RU2419689C2 - Apparatus for growing sapphire monocrystals - Google Patents

Apparatus for growing sapphire monocrystals Download PDF

Info

Publication number
RU2419689C2
RU2419689C2 RU2009101867/05A RU2009101867A RU2419689C2 RU 2419689 C2 RU2419689 C2 RU 2419689C2 RU 2009101867/05 A RU2009101867/05 A RU 2009101867/05A RU 2009101867 A RU2009101867 A RU 2009101867A RU 2419689 C2 RU2419689 C2 RU 2419689C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
screens
sheets
sheet
heater
chamber
Prior art date
Application number
RU2009101867/05A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2009101867A (en
Inventor
Игорь Николаевич Зайцев (RU)
Игорь Николаевич Зайцев
Юрий Мордко-Львович Стерник (RU)
Юрий Мордко-Львович Стерник
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью ООО "Апекс"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью ООО "Апекс" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью ООО "Апекс"
Priority to RU2009101867/05A priority Critical patent/RU2419689C2/en
Publication of RU2009101867A publication Critical patent/RU2009101867A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2419689C2 publication Critical patent/RU2419689C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: apparatus has a vacuum chamber 1, an electric heater 4, a crucible for melting raw material 6, inside the heater 4, a holder 7 and heat shields 8, lying between the electric heater 4 and water-cooled walls 1a, 1b of the vacuum chamber 1. Part of the shields 8 has a mirror surface facing the heater, which lies in a sealed cavity formed by welding butt-ends of cowlings of neighbouring shielding sheets in spaces between which separators are fitted and that cavity is then evacuated.
EFFECT: maximum coefficient of reflection of heat flux, low heat loss, improved parametres of the temperature field and quality of articles, low electrical energy and power of the heaters.
8 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к вакуумным электропечам для выращивания монокристаллов сапфира и других подобных материалов, а также может быть использовано для других высокотемпературных технологических операций в вакууме.The invention relates to vacuum furnaces for growing sapphire single crystals and other similar materials, and can also be used for other high-temperature technological operations in vacuum.

Обычно в вакуумных электропечах, где основным видом теплопереноса является излучение, используют в качестве теплоизоляции экраны из металлических листов /1/.Usually in vacuum furnaces, where radiation is the main type of heat transfer, screens made of metal sheets are used as thermal insulation / 1 /.

Известно устройство для выращивания монокристаллов сапфира, содержащее вакуумную камеру, электронагреватель, внутри которого установлен тигель, отражатель из листов и прутков молибдена и вольфрама, расположенный вокруг нагревателя, а также тепловые экраны из листов молибдена, установленные между отражателем и стенками камеры /2/.A device for growing sapphire single crystals, containing a vacuum chamber, an electric heater inside which is installed a crucible, a reflector of sheets and rods of molybdenum and tungsten located around the heater, as well as thermal screens of sheets of molybdenum, installed between the reflector and the walls of the chamber / 2 /.

Недостатком указанного устройства является то, что листы-экраны, с помощью которых осуществляется теплоизоляция стенок вакуумной камеры, имеют низкую отражательную способность, из-за чего значительное количество тепла передается стенкам камеры. Поэтому камеру приходится делать водоохлаждаемой, состоящей из внутренней и наружной стенок, причем с водой, охлаждающей внутреннюю стенку камеры, уносится значительное количество тепла. По этой же причине приходится использовать большое число листов-экранов (обычно замкнутых цилиндров) или многослойный рулон-экран, нагреватели большой мощности (до 100 кВт) и расходовать на плавку сырья и выращивание монокристалла значительное количество электроэнергии. Кроме того, значительное количество энергии потребляют устройства, охлаждающие сбрасываемую из печи воду для ее многооборотного использования.The disadvantage of this device is that the sheets-screens, with which thermal insulation of the walls of the vacuum chamber is carried out, have a low reflectivity, due to which a significant amount of heat is transferred to the walls of the chamber. Therefore, the chamber has to be made water-cooled, consisting of the inner and outer walls, and a significant amount of heat is carried away with water cooling the inner wall of the chamber. For the same reason, it is necessary to use a large number of sheet screens (usually closed cylinders) or a multilayer roll screen, high-power heaters (up to 100 kW) and spend a significant amount of electricity on melting raw materials and growing a single crystal. In addition, a significant amount of energy is consumed by devices that cool the water discharged from the furnace for its multi-turn use.

