ES2294131T3 - Dispositivo para producir cristales granulares del tipo tubo de caida libre. - Google Patents
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Abstract
Un dispositivo para producir un cuerpo cristalino en forma de partículas de tipo tubo de caída, para crear un cuerpo cristalino considerablemente esférico mediante solidificación de una masa fundida en forma de partículas de un material inorgánico, al tiempo que se deja caer libremente en el interior de un tubo de caída, en el que: se proporciona un medio de formación de flujo de gas para provocar un flujo de gas inerte de refrigeración, desde la parte superior hasta la parte inferior, en el interior de dicho tubo de caída; y dicho tubo de caída presenta un tubo de refrigeración, cuyo área de corte transversal se hace más pequeña hacia la parte inferior, de manera que la velocidad de flujo de gas de refrigeración se hace considerablemente igual a la velocidad de caída libre de dicha masa fundida en forma de partículas, y un tubo de solidificación que está conectado al extremo inferior del tubo de refrigeración y que presenta un área de corte transversal aumentada, de manera discontinua, desde el extremo inferior del tubo de refrigeración.
Description
Dispositivo para producir cristales granulares
del tipo tubo de caída libre.
El presente invento se refiere a un dispositivo
para producir un cuerpo cristalino en forma de partículas de tipo
tubo de caída, para crear un cuerpo cristalino considerablemente
esférico mediante solidificación de una masa fundida en forma de
partículas de un material inorgánico, al tiempo que se permite que
caiga libremente en el interior del tubo de caída, y más
particularmente se refiere a un dispositivo para producir un cuerpo
cristalino en forma de partículas de tipo tubo de caída que está
configurado para que el gas de refrigeración de la masa fundida que
cae fluya, a considerablemente la misma velocidad, en la misma
dirección de caída de la masa fundida.
La publicación de patente de EE.UU. Nº.
4.322.379 describe una tecnología para producir cristales con forma
de lágrima considerablemente uniforme, en los que se calienta
silicio semiconductor en el interior de la parte final superior de
un tubo de caída de cuarzo con el fin de obtener una masa fundida,
se provoca la acción de la presión de gas de helio sobre esta masa
fundida, y se permite que la masa fundida obtenida de esta forma
fluya libremente hacia el interior del tubo de caída y solidifique
durante la caída. No obstante, la masa fundida en forma de
partículas no experimenta micro-gravedad ya que
soporta la resistencia frente a la caída que ofrece el gas en el
interior del tubo de caída.
El inventor del presente invento ha descrito un
dispositivo para producir un cristal esférico de tipo tubo de
caída, capaz de producir cristales sencillos de semiconductor en
forma de partículas, como se indica en la publicación de patente de
EE.UU. Nº. 6.204.545. En este dispositivo para producir el cristal
esférico, se convierte un material particulado semiconductor en una
masa fundida en estado de flotación en la parte final superior de
un tubo de caída de una longitud aproximada de 14 metros, y se
permite que caiga libremente en el interior del tubo de caída y se
solidifique por microgravedad al tiempo que cae, por medio de
refrigeración por radiación, para obtener un cristal sencillo
semiconductor esférico. El tubo de caída de este dispositivo para
producir el cristal esférico está configurado para que tenga el
mismo diámetro a lo largo de toda su longitud, pero no para
refrigerar la masa fundida mediante la utilización de gas de
refrigeración.
En este tipo de dispositivos para producir
cristales esféricos, simplemente se refrigera una masa fundida en
forma de partículas, mediante refrigeración por radiación, lo que
supone un dilatado tiempo de refrigeración y requiere un tubo de
caída largo, haciendo que el coste de equipamiento sea elevado.
Además, resulta difícil refrigerar toda la masa fundida de forma
regular. En el caso de una masa fundida de silicio o similar, la
masa fundida tiene la propiedad de expandirse cuando solidifica, de
forma que, con facilidad, la refrigeración de la masa fundida
completa distorsiona irregularmente la forma del cristal esférico
solidificado.
En la publicación de patente de EE.UU. Nº.
6.106.614 se propone un dispositivo para producir un cristal
esférico de tipo torre de caída. En este dispositivo, se
proporciona un crisol de cuarzo sobre el extremo superior de una
torre de caída, se suministra un semiconductor pulverulento (por
ejemplo, silicio semiconductor) al crisol desde el exterior, y al
mismo tiempo se funde el semiconductor, y se añade vibración a la
masa fundida en el interior del crisol mediante un mecanismo de
adición de vibración, en el que se permite que la masa fundida en
forma de partículas fluya en el interior de la torre de caída desde
una boquilla localizada en el extremo inferior del crisol. En una
zona de nucleación en la sección media de la torre de caída, se
proporcionan medios de formación de flujo de gas refrigerante para
generar un flujo de gas inerte que va desde la parte inferior hasta
la parte superior, y medios de generación de cristal seminal para
generar un cristal seminal en la masa fundida en forma de partícula
que está cayendo. La masa fundida en forma de partículas que cae en
el interior de la torre de caída se refrigera hasta un estado
sobre-enfriado en la zona de nucleación por medio
de gas refrigerante, y cuando el medio de generación de cristal
seminal genera el cristal seminal mediante la adición de de un
estímulo a la masa fundida en forma de partículas que se encuentra
en estado sobre-enfriado, la masa fundida en forma
de partículas se solidifica y se convierte en un cristal esférico.
