RU2262214C2 - High-temperature electric device for heating resistance - Google Patents
High-temperature electric device for heating resistance Download PDFInfo
- Publication number
- RU2262214C2 RU2262214C2 RU2003107999/09A RU2003107999A RU2262214C2 RU 2262214 C2 RU2262214 C2 RU 2262214C2 RU 2003107999/09 A RU2003107999/09 A RU 2003107999/09A RU 2003107999 A RU2003107999 A RU 2003107999A RU 2262214 C2 RU2262214 C2 RU 2262214C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- lamellas
- chamber
- temperature resistance
- resistance heater
- heating
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области высокотемпературной нагревательной техники и может быть использовано в установках выращивания монокристаллов из расплавов с выпуклой формой фронта кристаллизации.The invention relates to the field of high-temperature heating equipment and can be used in installations for growing single crystals from melts with a convex shape of the crystallization front.
Технической задачей, решаемой данным изобретением, является создание высокотемпературного электронагревателя сопротивления для выращивания профилированных монокристаллов и создание теплового поля с радиальной симметрией по всей длине нагревателя, что приводит к росту бездефектных и однородных по структуре и чистоте монокристаллов заданной формы.The technical problem solved by this invention is the creation of a high-temperature resistance electric heater for growing profiled single crystals and the creation of a thermal field with radial symmetry along the entire length of the heater, which leads to the growth of single crystals of a given shape that are defect-free and uniform in structure and purity.
Известен высокотемпературный электронагреватель сопротивления, используемый в вакуумных и газозаполненных электропечах, включающий нагревательные элементы - ламели, выполненные из прутков П-образной формы из тугоплавких металлов и сплавов. Вертикальные участки ламелей механически скреплены и расположены по образующей цилиндрической поверхности с равным зазором друг от друга. Они образуют вертикальные стенки нагревательной камеры. Дно камеры образуют горизонтальные участки. Концы прутков соединены токоподводами (см. пат. США № 3155758, кл. Н 05 В 3/42).Known high-temperature resistance heater used in vacuum and gas-filled electric furnaces, including heating elements - lamellas made of U-shaped rods of refractory metals and alloys. The vertical sections of the lamellas are mechanically bonded and located along the generatrix of the cylindrical surface with an equal gap from each other. They form the vertical walls of the heating chamber. The bottom of the chamber is formed by horizontal sections. The ends of the rods are connected by current leads (see US Pat. No. 3,155,758, class H 05 V 3/42).
Данная конструкция высокотемпературного электронагревателя сопротивления не может быть эффективно использована в установках выращивания монокристаллов из расплава, т.к. равномерное расположение по всему дну нагревательной камеры горизонтальных участков ламелей дает плоскую форму фронта кристаллизации, а при росте кристалла фронт меняется на вогнутый вследствие выделяющейся теплоты кристаллизации. Это снижает выход монокристаллов.This design of a high-temperature resistance heater cannot be effectively used in installations for growing single crystals from a melt, because the uniform arrangement of horizontal sections of lamellas along the entire bottom of the heating chamber gives a flat shape of the crystallization front, and when the crystal grows, the front changes to concave due to the released heat of crystallization. This reduces the yield of single crystals.
Известен высокотемпературный электронагреватель сопротивления преимущественно для установок выращивания монокристаллов из расплава (см. а.с. СССР №674254 от 03.05.77 г., кл. Н 05 В 3/42, С 30 В 15/18), принятый за прототип. Нагреватель выполнен сборными ламелями из прутков П-образной формы тугоплавких металлов и сплавов. Вертикальные участки ламелей механически скреплены и расположены по образующей цилиндрической поверхности с равным зазором друг от друга. Вертикальные участки ламелей образуют нагревательную камеру с дном из горизонтальных участков. Вертикальные участки соединены с токоподводом в виде двух полуколец, один конец ламелей подключен к положительно заряженному полукольцу токовода, другой конец - к отрицательно заряженному полукольцу токовода.Known high-temperature resistance electric heater mainly for installations for growing single crystals from a melt (see AS USSR No. 674254 dated 05/05/77, class N 05 V 3/42, C 30 V 15/18), adopted as a prototype. The heater is made of prefabricated lamellas from U-shaped rods of refractory metals and alloys. The vertical sections of the lamellas are mechanically bonded and located along the generatrix of the cylindrical surface with an equal gap from each other. The vertical sections of the lamellas form a heating chamber with a bottom of horizontal sections. The vertical sections are connected to the current lead in the form of two half rings, one end of the lamellas is connected to the positively charged half ring of the current lead, the other end to the negatively charged half ring of the current lead.