Еще одним недостатком конструкции прототипа является сложность создания такого температурного поля внутри камеры, которое обеспечивает начало формирования монокристалла в центре и в верхней части тигля, чтобы наружные слои монокристалла, наиболее удаленные от стенок тигля, кристаллизовались в последнюю очередь. Такой характер температурного поля дает возможность вывести на поверхность монокристалла примеси и возможные дефекты кристаллической решетки, откуда они могут быть легко удалены, и получить монокристалл высокого качества и требуемой формы.Another disadvantage of the prototype design is the difficulty of creating such a temperature field inside the chamber, which provides the beginning of the formation of a single crystal in the center and in the upper part of the crucible, so that the outer layers of the single crystal farthest from the walls of the crucible crystallize last. This nature of the temperature field makes it possible to remove impurities and possible defects of the crystal lattice onto the surface of the single crystal, from where they can be easily removed, and obtain a single crystal of high quality and the required shape.

Попытки использовать для отражателя и экранов в известных устройствах листы с зеркальной поверхностью, возвращающей почти всю падающую на нее лучистую энергию, оказались неэффективными из-за окисления и загрязнения зеркальных поверхностей при попадании в камеру воздуха при загрузке шихты и выгрузке изделий. Кроме того, снижение отражательной способности экранов происходило из-за взаимодействия при высокой температуре поверхности экранов с выделениями обычно используемых в конструкции таких печей керамических отражателей, остатками атмосферы, а также с примесями инертного газа при охлаждении полученного монокристалла.Attempts to use sheets with a mirror surface that returns almost all the radiant energy incident on it for the reflector and screens in known devices have been ineffective due to oxidation and contamination of the mirror surfaces when air enters the chamber when loading the charge and unloading the products. In addition, a decrease in the reflectivity of the screens was due to the interaction at high temperature of the surface of the screens with the emissions of ceramic reflectors commonly used in the design of such furnaces, atmospheric residues, and also with inert gas impurities during cooling of the obtained single crystal.

Задачей изобретения является сокращение потерь тепла и энергозатрат на производство монокристаллов, улучшение их качества, уменьшение мощности нагревателя и габаритов устройства.The objective of the invention is to reduce heat loss and energy consumption for the production of single crystals, improving their quality, reducing the power of the heater and the dimensions of the device.

Указанная задача решается за счет того, что в известном устройстве для выращивания монокристаллов сапфира, включающем вакуумную камеру, электронагреватель, тигель для расплава исходного сырья для выращиваемого монокристалла, отражатель, установленный снаружи нагревателя, а также листы-экраны, расположенные между отражателем и стенками камеры, часть расположенных за отражателем экранов вблизи внутренних водоохлаждаемых стенок камеры выполнена из нержавеющих стальных листов. Новым является то, что, по крайней мере, два последовательно расположенных листа-экрана соединены по краям сварными швами с образованием между ними герметичной полости, которая сообщается с каналом для предварительного вакуумирования. При этом обращенные к центру камеры поверхности листов внутри этой герметичной внутренней полости выполнены зеркальными.This problem is solved due to the fact that in the known device for growing sapphire single crystals, including a vacuum chamber, an electric heater, a crucible for melting the feedstock for the grown single crystal, a reflector mounted outside the heater, and also screen sheets located between the reflector and the chamber walls, part of the screens located behind the reflector near the internal water-cooled walls of the chamber are made of stainless steel sheets. What is new is that at least two consecutive sheet-screens are connected at the edges by welds with the formation of a sealed cavity between them, which communicates with the channel for preliminary evacuation. In this case, the surface of the sheets facing the center of the chamber inside this sealed internal cavity is made mirrored.

Кроме того, промежутки между сваренными листами-экранами снабжены дистанционными элементами, препятствующими смыканию листов под действием атмосферного давления, и передаче значительного теплопотока через поверхности взаимного контакта соседних экранов.In addition, the gaps between the welded sheet-screens are equipped with distance elements that prevent the sheets from closing under the influence of atmospheric pressure and the transfer of significant heat flux through the mutual contact surfaces of adjacent screens.