En la parte inferior de la torre de caída, se proporciona una zona
de disipación del momento para disipar el momento del cristal
esférico, y esta zona de disipación del momento se proporciona con
un tramo curvado que cambia la dirección de movimiento del cristal
esférico desde la dirección vertical hasta la dirección horizontal,
y un medio de formación de flujo de gas para reducir la velocidad,
que genera un flujo de gas inerte que va desde la parte inferior
hasta la parte superior.
No obstante, en el dispositivo para producir el
cristal esférico de esta publicación de patente, el flujo del gas
refrigerante que va en sentido opuesto a la dirección de caída de la
masa fundida actúa sobre la masa fundida en forma de partículas que
cae en el interior de la zona de nucleación, de manera que el estado
de caída de la masa fundida se convierte en un estado de caída
libre diferente. Igualmente una fuerza externa actúa sobre la masa
fundida en forma de partículas que cae, de manera que la estructura
del interior de la masa fundida varía fácilmente, y la forma del
cristal esférico solidificado se distorsiona fácilmente. De esta
forma, no necesariamente se obtiene un cristal sencillo.
El objeto del presente invento es proporcionar
un dispositivo para producir un cuerpo cristalino en forma de
partículas de tipo tubo de caída, capaz de mantener la microgravedad
creada por la caída libre de la masa fundida, y al mismo tiempo
refrigerar la masa fundida en forma de partículas por medio de gas
refrigerante. Otro objeto del presente invento es proporcionar un
dispositivo para producir un cuerpo cristalino en forma de
partículas de tipo tubo de caída, capaz de crear un cristal seminal
mediante la aplicación de un impacto sobre la masa fundida en un
estado sobre-enfriado por medio de un gas de
refrigeración.
Otro objeto del presente invento es proporcionar
un dispositivo para producir un cuerpo cristalino en forma de
partículas de tipo tubo de caída, capaz de acortar la altura del
tubo de caída a través de la refrigeración por medio de gas
refrigerante.
Otro objeto del presente invento es proporcionar
un dispositivo para producir un cuerpo cristalino en forma de
partículas de tipo tubo de caída, para reducir el consumo de gas
haciendo circular el gas de refrigeración y para estabilizar la
presión de gas siendo capaz de controlarla.
\vskip1.000000\baselineskip
Se proporciona un dispositivo para producir un
cuerpo cristalino en forma de partículas de tipo tubo de caída de
acuerdo con el presente invento, que crea un cuerpo cristalino
considerablemente esférico solidificando una masa fundida en forma
de partículas de un material inorgánico al tiempo que permite que
caiga libremente en el interior de un tubo de caída, con un medio
de formación de flujo de gas para formar, en el interior del tubo
de caída, un flujo de gas refrigerante que va desde la parte
superior hasta la parte inferior, y el tubo de caída tiene un tubo
de refrigeración, cuyo área transversal se hace más pequeña hacia la
parte inferior de forma que la velocidad de flujo de gas de
refrigeración se hace considerablemente igual a la velocidad de
caída de la masa fundida en forma de partículas, y un tubo de
solidificación que se encuentra conectado al extremo inferior del
tubo de refrigeración y que tiene un área transversal alargada de
forma discontinua desde el extremo inferior del tubo de
refrigeración.
El flujo de gas de refrigeración que va desde la
parte superior hasta la parte inferior se forma en el interior del
tubo de caída gracias al medio de formación del flujo de gas. Entre
el tubo de caída, el tubo de refrigeración tiene un área
transversal que se hace más pequeña hacia la parte inferior de
manera que la velocidad de flujo de gas de refrigeración se hace
considerablemente igual a la velocidad de caída libre de la masa
fundida, haciéndose de esta forma la velocidad de flujo de gas de
refrigeración considerablemente igual a la velocidad de caída de la
masa fundida en el tubo de refrigeración. Por tanto, durante la
caída de la masa fundida en el interior del tubo de refrigeración,
la masa fundida en forma de partículas se enfría por medio del gas
de refrigeración al tiempo que mantiene la microgravedad creada por
la caída libre y evoluciona hacia un estado
sobre-enfriado.
El tubo de solidificación del tubo de caída está
conectado al extremo inferior del tubo de refrigeración mencionado
anteriormente y tiene un área transversal alargada de forma
discontinua desde el extremo inferior del tubo de refrigeración.
Por tanto, cuando el gas penetra en el tubo de solidificación desde
el tubo de refrigeración, su velocidad de flujo se reduce de manera
discontinua, y la presión del gas de refrigeración se reduce de
forma discontinua. Por consiguiente, una vez que la masa fundida en
microgravedad y en estado sobre-enfriado penetra en
el interior del tubo de solidificación, actúa una fuerza de impacto
sobre la masa fundida, en la que se genera un núcleo cristalino, en
cuyo punto la masa fundida esférica se cristaliza de manera sencilla
e inmediata y se convierte en un cuerpo cristalino
considerablemente esférico.
Igual que anteriormente, la masa fundida en
forma de partículas se enfría por medio del gas de refrigeración, y
dado que la masa fundida se mantiene en estado de caída libre en el
que la resistencia del gas es baja, es posible producir el cuerpo
cristalino cristalizado de forma sencilla y considerablemente
esférico. Además, se aplica un impacto a la masa fundida llevada
hasta el estado sobre-enfriado por medio del gas de
refrigeración para generar el núcleo cristalino, imponiéndose de
esta forma el cristal de una vez y pudiéndose producir el cuerpo
cristalino. De manera adicional, con el fin d e refrigerar de manera
eficaz la masa fundida por medio del gas de refrigeración, es
posible reducir el tiempo de refrigeración y acortar de manera
significativa la altura del tubo de caída, rebajando de este modo
el coste de equipamiento.