Для получения островыпуклого фронта кристаллизации горизонтальные участки П-образных нагревательных элементов расположены по периферии дна камеры, образуя в центре отверстие, площадь которого составляет 10-50% от площади дна.To obtain an island-convex crystallization front, horizontal sections of U-shaped heating elements are located on the periphery of the bottom of the chamber, forming a hole in the center, the area of which is 10-50% of the bottom area.
Для предотвращения деформации и смещения нагревательных элементов (ламелей) вследствие неоднородности их нагрева и наличия больших магнитных полей в процессе работы нагревателя ламели дополнительно скрепляют с помощью пары внешних и внутренних полуколец, расположенных на вертикальной их части на некотором расстоянии друг от друга.To prevent deformation and displacement of the heating elements (lamellas) due to the heterogeneity of their heating and the presence of large magnetic fields during the operation of the heater, the lamellas are additionally fastened with a pair of external and internal half rings located on their vertical part at some distance from each other.
Недостатками указанной конструкции являются следующие.The disadvantages of this design are as follows.
1. Нагревательные П-образные элементы имеют разную длину и конфигурацию горизонтальных частей ламелей. Так как ток идет по кратчайшему пути, то температура наименьшей по длине горизонтальной части ламели будет выше. Кроме того, пересекающиеся ламели, экранируя друг друга, локально повышают температуру в этих местах.1. Heating U-shaped elements have different lengths and configurations of horizontal parts of lamellas. Since the current goes along the shortest path, the temperature of the smallest along the horizontal part of the lamella will be higher. In addition, intersecting lamellas, shielding each other, locally increase the temperature in these places.
2. Горизонтальные части ламелей, перекрывающие дно нагревательной камеры, расположены неравномерно, т.е. отсутствует радиальная симметрия теплового поля. Изотерма дна камеры в этом случае представляет собой овал. Это отрицательно сказывается на стабильности формы фронта кристаллизации, а следовательно, и на структуре выращиваемого кристалла.2. The horizontal parts of the lamellas, overlapping the bottom of the heating chamber, are uneven, i.e. there is no radial symmetry of the thermal field. The isotherm of the bottom of the chamber in this case is an oval. This negatively affects the stability of the shape of the crystallization front, and hence the structure of the grown crystal.
3. Фиксирующие вертикальные части ламелей полукольца как дополнительная масса и увеличенное сечение для прохождения тока в местах соединения с ламелями снижают в этих местах температуру, а осевой градиент температуры вдоль нагревателя при этом меняет знак с (+) на (-) по количеству полуколец. В результате чего диаметр выращиваемых кристаллов меняется в соответствии с прохождением фронта кристаллизации вдоль нагревателя, что отрицательно влияет на форму кристалла и на однородность структурных характеристик, а следовательно, и свойства изделий из этих монокристаллов.3. The fixing vertical parts of the half-ring lamellas, as an additional mass and an increased cross-section for the passage of current at the joints with the lamellas, reduce the temperature in these places, and the axial temperature gradient along the heater changes sign from (+) to (-) by the number of half rings. As a result, the diameter of the grown crystals varies in accordance with the passage of the crystallization front along the heater, which negatively affects the shape of the crystal and the homogeneity of the structural characteristics, and therefore the properties of products from these single crystals.
4. Фиксирующие вертикальные части ламелей полукольца при нагревании сами распрямляются и увеличивает зазор между крайними ламелями полуколец. Это приводит к искажению радиальных изотерм по всей длине нагревателя, которые принимают форму овала, развернутого на 90°С относительно овала в нижней части нагревателя.4. The fixing vertical parts of the lamellas of the half rings straighten themselves when heated and increase the gap between the extreme lamellas of the half rings. This leads to a distortion of radial isotherms along the entire length of the heater, which take the form of an oval rotated 90 ° relative to the oval in the lower part of the heater.
5. Исследования показали, что при наличии островыпуклого фронта кристаллизации как следствия большого радиального градиента температуры охлаждение выращенного кристалла в этих условиях приводит к пластической деформации последнего (полосы скольжения), а при полном охлаждении - к упругим напряжениям и к трещинам.5. Studies have shown that in the presence of an island-convex crystallization front as a consequence of a large radial temperature gradient, the cooling of the grown crystal under these conditions leads to plastic deformation of the crystal (slip bands), and when completely cooled, to elastic stresses and cracks.