В модификации изобретения наиболее удаленный от нагревателя лист-экран с зеркальной поверхностью одновременно является внутренней стенкой камеры.In a modification of the invention, the sheet-screen with the mirror surface farthest from the heater is simultaneously the inner wall of the chamber.

Кроме того, дистанционные элементы по краям листов могут быть выполнены в виде отбортовок на одном из листов, а в другой модификации изобретения - в виде установленных между листами витков проволоки.In addition, the distance elements along the edges of the sheets can be made in the form of flanges on one of the sheets, and in another modification of the invention, in the form of wire coils installed between the sheets.

По всей остальной поверхности листов-экранов дистанционные элементы выполнены в виде периодически повторяющихся выступов на листах, препятствующих их смыканию.Throughout the rest of the surface of the sheet-screens, the distance elements are made in the form of periodically repeating protrusions on the sheets that prevent them from closing.

Кроме того, канал для вакуумирования герметичной полости, образованной сваренными между собой листами-экранами, выполнен в виде трубки, один конец которой сварен с указанными листами, а другой конец трубки имеет сварной шов, образованный после вакуумирования сплющиванием и сваркой стенок трубки.In addition, the channel for evacuating the airtight cavity formed by the sheets-screens welded together is made in the form of a tube, one end of which is welded with these sheets, and the other end of the tube has a weld formed after evacuation by flattening and welding of the tube walls.

В другой модификации изобретения канал для вакуумирования герметичной полости, образованной сваренными между собой листами-экранами, снабжен запорным вентилем с возможностью подключения к вакуумному насосу.In another modification of the invention, the channel for evacuating the airtight cavity formed by the sheets-screens welded together is equipped with a shut-off valve that can be connected to a vacuum pump.

При проведении патентных исследований из уровня техники не выявлены решения, идентичные заявленному, а следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «новизна».When conducting patent research from the prior art, no solutions are identified that are identical to the claimed, and therefore, the claimed invention meets the condition of patentability “novelty”.

Сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического применения изобретенияThe information set forth in the application materials is sufficient for the practical application of the invention

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых:The invention is illustrated by drawings, in which:

на фиг.1 представлен разрез по оси рабочей камеры устройства;figure 1 presents a section along the axis of the working chamber of the device;

на фиг.2 представлено в увеличенном масштабе место А на фиг.1;figure 2 presents on an enlarged scale the place And in figure 1;

на фиг.3 представлено в увеличенном масштабе место В на фиг.1;figure 3 presents on an enlarged scale the place In figure 1;

на фиг.4 представлено в увеличенном масштабе место С на фиг.1;figure 4 is an enlarged view of the place C in figure 1;

на фиг.5 представлено то же место до проведения вакуумирования образованной листами-экранами герметичной полости;figure 5 presents the same place before evacuation formed by sheets of screens of a sealed cavity;

на фиг.6 представлено в увеличенном масштабе место D на фиг.1.figure 6 presents on an enlarged scale the place D in figure 1.

Устройство для выращивания монокристаллов сапфира включает (фиг.1) вакуумную рабочую камеру 1 с водоохлаждаемыми внутренней 1а и наружной 1b стенками, которая закрывается сверху большой 2 и малой 3 крышками, и электронагреватель 4 из прутков вольфрама. Внутри нагревателя на подставке 5 установлен тигель 6, а вокруг нагревателя - отражатель 7, воспринимающий тепловой поток максимальной интенсивности, излучаемый нагревателем. Отражатель выполнен из тугоплавких керамических материалов, например двуокиси циркония или вольфрам-молибденовых композиций.A device for growing sapphire single crystals includes (Fig. 1) a vacuum working chamber 1 with water-cooled inner 1a and outer 1b walls, which is closed on top by large 2 and small 3 covers, and an electric heater 4 from tungsten rods. A crucible 6 is installed inside the heater on the stand 5, and a reflector 7 is installed around the heater, which receives the heat flux of maximum intensity emitted by the heater. The reflector is made of refractory ceramic materials, for example zirconia or tungsten-molybdenum compositions.