Ahora, pueden aplicarse las diferentes
configuraciones al presente invento.
(a) El medio de formación del flujo de gas se
proporciona con un conducto externo conectado en paralelo al tubo
de caída, y con un ventilador de circulación de gas.
(b) Se proporciona una parte anular para la
introducción de gas conectada al conducto externo en el extremo
superior del tubo de caída.
(c) Se proporciona un mecanismo reductor de la
velocidad para disminuir rápidamente la velocidad del flujo de gas
refrigerante en el interior del tubo de solidificación.
(d) El mecanismo reductor de la velocidad tiene
un miembro de reducción de la velocidad parcialmente esférico que
incluye un parte de revestimiento dispuesta ortogonalmente con
respecto al flujo de gas de refrigeración en el interior del tubo
de refrigeración.
\newpage
\global\parskip0.930000\baselineskip
(e) La masa fundida semiconductora en forma de
partículas se lleva hasta un estado sobre-enfriado
cuando cae en el interior del tubo de refrigeración y se solidifica
rápidamente mediante impacto cuando se reduce rápidamente la
velocidad de caída en el interior del tubo de solidificación.
(f) Se proporciona el medio de formación de
flujo de gas con un dispositivo de refrigeración para enfriar el
gas de refrigeración.
(g) El material inorgánico es un semiconductor.
El semiconductor es silicio.
(h) El gas de refrigeración es gas de helio o
gas de argón.
(i) El medio de formación de flujo de gas tiene
un medio para ajustar la presión-temperatura que
permite regular la presión de gas y la temperatura del gas de
refrigeración en el interior del tubo de caída.
(j) Se proporciona un dispositivo de formación
de masa fundida para crear una masa fundida en forma de partículas
y hacerla caer en el interior del tubo de caída, estando conectado
el dispositivo de formación de masa fundida con el extremo superior
del tubo de caída.
La Fig. 1 es una vista de un corte transversal
de un dispositivo para producir un cuerpo cristalino en forma de
partículas de tipo tubo de caída de acuerdo con una realización del
presente invento, y la Fig. 2 es un dibujo explicatorio que ilustra
una forma de corte transversal del tubo de caída de un ejemplo
modificado.
A continuación, se describe el mejor modo de
implementar el presente invento con referencia a los dibujos.
Este dispositivo para producir un cuerpo
cristalino en forma de partículas de tipo tubo de caída funde la
materia prima de un material inorgánico en un crisol, deja caer la
masa fundida en forma de partículas desde una boquilla, y
solidifica el material fundido en forma de partículas al tiempo que
lo deja caer libremente en el interior del tubo de caída, para
producir de manera continua una cuerpo cristalino considerablemente
esférico formado por un cristal sencillo con el material inorgánico.
El cuerpo cristalino considerablemente esférico presenta un
diámetro de aproximadamente 600 a 1500 \mum.
La presente realización se refiere al
dispositivo 1 para producir un cuerpo cristalino en forma de
partículas de tipo tubo de caída como ejemplo, en el que se emplea
un semiconductor como material inorgánico, y se emplea silicio de
tipo-p o de tipo-n como
semiconductor, para producir un cuerpo considerablemente esférico
con un cristal sencillo de silicio.
Como se observa en la Fig. 1, el dispositivo 1
para producir un cuerpo cristalino en forma de partículas de tipo
tubo de caída comprende un dispositivo 2 de formación de masa
fundida en el que se funde silicio y se conforma una cantidad fija
de masa fundida obtenida de este modo y se deja caer, un tubo de
caída 3, un mecanismo 4 de formación de flujo de gas para
conformación en el interior del tubo de caída 3, un flujo de gas de
refrigeración que va desde la parte superior hasta la parte
inferior, un mecanismo de recuperación 5 localizado en la parte
inferior del tubo de caída 3.
En primer lugar, se describe el dispositivo 2 de
formación de masa fundida.
El dispositivo 2 de formación de masa fundida
comprende un crisol de cuarzo 10, una boquilla 10a que se extiende
integralmente en sentido descendente desde la parte del extremo
inferior del crisol 10, un generador 11 de calor de carbón para
cubrir el crisol 10 y la circunferencia externa de la boquilla 10a,
una pantalla 12 de blindaje térmico que recubre la circunferencia
externa del generador 11 de calor de carbón, un cuerpo 14 de
formación de conducto anular que está fabricado de cristal de cuarzo
y que forma un conducto 13 anular de agua de refrigeración, un
primer serpentín 15 de calefacción de alta frecuencia colocado sobre
el lado de circunferencia externa del crisol 10 en el exterior de
cuerpo 14 de formación de conducto, un segundo serpentín 16 de
calefacción de alta frecuencia colocado sobre el lado de
circunferencia externa de la boquilla 10a en el exterior del cuerpo
14 de formación de conducto, una tolva 18 de suministro de materia
prima y un tubo 18a de suministro de materia prima para suministrar
una materia prima 17 de silicio al crisol 10, un vibrador vertical
19 para aplicar vibración vertical al silicio en estado fundido en
el interior del crisol 10, un sensor 21 de temperatura infrarrojo
para medir la temperatura del silicio 17a en estado fundido en el
interior del crisol 10, un dispositivo 23 de suministro de gas para
suministrar gas inactivo, tal como gas de helio o gas de argón, a
una cámara 22, un sistema 24 de suministro de agua de refrigeración
para suministrar agua de refrigeración al conducto 13 de agua de
refrigeración, etc.