Техническим результатом предложенного изобретения является создание нагревателя, обеспечивающего радиальную симметрию теплового поля по всей длине нагревателя с возможностью получения управляемых радиальных изотерм круглой, квадратной, прямоугольной, шестиугольной форм для выращивания профилированных монокристаллов с естественной огранкой.The technical result of the proposed invention is the creation of a heater that provides radial symmetry of the thermal field along the entire length of the heater with the ability to obtain controlled radial isotherms of round, square, rectangular, hexagonal shapes for growing shaped faceted single crystals.
Технический результат достигается тем, что в высокотемпературном электронагревателе сопротивления установки выращивания монокристаллов из расплава, выполненном в виде сборных ламелей из прутков тугоплавких металлов и сплавов, образующих нагревательную камеру с отверстием в дне и концами ламелей, соединенными с охлаждаемыми токовводами, согласно изобретению ламели выполнены U-образными, имеют одинаковую длину и изогнутую форму с образованием вертикальных и горизонтальных участков нагревательной камеры, токовводы выполнены в виде замкнутых колец, концы каждой ламели закреплены по окружности токовводов с чередованием знаков токовой нагрузки, а отверстие в дне камеры образовано центрирующим кольцом, по окружности которого зафиксированы вершины замкнутых, сходящихся к центру частей ламелей, расположенных в горизонтальной плоскости и образующих дно камеры, а также тем, что расстояние между ламелями равно расстоянию между ветвями ламелей.The technical result is achieved by the fact that in a high-temperature resistance heater of a melt single crystal growth apparatus made in the form of prefabricated lamellas from rods of refractory metals and alloys forming a heating chamber with an opening in the bottom and ends of the lamellas connected to cooled current leads, according to the invention, the lamellas are made of U- shaped, have the same length and curved shape with the formation of vertical and horizontal sections of the heating chamber, the current leads are made in the form of of closed rings, the ends of each lamella are fixed around the circumference of the current leads with alternating signs of the current load, and the hole in the bottom of the chamber is formed by a centering ring, along the circumference of which the vertices of the closed, converging to the center parts of the lamellas located in the horizontal plane and forming the bottom of the chamber are fixed, and also that the distance between the lamellas is equal to the distance between the branches of the lamellas.
Для создания радиальных изотерм круглой формы количество ламелей кратно 12.To create circular radial isotherms, the number of lamellas is a multiple of 12.
Для создания радиальных изотерм прямоугольных или иных многоугольных форм ламели собирают в секции, длина которых соответствует длинам сторон, задаваемым формой многоугольника.To create radial isotherms of rectangular or other polygonal shapes, lamellas are collected in sections whose length corresponds to the lengths of the sides specified by the shape of the polygon.
Площадь, ограниченная центрирующим кольцом, составляет 6-90% дна камеры.The area bounded by the centering ring is 6-90% of the bottom of the chamber.
Водоохлаждаемые кольцевые токовводы могут быть расположены коаксиально или один под другим.Water-cooled ring current leads can be located coaxially or one below the other.
Конструкция высокотемпературного электронагревателя сопротивления представлена на фиг.1.The design of a high temperature resistance heater is shown in FIG.
Нагреватель включает U-образные изогнутые ламели 1 с концами 2, закрепленными на кольцевых водоохлаждаемых токовводах 3-4, расположенных коаксиально, центрирующее кольцо 5, по окружности которого зафиксированы вершины 6 ламелей 1, токоввод 3 имеет пазы 7, через которые ламели 1 подходят к кольцевому водоохлаждаемому токовводу 4. Стрелки и знаки (+), (-) указывают направление давления электрического тока по ламели и нагревателя в целом.The heater includes U-shaped curved lamellas 1 with ends 2 fixed to ring water-cooled current leads 3-4 located coaxially, a centering ring 5, around the circumference of which the vertices 6 of the lamellas 1 are fixed, the current lead 3 has grooves 7 through which the lamellas 1 approach the ring water-cooled current lead 4. The arrows and signs (+), (-) indicate the direction of electric current pressure along the lamella and the heater as a whole.
На фиг.2 (а, б, в) изображены нагреватели, в которых ламели собраны в секции для создания радиальных изотерм многоугольных форм (квадрат, прямоугольник и шестигранник) для выращивания монокристаллов соответствующего профиля.Figure 2 (a, b, c) shows heaters in which the lamellas are assembled in a section for creating radial isotherms of polygonal shapes (square, rectangle and hexagon) for growing single crystals of the corresponding profile.
Сущность изобретения заключается в том, что изогнутая U-образная форма ламелей и фиксация ламелей только в двух точках (концы ламелей в токовводах, а вершины на кольце) образуют нагревательную камеру с равномерно распределенной плотностью тока по всей длине ламелей, как по вертикальной стенке камеры, так и по горизонтальной (донной) части.The essence of the invention lies in the fact that the curved U-shape of the lamellas and the fixation of the lamellas at only two points (the ends of the lamellas in the current leads, and the vertices on the ring) form a heating chamber with a uniformly distributed current density along the entire length of the lamellas, as along the vertical wall of the chamber, and along the horizontal (bottom) part.