За отражателем расположены металлические листы-экраны 8 из молибдена и нержавеющей стали (более удаленные). Экраны могут быть либо в виде отдельных обечаек или в виде свернутых в спираль листов. Так как в вакууме теплопередача осуществляется путем лучистого теплообмена, количество листов-экранов или число витков свернутых в спираль листов определяется величиной коэффициентов излучения и поглощения поверхности листов-экранов, выполняющих функцию теплоизоляции. Теоретически экран, имеющий коэффициент отражения, близкий к единице, может свести к минимуму размеры камеры, расход дорогостоящих тугоплавких материалов и теплопотери. Однако на практике приходится использовать до 20 листов-экранов и при этом значительное число лучистой энергии попадает на водоохлаждаемые стенки камеры и уносится с водой в теплообменники, где для охлаждения воды и ее повторного использования приходится использовать дополнительную энергию. Это происходит из-за окисления и загрязнения поверхности листов-экранов при загрузке-выгрузке изделий, взаимодействии с выделениями отражателей и примесями аргона, который используют для ускорения охлаждения теплового узла и выращенного кристалла после окончания процесса выращивания. Кроме того, нестабильность коэффициентов поглощения и отражения листов-экранов влияет на нестабильность теплового поля, процесс затвердевания монокристалла и его качество.Behind the reflector are metal sheets-screens 8 of molybdenum and stainless steel (more distant). Screens can be either in the form of separate shells or in the form of sheets rolled into a spiral. Since in a vacuum heat transfer is carried out by radiant heat transfer, the number of sheet screens or the number of turns of sheets rolled into a spiral is determined by the magnitude of the emission and absorption coefficients of the surface of the sheet screens that perform the function of thermal insulation. Theoretically, a screen having a reflection coefficient close to unity can minimize the size of the chamber, the consumption of expensive refractory materials, and heat loss. However, in practice, up to 20 sheets of screens have to be used, and a significant amount of radiant energy falls on the water-cooled walls of the chamber and is carried away with water into heat exchangers, where additional energy has to be used to cool the water and reuse it. This is due to oxidation and contamination of the surface of the sheet-screens during loading and unloading of products, interaction with the excretion of reflectors and impurities of argon, which is used to accelerate the cooling of the thermal unit and the grown crystal after the end of the growing process. In addition, the instability of the absorption and reflection coefficients of the sheet-screens affects the instability of the thermal field, the solidification process of the single crystal and its quality.

Для устранения отмеченных недостатков обращенные к центру камеры 1, поверхности 9-11 экранов устройства (фиг.2) выполнены зеркальными. При этом наиболее удаленный от центра камеры экран совмещен с внутренней стенкой 1а камеры. По направлению к центру камеры перед ним установлен экран 8а, имеющий по торцам дистанционные элементы, выполненные в виде отбортовки 12, а по всей остальной поверхности листа - в виде периодически повторяющихся выступов 13. Наличие выступов позволяет использовать экраны из очень тонких листов, не опасаясь их деформации и прилегания друг к другу под действием атмосферного давления. Сферическая форма выступов обеспечивает точечный контакт листов и минимальную теплопередачу теплопроводностью. Несколько большая величина теплопередачи между соседними листами-экранами будет в случае выполнения выступов иной формы, однако при этом могут быть обеспечены в ряде случаев большая жесткость и технологичность изготовления листов-экранов.To eliminate these shortcomings facing the center of the camera 1, the surface 9-11 of the device screens (figure 2) are made mirrored. In this case, the screen furthest from the center of the camera is aligned with the inner wall 1a of the camera. A screen 8a is installed in front of the camera’s center in front of it, having spacing elements at the ends, made in the form of a flange 12, and over the rest of the sheet surface, in the form of periodically repeating protrusions 13. The presence of protrusions allows the use of screens of very thin sheets without fear of them deformation and abutment under atmospheric pressure. The spherical shape of the protrusions provides point contact of the sheets and minimal heat transfer by thermal conductivity. A slightly larger amount of heat transfer between adjacent sheets of screens will be in the case of the protrusions of a different shape, however, in this case, greater rigidity and manufacturability of the manufacture of sheet screens can be provided.