La tolva 18 de suministro de materia prima
contiene la materia prima 17 de silicio semiconductor en forma de
polvo, partículas, o escamas y aplica vibración a la materia prima
17 por medio del generador de vibración 18b y suministra la materia
prima 17 desde el tubo de suministro 18a al crisol 10, poco a poco,
a una velocidad de suministro predeterminada. El tubo de suministro
18a está provisto de un conducto de gas que conduce el gas inerte
de dentro de la cámara 22 hacia el interior de la tolva 18 de
suministro de materia prima.
\global\parskip1.000000\baselineskip
El crisol 10 se encuentra ubicado en el interior
de la cámara 22 que tiene una estructura hermética. En la cámara
22, se rellena el gas inerte suministrado a partir del dispositivo
23 de suministro de gas de manera que el oxígeno del aire no se
mezcle con la materia prima 17 de silicio o con la masa fundida 17a.
En el generador 11 de calor de carbón, se genera una corriente
inducida por medio de un campo magnético fluctuante, con una elevad
frecuencia generada en el primer y segundo serpentines 15 y 16 de
calefacción de elevada frecuencia, y el generador 11 de calor de
carbón produce calor mediante el calor de resistencia generado
cuando se produce el flujo de esta corriente inducida. La pantalla
12 de blindaje térmico está formada por molibdeno o tántalo con una
resistencia térmica excelente y con propiedades reflectoras de calor
radiante.
La materia prima 17 de silicio alimentada al
crisol 10 es aplicada por parte del primer serpentín 15 de
calefacción de alta frecuencia y del generador 11 de calor de
carbón, con un calor de aproximadamente 1420º centígrados y se
funde. A continuación, el sensor 21 de temperatura infrarrojo
detecta la temperatura del silicio en estado fundido, y el
dispositivo de control 70 regula el primer y segundo serpentines 15
y 16 de calefacción de elevada frecuencia, con el fin de mantener
el intervalo de temperatura anterior. El vibrador vertical 19 es
conducido a la parte 20 de generación de vibración, siendo
provocada la vibración por parte de un magnetoestrictor o
solenoide, y se aplica vibración o presión en un ciclo
predeterminado al silicio 17a en estado fundido en el interior del
crisol 10, cayendo de este modo una masa 25 fundida de silicio en
forma de partículas desde el borde de la boquilla 10a. Reduciendo
la duración del ciclo de vibración del vibrador vertical 19 o
reduciendo la amplitud de vibración se reduce la masa 25 fundida en
forma de partícula a su diámetro, y por otra parte el diámetro de
partícula se aumenta alargando el ciclo de vibración o aumentando la
amplitud de vibración, de esta forma el dispositivo de control 70
regula el vibrador vertical 19, de manera que, mediante la
regulación del ciclo de vibración o de la amplitud, se ajusta el
tamaño de partícula de la masa fundida 25 que experimenta caída.
El dispositivo 23 de suministro de gas presenta
un tubo de suministro de gas comunicado desde una botella 23a de
gas inerte hasta una cámara 22, y dos, por ejemplo, tubos 27 de
introducción de gas que comunican con un cámara 26 de comienzo de
caída extendiéndose en sentido descendente desde la parte superior
de la cámara 22. La masa 25 fundida en forma de partículas, que se
deja caer desde la boquilla 10a hacia el interior de la cámara 26
de comienzo de caída, cae libremente hacia el interior de la parte
superior del tubo de caída 3, a través de un conducto estrecho 28
que constituye un conducto de salida del dispositivo 2 de formación
de masa fundida. El gas inerte del interior de la cámara 26 de
comienzo de caída también fluye hacia el interior de la parte
superior del tubo de caída 3 a través del conducto estrecho 28.
En segundo lugar, se describe el tubo de caída
3.
El tubo de caída 3 presenta forma de tubería
hecha de lámina de acero inoxidable, por ejemplo, y tiene un tubo
de introducción 30, en la parte del extremo superior, que está
conectado con el conducto estrecho 28, y por el que se introduce la
masa 25 fundida en forma de partículas, un tubo de refrigeración 31,
cuyo área de corte transversal se hace más pequeña hacia la parte
inferior, de manera que la velocidad de flujo del gas de
refrigeración (gas de helio o gas de argón) se hace
considerablemente igual a la velocidad de caída libre de la masa 25
fundida en forma de partículas, y un tubo de solidificación 32, que
está conectado al extremo inferior del tubo de refrigeración 31 y
cuyo área de corte transversal se encuentra alargada de forma
discontinua desde el extremo inferior del tubo de refrigeración
31.
La masa 25 fundida en forma de partículas
generada en el dispositivo 2 de formación de masa fundida se
refrigera por medio del gas de refrigeración durante la caída libre
en el interior del tubo de refrigeración 31 y también se refrigera
mediante la refrigeración por radiación y de esta forma adquiere un
estado sobre-enfriado, y además cae en el interior
del tubo de solidificación 32. Se genera un cristal seminal por
impacto al caer sobre el gas de refrigeración en el interior del
tubo de solidificación 32, que tiene un presión mayor que la
presión de gas de refrigeración del interior del tubo de
refrigeración 31, y a continuación la masa 25 fundida en forma de
partículas se convierte en un cuerpo cristalino 25a formado por un
cristal sencillo esférico o en forma de partículas, debido al
crecimiento instantáneo del cristal que da lugar al cristal
seminal.
