystaly rubínu, pěstované na tomto mažízení v atmosféře obsahujíoí 98 obj.% helia a 2 obj.% vodíku měly průměr 32 mm a délku 1?0 mm. Monokrystaly až na 15 mm dlouhou část v sousedství zárodku .byly prosté buněk a strukturních vad. . - .

Příklad 2

Bylo použito zařízení stejné jako v příkladu 1 s tím rozdílem, že místo pěti váleů byly na stejném místě upraveny dva válce o. průměrech 60 a 96 mm. Ha tomto zařízení byly pěstovány monokrystaly safíru o průměru 32 mm a délce 180 mm zcela prosté buněk _a strukturních vad.

Claims (2)

1, Zařízení pro pěstování monokrystalů s vysokým bodem tuhnutí z taveniny, sestávající z elektrického odporového topného tělesa vytvořeného m jednoho nebo více do kruhu sestavených článků a v jeho středu upraveného kelímku, se souose upra vénou tažící tyčí, vyznačené tím, že horní pkraj kelímku'(1) leží vo 40 až 95 % výš ky topného tělesa (.3) a souose s .kelímkem (1) a topným tělesem (3) jsou upraveny plechové válce (4 a 5), převyšující topné těleso (3) o 1/10 až 15/10 jeho výšky, z niohž alespoň jeden válec (4) je upraven vně topného tělesa (3) a alespoň jeden další válec (5) je nad kelímkem (1) uvnitř topného tělesa (3), přičemž v prostoru nad kelímkem (1) jsou umístěny alespoň dvě vodorovné přepaž,ky (6) tvaru mezikruží, jejichž vnitřní průměr odpovídá 25 až 100 % vnitřního průměru kelímku (1) .

2. Zařízení podle bodu 1 vyznačené tím,· že alespoň jedna z vodorovných přepážek (6) je upravena nad horním okrajem topného tělesa (3)