Внутренняя стенка камеры 1а может быть выполнена из толстостенного нержавеющего листа (4-6 мм) с зеркальной поверхностью, обращенной к центру камеры, или облицована зеркальной фольгой либо тонкостенным зеркальным листом.The inner wall of the chamber 1a may be made of a thick-walled stainless sheet (4-6 mm) with a mirror surface facing the center of the chamber, or lined with a mirror foil or a thin-walled mirror sheet.

Обращенные к центру камеры зеркальные поверхности 9 и 10 экранов 8b и 8с расположены внутри герметичной камеры и отделены друг от друга дистанционными элементами в виде проволоки 14 и сферических выступов. При этом листы-экраны 8b, 8с и 8d соединены между собой сваркой с образованием между листами герметичной полости 15, которая сообщается с каналом для предварительного вакуумирования, выполненным в виде трубки 16 (фиг.4 и 5). В месте сварки трубка 16 сплющена и имеет овальное сечение, прилегающее к торцам листов 8b и 8d, а в дистанционных элементах 14 выполнен разрыв для соединения герметичной полости 15 с внутренним каналом трубки. Между плоскими экранами 17а и 17b, которые служат для теплоизоляции водоохлаждаемого дна 18 камеры (фиг.2 и 3), установлены дистанционные элементы в виде проволочных колец 19а и 19b на краях листов и выступов 20а и 20b в промежутке между ними. Экраны 17а и 17b сварены между собой с образованием между ними герметичной полости 21, которая сообщается с каналом для ее предварительного вакуумирования, аналогичным трубке 16 (не показан), или с полостью 15. Через эти каналы из герметичных полостей 15 и 21 при изготовлении установки откачивают воздух с помощью вакуумного насоса, подсоединяемого к трубке шлангом. Это обеспечивает отсутствие в лишенных воздуха герметичных полостях конвективного теплообмена и сохранение минимальных значений коэффициентов поглощения теплового потока у зеркальных поверхностей экранов. Обращенная к нагревателю поверхность экрана 17b также выполнена зеркальной. Сварной шов 22, обеспечивающий герметичность полости 15, выполнен, например, диффузионной или контактной сваркой путем нагрева и сжатия в конце вакуумирования соединенной с насосом трубки 16. Дополнительный шов 23 может быть получен резкой сплющенной трубки с оплавлением и сваркой линии реза или дополнительно нанесен для надежности на торец обрезанной после диффузионной или контактной сварки трубки 16.The mirror surfaces 9 and 10 of the screens 8b and 8c facing the center of the chamber are located inside the sealed chamber and are separated from each other by distance elements in the form of a wire 14 and spherical protrusions. In this case, the screen sheets 8b, 8c and 8d are connected by welding to form a sealed cavity 15 between the sheets, which communicates with the channel for preliminary evacuation, made in the form of a tube 16 (Figs. 4 and 5). At the welding site, the tube 16 is flattened and has an oval section adjacent to the ends of the sheets 8b and 8d, and a gap is made in the remote elements 14 to connect the sealed cavity 15 with the inner channel of the tube. Between the flat screens 17a and 17b, which serve to insulate the water-cooled bottom 18 of the chamber (FIGS. 2 and 3), distance elements are installed in the form of wire rings 19a and 19b at the edges of the sheets and protrusions 20a and 20b in the gap between them. The screens 17a and 17b are welded together with the formation of a sealed cavity 21 between them, which communicates with the channel for its preliminary evacuation, similar to the tube 16 (not shown), or with the cavity 15. Through these channels, the sealed cavities 15 and 21 are pumped out during the manufacture of the installation air using a vacuum pump connected to the tube by a hose. This ensures the absence of airtight cavities of convective heat transfer and the preservation of minimum values of the absorption coefficients of the heat flux at the mirror surfaces of the screens. The surface of the screen 17b facing the heater is also mirrored. The weld seam 22, which ensures the tightness of the cavity 15, is made, for example, by diffusion or resistance welding by heating and compression at the end of the evacuation of the tube 16 connected to the pump. An additional seam 23 can be obtained by cutting a flattened tube with fusion and welding of the cutting line or additionally applied for reliability on the end of the tube 16 cut off after diffusion or resistance welding.