El resto de partes distintas de la parte del
extremo inferior del anterior tubo de refrigeración 31 está
configurado con una forma cónica de forma que su diámetro se hace
más pequeño hacia la parte inferior, y la parte del extremo
inferior del tubo de refrigeración 31 está configurada para disponer
de un diámetro considerablemente uniforme. No obstante, la parte
del extremo inferior de este tubo de refrigeración 31 también puede
estar configurada con forma cónica de manea que el su diámetro se
haga más pequeño hacia la parte inferior.
El tubo de introducción 30 se encuentra
dispuesto coaxialmente con el tubo de refrigeración 31, y dos
terceras partes de la sección inferior del tubo de introducción 30
están insertadas en la parte del extremo superior del tubo de
refrigeración 31, y el extremo inferior del tubo de introducción 30
está abierto hacia el interior del tubo de refrigeración 31.
El tubo de refrigeración 31 presenta una altura
de aproximadamente 5 a 8 metros y en el interior de su parte de
extremo superior hay una parte 33 anular de introducción de gas para
introducir el gas de refrigeración entre el tubo de introducción 30
y la parte del extremo superior del tubo de refrigeración 31. Con
objeto de establecer comunicación, el extremo superior del tubo de
solidificación 32 se encuentra conectado con el extremo inferior
del tubo de refrigeración 31, la parte de la mitad superior del tubo
de solidificación 32 está configurada para tener forma semiesférica
con un diámetro que es cuatro veces mayor que el de la parte del
extremo inferior del tubo de refrigeración 31, mientras que la parte
de la mitad inferior del tubo de solidificación 32 está configurada
para tener una forma cilíndrica con un diámetro igual que el de la
parte de la mitad superior del tubo de solidificación 32, y el
extremo inferior del tubo de solidificación 32 está provisto con
una pared de base 34.
De pronto, el área de corte transversal del tubo
de solidificación 32 es grande de manera discontinua, en
comparación con el área de corte transversal del extremo inferior
del tubo de refrigeración 31. Por tanto, cuando se reduce
repentinamente de manera discontinua la velocidad de flujo de gas de
refrigeración al entrar en el tubo de solidificación 32, y después,
se proporciona un mecanismo 35 de reducción de la velocidad para
disminuir de forma rápida la velocidad de flujo de gas de
refrigeración en el interior de la parte de mitad inferior del tubo
de solidificación 32. Este mecanismo 35 de reducción de la velocidad
tiene un miembro 36 de reducción parcialmente esférico que incluye
una parte de revestimiento 36a dispuesta ortogonalmente al flujo de
gas de refrigeración del interior del tubo de refrigeración 31. Este
miembro 36 de reducción de la velocidad está formado por una lámina
de acero inoxidable que tiene un espesor de 0,1 a 0,2 mm, y ofrece
un efecto amortiguador provocado mediante deformación elástica. Se
provoca la firme colisión entre el cuerpo 25a cristalino (esférico)
en forma de partículas producido mediante solidificación de la masa
25 fundida en forma de partículas y la parte de mitad superior del
tubo de solidificación 32. El lado de la cara inferior del miembro
36 de reducción de velocidad está provisto de un cilindro 37 que
soporta el miembro 36 de reducción de la velocidad y forma un
conducto para el gas de refrigeración.
A continuación se describe el mecanismo 4 de
formación de flujo de gas.
El mecanismo 4 de formación de flujo de gas es
para formar, en el interior del tubo de caída 3, un flujo de gas de
refrigeración (gas de helio o gas de argón) que va desde arriba
hacia abajo. El mecanismo 4 de formación del flujo de gas comprende
una pluralidad de conductos externos 40 (por ejemplo, cuatro)
conectados en paralelo al tubo de caída 3, y un ventilador 41 de
circulación de gas dispuesto en el interior del cilindro 37.
Con objeto de establecer comunicación, los
extremos superiores de la pluralidad de conductos externos 40 están
conectados a la parte 33 anula de introducción de gas, mientras que
los extremos inferiores de la pluralidad de conductos externos 40
están comunicados con un conducto de gas 38 en el interior de
cilindro 37, y en la parte superior del cilindro 37 existe una
pluralidad de aberturas de conducto 42 que introducen el gas de
refrigeración de dentro de la parte de mitad inferior del tubo de
solidificación 32 en el conducto de gas 38. El gas de
refrigeración, tal como gas de helio o gas de argón, se introduce
mediante un tubo 44 de suministro de gas desde la botella 43 a la
parte del extremo superior de conducto externo 40, manteniendo
abierta si para ello fuese necesario una válvula de
apertura-cierre 42. Se proporciona un dispositivo de
refrigeración 45 para enfriar el gas de refrigeración, ya que el
gas de refrigeración que fluye al interior del tubo de caída 3 se
va calentando de manera gradual. Este dispositivo de refrigeración
45 está formado por un tubo 45a de refrigeración de agua, montado
sobre la parte de fuera del conducto externo 40 y un sistema de
suministro de agua para alimentar agua de refrigeración al tubo 45a
de refrigeración de
agua.
agua.
Además, con objeto de ajustar la presión de gas
de refrigeración en el interior del tubo de caída 3, se proporciona
un dispositivo 46 de ajuste de la presión (medio de ajuste de
presión). El dispositivo 46 de ajuste de presión está formado por
un tubo de succión 47 conectado a un conducto externo 40, una
válvula de apertura-cierre 48, una bomba de vacío
49 y un su motor de accionamiento 49a, etc.