Это обеспечивает постоянство формы радиальных изотерм по всей длине выращиваемого монокристалла.This ensures the constancy of the shape of the radial isotherms along the entire length of the grown single crystal.
Кроме того, подключение концов ламелей с чередованием знаков (+) и (-) по окружности водоохлаждаемых кольцевых токовводов исключает возникновение магнитного поля в расплаве и его отрицательное воздействие на градиент температуры в расплаве.In addition, connecting the ends of the lamellas with alternating signs (+) and (-) around the circumference of water-cooled ring current leads eliminates the occurrence of a magnetic field in the melt and its negative effect on the temperature gradient in the melt.
Для создания профилированных изотерм при выращивании монокристаллов с кубической и гексагональной решетками с естественной огранкой общее количество ламелей в нагревателе кратно количеству граней монокристалла и кратно 12. При выращивании кристаллов многоугольных ферм ламели собирают в секции, длина которых соответствует длинам сторон выращиваемого профиля многоугольника. Для изменения профиля выращиваемого монокристалла изменяют количество ламелей в секциях.To create profiled isotherms when growing single crystals with cubic and hexagonal lattices with natural faceting, the total number of lamellas in the heater is a multiple of the number of faces of a single crystal and a multiple of 12. When growing crystals of polygonal farms, lamellas are collected in sections whose length corresponds to the lengths of the sides of the grown polygon profile. To change the profile of the grown single crystal, the number of lamellas in the sections is changed.
Кратное 12 количество ламелей в нагревателе определяется составом числа 12 - 2, 3, 4, 6. Числа 2, 3, 4, 6 определяют форму ориентированных выращиваемых монокристаллов кубической и гексагональной решеток.A multiple of 12, the number of lamellas in the heater is determined by the composition of the number 12 - 2, 3, 4, 6. The numbers 2, 3, 4, 6 determine the shape of the oriented grown single crystals of cubic and hexagonal lattices.
Так, например, число 2 соответствует ленте, выращиваемой в направлении [1120] с ориентацией граней {1010} и {0001} гексагональной решетки.So, for example, the number 2 corresponds to a ribbon grown in the [1120] direction with the orientation of the {1010} and {0001} faces of the hexagonal lattice.
Число 3 или 6 - соответствует монокристаллам треугольной или шестиугольной форм, выращиваемых в направлении [111] с ориентацией плоскостей {110} кубической решетки или в направлении [001] с ориентацией граней {1010} гексагональной решетки.The number 3 or 6 - corresponds to triangular or hexagonal single crystals grown in the [111] direction with the orientation of the {110} planes of the cubic lattice or in the [001] direction with the orientation of the {1010} faces of the hexagonal lattice.
Число 4 - соответствует монокристаллу четырехугольной формы, выращиваемому в направлении [100] с ориентацией граней {111} кубической решетки или в направлении [1120] с ориентацией граней {1010} и {0001} гексагональной решетки и т.д.The number 4 - corresponds to a quadrangular single crystal grown in the [100] direction with the {111} faces of the cubic lattice or in the [1120] direction with the {1010} and {0001} faces of the hexagonal lattice, etc.
Размер диаметра дна камеры связан с величиной осевых градиентов температур. Величину диаметра в заявленном интервале значений определяет, как правило, способ выращивания монокристаллов.The diameter of the bottom of the chamber is related to the magnitude of the axial temperature gradients. The diameter in the claimed range of values determines, as a rule, the method of growing single crystals.
Так, например, минимальный диаметр используют при выращивании монокристаллов по методу Чохральского и Киропулоса, а максимальный - по методу Бриджмена-Стокбаргера.So, for example, the minimum diameter is used when growing single crystals according to the Czochralski and Kyropoulos method, and the maximum - according to the Bridgman-Stockbarger method.
Принцип работы нагревателя следующий.The principle of operation of the heater is as follows.
Электрический ток с внутреннего кольцевого водоохлаждаемого токоввода 3 поступает непосредственно на концы 2 ламелей 1, проходит по U-образной части и возвращается через пазы 7 внутреннего токоввода 3 к водоохлаждаемому кольцевому токовводу 4. Ламели 1 образуют круг с нулевым магнитным полем внутри и равномерной знакопеременной нагрузкой по окружности нагревательной камеры и ее дну.Electric current from the inner ring water-cooled current lead 3 enters directly to the ends 2 of the slats 1, passes through the U-shaped part and returns through the grooves 7 of the internal current lead 3 to the water-cooled ring current lead 4. The lamellas 1 form a circle with a zero magnetic field inside and a uniform alternating load the circumference of the heating chamber and its bottom.