Вертикальные 8b, 8с и 8d листы-экраны вместе со сваренными с ними горизонтальными листами 17а и 17b образуют контейнер 24, внутри которого размещены другие листы-экраны 8 и отражатель 7. В верхней части этого контейнера к вертикальным листам приварены грузоподъемные захваты 25 для подъема и установки экранов в камеру.The vertical screen sheets 8b, 8c and 8d, together with the horizontal sheets 17a and 17b welded with them, form a container 24, inside which other screen sheets 8 and a reflector 7 are placed. In the upper part of this container, lifting grips 25 are welded to the vertical sheets for lifting and Installing screens in the camera.

В варианте изобретения (фиг.6) герметичная полость 26 соединена каналом 27, выполненным во фланце камеры 1 печи с магистралью 28 и вентилем 29 (фиг.1). На магистрали 28 установлен вакуумный датчик 30, позволяющий контролировать наличие вакуума в полости 26. Полость 26 при необходимости может подключаться через гибкий шланг и вентиль 29 к вакуумному насосу 31 для предварительной откачки из нее воздуха перед пуском установки, а также в случае повышения давления в полости 26 из-за появления натекания через сварные швы или соединения трубопроводов. Подобное решение может использоваться и для контейнера 24. Возможно также использование для вакуумирования полости 26 вакуумной системы, используемой для откачки воздуха из рабочей камеры.In the embodiment of the invention (Fig.6), the sealed cavity 26 is connected by a channel 27 made in the flange of the chamber 1 of the furnace with the highway 28 and the valve 29 (Fig.1). A vacuum sensor 30 is installed on the line 28, which makes it possible to control the presence of vacuum in the cavity 26. If necessary, the cavity 26 can be connected through a flexible hose and valve 29 to the vacuum pump 31 for preliminary pumping of air from it before starting the installation, as well as in case of increasing pressure in the cavity 26 due to leakage through welds or pipe joints. A similar solution can be used for the container 24. It is also possible to use for evacuation of the cavity 26 of the vacuum system used to pump air from the working chamber.

При работе устройства исходное сырье загружают через открытую малую крышку 3 в тигель 6, после чего малую крышку закрывают и из внутренней полости камеры 1 вакуумными насосами через вакуумную магистраль (не показаны) откачивают воздух. После достижения давления, равного 10-1-10-3 Па, через водоохлаждаемые токоподводы 32, установленные в большой крышке 2, подают напряжение на нагреватель 4. Под действием проходящего через нагреватель тока вольфрамовые прутки постепенно разогреваются до температуры 2100-2200°С. Благодаря наличию зеркальных поверхностей 9-11, почти все тепловое излучение разогретых вольфрамовых прутков в радиальном направлении отражателем 7 и экранами 8 направляется на тигель и идет на разогрев тигля и плавление шихты. Аналогичный эффект дает в осевом направлении обращенная к нагревателю зеркальная поверхность экрана 17b. Это снижает расход электроэнергии, позволяет использовать нагреватели меньшей мощности и уменьшает потери тепла через водоохлаждаемые боковые стенки и дно камеры 1.When the device is operating, the feedstock is loaded through an open small cover 3 into a crucible 6, after which the small cover is closed and air is pumped out of the inner cavity of the chamber 1 by vacuum pumps through a vacuum line (not shown). After reaching a pressure of 10 -1 -10 -3 Pa, a voltage is applied to the heater 4 through the water-cooled current leads 32 installed in the large cover 2. Under the action of the current passing through the heater, the tungsten rods are gradually heated to a temperature of 2100-2200 ° C. Due to the presence of mirror surfaces 9-11, almost all the thermal radiation of the heated tungsten rods in the radial direction by the reflector 7 and screens 8 is directed to the crucible and goes to heat the crucible and melt the charge. A similar effect is achieved in the axial direction of the mirror surface of the screen 17b facing the heater. This reduces the energy consumption, allows the use of heaters of lower power and reduces heat loss through the water-cooled side walls and the bottom of the chamber 1.