A continuación, se describirá el mecanismo de
recuperación 5 del cuerpo cristalino 25a. El mecanismo de
recuperación 5 tiene un obturador de
apertura-cierre 50 para abrir y cerrar un orificio
de recuperación sobre la pared de base 34 del tubo de
solidificación 32, un accionador de solenoide 51 para activar el
obturador de apertura-cierre 50, un canal de
recuperación 52 que se extiende desde la parte inferior del orificio
de recuperación hasta el exterior, un válvula de obturador 53 capaz
de abrir y cerrar el canal de recuperación 52, y una caja de
recuperación 54a para recuperar el cuerpo cristalino 25a que es
descargado desde el canal de recuperación 52.
A continuación, se describirán los sensores y el
sistema de control.
En primer lugar, en cuanto a los sensores, se
proporciona un sensor 60 de temperatura infrarrojo para medir la
temperatura de la masa 25 fundida en forma de partículas
inmediatamente después de que caiga desde la cámara 26 de inicio de
caída, un sensor 61 de temperatura infrarrojo para medir la
temperatura de la masa 25 fundida en forma de partículas cuando cae
en la parte intermedia del tubo de refrigeración 31, un sensor 62 de
temperatura infrarrojo para medir la temperatura de la masa 25
fundida en forma de partículas al caer en la parte del extremo
inferior del tubo de refrigeración 31, un sensor de temperatura 63,
tal como un termistor, para medir la temperatura del gas de
refrigeración en el interior del conducto de introducción 33, un
sensor de presión 64 para detectar la presión de gas de
refrigeración en el interior del tubo de solidificación 32, y otros
sensores. Las señales detectadas de estos sensores y el sensor 21 de
temperatura infrarrojo del dispositivo 2 de formación de masa
fundida son enviados al dispositivo de control 70.
El primer y segundo serpentines 15 y 16 de
calentamiento de alta frecuencia, el generador de vibración 18b, y
la parte 20 de generación de vibración del vibrador vertical 19 en
el dispositivo 2 de formación de masa fundida están controlados
durante la operación de accionamiento por el dispositivo de control
70.
\newpage
Además, el motor de accionamiento 41a que hace
funcionar el ventilador 41 de circulación de gas, el motor de
accionamiento 49a de la bomba de vacío 49, el accionador de
solenoide 51, y la válvula de obturador 53 están también
controlados durante la operación de accionamiento mediante el
dispositivo de control 70.
A continuación, se describirán las funciones y
ventajas del dispositivo 1 para producir un cuerpo cristalino en
forma de partículas de tipo tubo de caída.
Antes de comenzar a utilizar el dispositivo 1
para producir un cuerpo cristalino en forma de partículas de tipo
tubo de caída, tras la succión del aire al interior del tubo de
caída 3 o al conducto externo 40 por medio de la bomba de vacío 49
al tiempo que se suministra gas inerte al interior de la cámara 22
del dispositivo 2 de formación de masa fundida, se suministra gas
de refrigeración desde la botella 43 y desde el tubo 44 de
suministro de gas, sustituyéndose de este modo el aire del interior
por el gas de refrigeración, tal como gas de helio o gas de argón,
para hacer que la presión de gas de refrigeración en el interior del
tubo de caída 3 sea una presión predeterminada igual o menor que la
presión ambiental o una presión predeterminada de considerablemente
la presión ambiental.
A continuación, se hace circular agua de
refrigeración en el interior del conducto 13 de agua de
refrigeración, se suministra la materia prima 17 de silicio al
crisol 10, se suministra corriente de alta frecuencia al primer y
segundo serpentines 15 y 16 de calentamiento de alta frecuencia para
comenzar el calentamiento en un estado en el que se activa el
ventilador 41 de circulación de gas, y cuando la materia prima 17
pasa al estado fundido, se hace vibrar el vibrador vertical 19 en
un ciclo predeterminado y se deja caer, de forma secuencial, la
masa 25 fundida en forma de partículas desde la boquilla 10a.
El tubo de refrigeración 31 del tubo de caída 3
está configurado de tal forma que su área de corte transversal se
reduzca gradualmente en sentido descendente, con el fin de que la
velocidad de flujo del gas de refrigeración que fluye en el
interior del tubo de refrigeración 31 se convierta en la velocidad
de caída libre de la masa 25 fundida en forma de partículas. Por
tanto, cuando la masa 25 fundida en forma de partículas cae
libremente en el interior del tubo de refrigeración 31, el gas de
refrigeración también fluye en sentido descendente a
considerablemente la misma velocidad que la masa 25 fundida en forma
de partículas, por lo que apenas se genera un velocidad relativa
entre la masa 25 fundida en forma de partículas que cae libremente y
el gas de refrigeración. Aunque la masa 25 fundida en forma de
partículas es refrigerada eficazmente por parte del gas de
refrigeración, apenas actúa una fuerza externa sobre la masa 25
fundida en forma de partículas del gas de refrigeración. Cuando la
masa 25 fundida en forma de partículas cae libremente en el interior
del tubo de refrigeración 31, la masa 25 fundida en forma de
partículas cae mientras que se mantiene la microgravedad creada por
la caída libre sin que se produzca afección por la gravedad o por
fuerzas externas, de modo que la masa 25 fundida en forma de
partículas cae, manteniendo una forma considerablemente esférica a
través de la tensión superficial. Además, la masa 25 fundida en
forma de partículas se refrigera hasta un estado
sobre-enfriado antes de alcanzar el extremo
inferior del tubo de refrigeración 31.