Конструкция позволяет получить следующий положительный эффект.The design allows to obtain the following positive effect.
1. Существенное повышение качества монокристаллов за счет обеспечения однородности теплового поля по вертикали и горизонтали и исключения отрицательного воздействия знакопеременных осевых градиентов температур и магнитного поля.1. A significant increase in the quality of single crystals by ensuring the uniformity of the thermal field vertically and horizontally and eliminating the negative effects of alternating axial temperature gradients and magnetic fields.
2. Снижение расхода дорогостоящих материалов за счет выращивания профилированных монокристаллов, что приводит также и к повышению качества изделий из них.2. Reducing the consumption of expensive materials due to the cultivation of profiled single crystals, which also leads to an increase in the quality of products from them.
3. Возможность замены вышедших из строя элементов нагревателя (ламелей), что в целом существенно удлиняет срок использования нагревателя.3. The possibility of replacing defective heater elements (lamellas), which generally significantly prolongs the period of use of the heater.
4. Эргономичность конструкции, обеспечивающая возможность изменения технологических задач по выращиванию многопрофилированных монокристаллов.4. Ergonomic design, providing the ability to change technological tasks for the cultivation of multi-profiled single crystals.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003107999/09A RU2262214C2 (en) | 2003-03-26 | 2003-03-26 | High-temperature electric device for heating resistance |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003107999/09A RU2262214C2 (en) | 2003-03-26 | 2003-03-26 | High-temperature electric device for heating resistance |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2003107999A RU2003107999A (en) | 2004-10-10 |
RU2262214C2 true RU2262214C2 (en) | 2005-10-10 |
Family
ID=35851443
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003107999/09A RU2262214C2 (en) | 2003-03-26 | 2003-03-26 | High-temperature electric device for heating resistance |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2262214C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107881490A (en) * | 2016-09-30 | 2018-04-06 | 泰姆普雷斯艾普公司 | Chemical vapor deposition unit and application thereof |
-
2003
- 2003-03-26 RU RU2003107999/09A patent/RU2262214C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107881490A (en) * | 2016-09-30 | 2018-04-06 | 泰姆普雷斯艾普公司 | Chemical vapor deposition unit and application thereof |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CA1336156C (en) | Apparatus and method for growth of large single crystals in plate/slab form | |
KR20180120076A (en) | METHOD FOR PRODUCING SiC SINGLE CRYSTAL AND PRODUCTION DEVICE | |
CN101323984B (en) | Heating device for large size high melting point crystal growth and method for making the same | |
RU2262214C2 (en) | High-temperature electric device for heating resistance | |
KR101028116B1 (en) | growth apparatus for multiple silicon carbide single crystal | |
KR101292703B1 (en) | Apparatus for single crystal growth | |
KR101464561B1 (en) | Sapphire ingot growing apparatus and rod heater using the same | |
JP6507811B2 (en) | Crystal growth system | |
CN103160920A (en) | Heating body structure of single crystal growth furnace | |
JP2011213503A (en) | Heater, crystal growing device and method for producing compound semiconductor single crystal | |
RU2222644C1 (en) | Device for monocrystals growing from melt | |
KR101333668B1 (en) | Auto seeding system of single crystal growth furnace | |
CN110528063A (en) | A kind of crystal growing apparatus | |
CN203247337U (en) | Heating body structure of single crystal growth furnace | |
CN108018603A (en) | The heater and long crystal furnace of a kind of sapphire crystallization furnace | |
JP6872346B2 (en) | Single crystal growth device | |
JPH0297479A (en) | Single crystal pulling up device | |
RU2222645C1 (en) | Device for monocrystals growing from melt | |
KR101474775B1 (en) | Bobbin of Electromagnet for Producing Magnetic Field for Growing Silicon Single Crystal and Electromagnet Having the Same | |
RU168533U1 (en) | INSTALLATION FOR GROWING SINGLE CRYSTALS | |
JPH02221184A (en) | Method and apparatus for producing single crystal | |
CN217733339U (en) | Heater structure for heating crystal | |
CN218989479U (en) | Single crystal furnace heating element with slotted semicircular ring | |
CN217600910U (en) | Hollow birdcage heater for crystal | |
Naumowicz et al. | Growth spirals of gadolinium gallium garnet (GGG) crystals |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080327 |