После расплавления шихты с помощью водоохлаждаемого штока 33 в расплав опускают затравку (пластинку кристалла сапфира) и уменьшают ток нагревателя. При этом, благодаря наличию зеркальных экранов и большому числу вольфрамовых прутков под тиглем формируется температурное поле с минимальными температурами на оси тигля в зоне опускания затравки, где и начинается рост кристалла. Затем по мере дальнейшего понижения температуры и подъема затравки кристаллизуются все более низкие центральные и донные слои, где теплопередача теплопроводностью через подставку 5 велика, а формирующийся кристалл приподнимается штоком через затравку над стенками тигля. Медленнее всего, благодаря экранам, остывают наиболее удаленные от центра в радиальном направлении участки формирующегося монокристалла, благодаря чему менее тугоплавкие примеси исходной шихты остаются на этих участках и могут быть затем легко удалены.After the charge is melted using a water-cooled rod 33, a seed (sapphire crystal plate) is lowered into the melt and the heater current is reduced. Moreover, due to the presence of mirror screens and a large number of tungsten rods, a temperature field is formed under the crucible with minimum temperatures on the axis of the crucible in the zone of lowering the seed, where the crystal begins to grow. Then, as the temperature decreases further and the seed rises, all lower central and bottom layers crystallize, where the heat transfer by heat conductivity through the support 5 is large, and the formed crystal is lifted by the rod through the seed over the crucible walls. Thanks to the screens, the sections of the forming single crystal, which are the most distant from the center in the radial direction, cool down most slowly, due to which the less refractory impurities of the initial charge remain in these areas and can then be easily removed.

Для ускорения процесса охлаждения полученного монокристалла внутрь камеры через запорный вентиль, установленный на вакуумной системе (не показан), напускают инертный газ (обычно аргон). В результате преимущественным видом теплопередачи вместо излучения становится конвективный теплообмен, и наличие зеркальных поверхностей экранов не оказывает существенного влияния на время охлаждения и производительность печи. После охлаждения малую крышку печи открывают и кристалл извлекают из печи, далее цикл повторяется.To accelerate the cooling process of the obtained single crystal, an inert gas (usually argon) is introduced into the chamber through a shut-off valve mounted on a vacuum system (not shown). As a result, convective heat transfer becomes the predominant type of heat transfer instead of radiation, and the presence of mirror surfaces of the screens does not significantly affect the cooling time and furnace productivity. After cooling, the small furnace lid is opened and the crystal is removed from the furnace, then the cycle repeats.

Описанное техническое решение может быть использовано как в новых, так и в уже действующих устройствах для выращивания кристаллов. Число используемых для теплоизоляции листов-экранов с зеркальной поверхностью, размещенных внутри герметичных вакуумных полостей, определяется конкретными условиями применения устройства и технологическими параметрами. Контейнер 24, образованный экранами с зеркальными поверхностями, расположенными в герметичной полости, может использоваться как в сочетании с экраном с зеркальной поверхностью, совмещенным со стенкой камеры, так и независимо от него, и наоборот.The described technical solution can be used both in new and in existing devices for growing crystals. The number of sheet-screens with a mirror surface used for thermal insulation placed inside sealed vacuum cavities is determined by the specific conditions of use of the device and technological parameters. The container 24, formed by screens with mirror surfaces located in an airtight cavity, can be used both in combination with a screen with a mirror surface aligned with the chamber wall, and independently of it, and vice versa.

Изобретение может быть также использовано для получения монокристаллов, имеющих форму, отличную от наиболее распространенной цилиндрической. В этом случае возможно получение нужной конфигурации температурного поля с помощью изменения коэффициента отражения расположенных в герметичных полостях зеркальных поверхностей экранов в соответствии с необходимой формой монокристалла.The invention can also be used to obtain single crystals having a shape different from the most common cylindrical. In this case, it is possible to obtain the desired configuration of the temperature field by changing the reflection coefficient located in the sealed cavities of the mirror surfaces of the screens in accordance with the desired shape of the single crystal.

Источники информацииInformation sources

1. Патент РФ №2338140. МПК F27B 5/04 (2006.01).1. RF patent No. 2338140. IPC F27B 5/04 (2006.01).