Aquí, en comparación con el área de corte
transversal de la parte del extremo inferior del tubo de
refrigeración 31, de repente el área de corte transversal del tubo
de solidificación 32 es grande de manera discontinua, de manera que
la velocidad de flujo de gas de refrigeración se reduce
repentinamente de manera discontinua una vez que se produce la
entrada en el tubo de solidificación 32, y también se reduce
rápidamente por el miembro 36 de reducción de velocidad que tiene
la parte de revestimiento 36a dispuesta ortogonalmente al flujo de
gas de refrigeración en el interior del tubo de refrigeración 31.
Por tanto, la presión de gas de refrigeración en el interior del
tubo de solidificación 32 aumenta de repente de forma discontinua,
en comparación con la presión de gas de refrigeración en la parte
del extremo inferior del tubo de refrigeración 31. Por consiguiente,
una leve fuerza de impacto actúa sobre la masa 25 fundida en forma
de partículas que cae en el interior del tubo de solidificación 32.
A continuación, se genera un núcleo de cristal en el punto en el que
la masa 25 fundida en forma de partículas colisiona por primera
vez, teniendo lugar la cristalización de manera inmediata,
comenzando en este núcleo de cristal, y la masa 25 fundida en forma
de partículas, que se encuentra en estado
sobre-enfriado hasta que alcanza la parte de
revestimiento 36a, se convierte en el cuerpo 25a cristalino esférico
formado por un cristal sencillo.
Nótese que, cuando la masa 25 fundida en forma
de partículas relativamente grandes o similar colisiona con la
parte de revestimiento 36a del miembro 36 de reducción de velocidad
en un estado en el que la masa 25 fundida en forma de partículas no
está suficientemente cristalizada, el crecimiento del cristal
progresa debido al impacto de la colisión, de manera que se obtiene
de forma inmediata el cuerpo 25a cristalino esférico formado por un
cristal
sencillo.
sencillo.
Aquí, se detecta la temperatura de cada masa 25
fundida en forma de partículas basándose en las señales detectadas
por los sensores 60 a 62 de temperatura infrarrojos. Cuando resulta
necesario reducir la temperatura del gas de refrigeración, se eleva
la capacidad de refrigeración del dispositivo de refrigeración
45.
Además, debido a que es posible calcular la
velocidad de caída de la masa 25 fundida en forma de partículas
basándose en las señales detectadas por los sensores 60 a 62 de
temperatura infrarrojos, cuando la velocidad de caída de la masa 25
fundida en forma de partículas es mayor que la velocidad de caída,
debe controlarse el motor de accionamiento 41a con el fin de
reducir el número de revoluciones del ventilador 41 de circulación
de gas.
Como anteriormente, es posible producir un
cuerpo 25a cristalino considerablemente esférico mediante
refrigeración de la masa 25 fundida en forma de partículas, por
medio del gas de refrigeración y sobre-enfriándolo,
mientras que la masa fundida en forma de partículas mantiene el
estado de caída libre. Además, se aplica un impacto a la masa 25
fundida en forma de partículas, que está en estado
sobre-enfriado, por medio del gas de refrigeración
para generar un núcleo cristalino, acelerando de este modo el
crecimiento del cristal, de manera que puede producirse el cuerpo
cristalino 25a. Además, dado que la refrigeración de la masa 25a
fundida en forma de partículas por medio del gas de refrigeración
se lleva a cabo de manera eficaz, es posible acortar la duración
del tiempo de refrigeración, y también puede reducirse la altura del
tubo de caída 3 de manera significativa, reduciéndose de este modo
el coste de equipamiento.
Además, se reduce el consumo de gas de
refrigeración debido a la circulación de gas refrigeración, y es
posible controlar la presión o el volumen de llenado y la
temperatura del gas de refrigeración, y de este modo es posible
estabilizar la presión de gas de refrigeración.
A continuación, se explican ejemplos modificados
que modifican parcialmente el ejemplo anterior.
1) El dispositivo 1 de formación de masa fundida
anterior muestra un ejemplo, esto es un dispositivo que funde un
material inorgánico por medio de calentamiento por resistencia,
calentamiento por captación de infrarrojos, plasma, o rayo láser,
para generar una masa fundida en forma de partículas a partir de el,
o puede aplicarse un dispositivo de formación de masa fundida
provisto de otros mecanismos de calentamiento.
2) Debido a que cuanto mayor es el tiempo de
refrigeración mayor es el diámetro de la masa fundida en forma de
partículas, preferiblemente la altura del tubo de refrigeración 31
del tubo de caída 3 se configura de forma que sea posible cambiarla
de acuerdo con el tamaño del cuerpo cristalino a producir.
3) La forma del tubo de caída 3 anterior puede
ser la forma que se ve en la Fig. 2.
Como se muestra en la Fig. 2, y es la distancia
que la masa fundida 25 cae en el interior del tubo de caída 3, y R
es el radio del tubo de caída 3 en la posición de la distancia de
caída y. El eje y y el eje R están dispuestos como se muestra en la
figura. Por ejemplo, la posición del extremo superior del tubo de
caída 3 se coloca en la posición
y=0.
y=0.
- y = (1/2)g X t^{2}
- (1)
- V_{s} = g X t
- (2)
\vskip1.000000\baselineskip
De acuerdo con las ecuaciones (1) y (2),
- V_{s} = (2gy)1/2
- (3)
en la que g es la aceleración gravitacional, t
es el tiempo transcurrido tras el comienzo de la caída, V_{s} es
la velocidad de caída de la masa fundida 25, y V es la velocidad de
flujo del gas de refrigeración que fluye en sentido descendente en
el interior de tubo de caída 3 en la posición de y.
\vskip1.000000\baselineskip
Cuando se asume que el caudal de gas de
refrigeración es CO (cantidad fija),
- (\pi/4)R^{2} X V = CO
- (4)
Por tanto,
- V = C1/R^{2} (no obstante, C1 es una constante fija)
- (5)
\vskip1.000000\baselineskip
Cuando se asume que K es una constante fija,
- R^{2} X y^{1/2} = K^{2}
- (6)
de acuerdo con las ecuaciones (3) y (5).
\vskip1.000000\baselineskip
La forma del corte transversal del tubo de caída
3 indicado en la ecuación (6) es el que se muestra en la Fig. 2,
por ejemplo.
4) Cerca del extremo inferior del tubo de
refrigeración 31 o del extremo superior del tubo de solidificación
32 del tubo de caída 3 anterior, se puede proporcionar un medio para
aplicar varios estímulos a la masa 25 fundida en forma de
partículas. Puede emplearse cualquier estimulante, tal como una onda
supersónica, rayos láser, campo eléctrico, campo magnético o
similar.
5) En lugar del cuerpo cristalino de silicio
semiconductor, puede producirse un cuerpo cristalino con varios
semiconductores o varios materiales inorgánicos además del silicio.
Los varios materiales inorgánicos incluyen dieléctricos, materiales
magnéticos, aislantes, materiales fluorescentes, vidrios, piedras
preciosas y similares.
Claims (12)
1. Un dispositivo para producir un cuerpo
cristalino en forma de partículas de tipo tubo de caída, para crear
un cuerpo cristalino considerablemente esférico mediante
solidificación de una masa fundida en forma de partículas de un
material inorgánico, al tiempo que se deja caer libremente en el
interior de un tubo de caída, en el que:
se proporciona un medio de formación de flujo de
gas para provocar un flujo de gas inerte de refrigeración, desde la
parte superior hasta la parte inferior, en el interior de dicho tubo
de caída; y
dicho tubo de caída presenta un tubo de
refrigeración, cuyo área de corte transversal se hace más pequeña
hacia la parte inferior, de manera que la velocidad de flujo de gas
de refrigeración se hace considerablemente igual a la velocidad de
caída libre de dicha masa fundida en forma de partículas, y un tubo
de solidificación que está conectado al extremo inferior del tubo
de refrigeración y que presenta un área de corte transversal
aumentada, de manera discontinua, desde el extremo inferior del tubo
de refrigeración.
2. El dispositivo para producir un cuerpo
cristalino en forma de partículas de tipo tubo de caída de acuerdo
con la reivindicación 1, en el que dicho medio de formación de flujo
de gas está provisto de un conducto externo conectado en paralelo
al tubo de caída, y un ventilador de circulación de gas.
3. El dispositivo para producir un cuerpo
cristalino en forma de partículas de tipo tubo de caída de acuerdo
con la reivindicación 2, en el que se proporciona la parte anular de
introducción de gas conectada a dicho conducto externo en la parte
del extremo superior de dicho tubo de caída.
4. El dispositivo para producir un cuerpo
cristalino en forma de partículas de tipo tubo de caída de acuerdo
con la reivindicación 1, en el que se proporciona un mecanismo para
reducir rápidamente la velocidad de flujo de gas de refrigeración
en el interior de dicho tubo de solidificación.
5. El dispositivo para producir un cuerpo
cristalino en forma de partículas de tipo tubo de caída de acuerdo
con la reivindicación 4, en el que dicho mecanismo para reducir la
velocidad presenta un miembro de reducción de velocidad
parcialmente esférico que incluye una parte de revestimiento
dispuesta ortogonalmente con respecto al flujo de gas de
refrigeración del interior del tubo de refrigeración.
6. El dispositivo para producir un cuerpo
cristalino en forma de partículas de tipo tubo de caída de acuerdo
con la reivindicación 1, en el que dicha masa fundida en forma de
partículas entra en un estado sobre-enfriado
durante su caída en el interior del tubo de refrigeración y se
solidifica rápidamente por el impacto que tiene lugar cuando se
reduce rápidamente la velocidad [de caída] en el interior del tubo
de solidificación.
7. El dispositivo para producir un cuerpo
cristalino en forma de partículas de tipo tubo de caída de acuerdo
con la reivindicación 2, en el que dicho medio de formación de flujo
de gas está provisto de un dispositivo de refrigeración para
enfriar el gas de refrigeración.
8. El dispositivo para producir un cuerpo
cristalino en forma de partículas de tipo tubo de caída de acuerdo
con la reivindicación 1, en el que dicho material inorgánico es un
semiconductor.
9. El dispositivo para producir un cuerpo
cristalino en forma de partículas de tipo tubo de caída de acuerdo
con la reivindicación 8, en el que dicho semiconductor es
silicio.
10. El dispositivo para producir un cuerpo
cristalino en forma de partículas de tipo tubo de caída de acuerdo
con la reivindicación 1, en el que dicho gas de refrigeración es gas
de helio o gas de argón.
11. El dispositivo para producir un cuerpo
cristalino en forma de partículas de tipo tubo de caída de acuerdo
con la reivindicación 1, en el que dicho medio de formación de flujo
de gas presenta medios de ajuste de la
presión-temperatura para ajustar la presión de gas y
la temperatura del gas de refrigeración en el interior del tubo de
caída.
12. El dispositivo para producir un cuerpo
cristalino en forma de partículas de tipo tubo de caída de acuerdo
con la reivindicación 1, que comprende un dispositivo de formación
de masa fundida para crear una masa fundida en forma de partículas
y hacer caer la misma en el interior del tubo de caída, estando
conectado el dispositivo de formación de masa fundida al extremo
superior del tubo de caída.
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