2. Патент РФ №2227821. МПК С30В 15/34, С30В 15/14 (прототип).2. RF patent No. 2227821. IPC С30В 15/34, С30В 15/14 (prototype).

Claims (8)

1. Устройство для выращивания монокристаллов сапфира, включающее вакуумную камеру, электронагреватель, тигель для плавки сырья, отражатель и тепловые экраны из разделенных промежутками металлических листов, отличающееся тем, что, по меньшей мере, два последовательно расположенных металлических листа-экрана соединены по краям сварными швами с образованием между ними герметичной полости, которая соединена с каналом для вакуумирования, обращенные к оси камеры поверхности листов внутри герметичной полости выполнены зеркальными, а промежутки между листами-экранами снабжены дистанционными элементами.1. A device for growing sapphire single crystals, comprising a vacuum chamber, an electric heater, a crucible for melting raw materials, a reflector and heat shields from gap-separated metal sheets, characterized in that at least two consecutive metal sheet-screens are connected along the edges by welds with the formation between them of a sealed cavity, which is connected to the channel for evacuation, facing the axis of the chamber, the surfaces of the sheets inside the sealed cavity are mirrored, and between heel between screens sheets are provided with spacers. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дистанционные элементы по торцам листов выполнены в виде отбортовки.2. The device according to claim 1, characterized in that the distance elements at the ends of the sheets are made in the form of a flanging. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дистанционные элементы по торцам листов выполнены в виде проволоки.3. The device according to claim 1, characterized in that the distance elements at the ends of the sheets are made in the form of a wire. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дистанционные элементы выполнены в виде периодически повторяющихся выступов на листах-экранах.4. The device according to claim 1, characterized in that the distance elements are made in the form of periodically repeating protrusions on the sheets-screens. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что наиболее удаленный от нагревателя лист-экран с зеркальной поверхностью одновременно является внутренней стенкой вакуумной камеры.5. The device according to claim 1, characterized in that the sheet-screen with the mirror surface most remote from the heater is simultaneously the inner wall of the vacuum chamber. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что канал для вакуумирования герметичной полости между листами-экранами выполнен в виде трубки, один конец которой сварен с листами, формирующими герметичную полость, а другой конец трубки имеет сварной шов, образованный после вакуумирования сплющиванием и сваркой стенок трубки.6. The device according to claim 1, characterized in that the channel for evacuating the airtight cavity between the sheet screens is made in the form of a tube, one end of which is welded with sheets forming the airtight cavity, and the other end of the tube has a weld formed after evacuation by flattening and welding the walls of the tube. 7. Устройство по любому из пп.2, 3, 4, отличающееся тем, что вертикальные листы-экраны, формирующие герметичную полость, снабжены грузоподъемными захватами и сварены с горизонтальными листами-экранами таким образом, что они образуют контейнер для загрузки и выгрузки из вакуумной камеры отражателя и листов-экранов.7. The device according to any one of paragraphs.2, 3, 4, characterized in that the vertical sheets of screens forming an airtight cavity are equipped with lifting grippers and welded with horizontal sheets of screens so that they form a container for loading and unloading from a vacuum reflector cameras and sheet screens. 8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что канал для вакуумирования герметичной полости между листами-экранами снабжен запорным вентилем, установленным с возможностью подключения к вакуумному насосу. 8. The device according to claim 5, characterized in that the channel for evacuating the airtight cavity between the sheet-screens is equipped with a shut-off valve installed with the ability to connect to a vacuum pump.
RU2009101867/05A 2009-01-21 2009-01-21 Apparatus for growing sapphire monocrystals RU2419689C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009101867/05A RU2419689C2 (en) 2009-01-21 2009-01-21 Apparatus for growing sapphire monocrystals

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009101867/05A RU2419689C2 (en) 2009-01-21 2009-01-21 Apparatus for growing sapphire monocrystals

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2009101867A RU2009101867A (en) 2010-07-27
RU2419689C2 true RU2419689C2 (en) 2011-05-27

Family

ID=42697824

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009101867/05A RU2419689C2 (en) 2009-01-21 2009-01-21 Apparatus for growing sapphire monocrystals

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2419689C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102936753A (en) * 2012-10-13 2013-02-20 洛阳金诺机械工程有限公司 Cage-type heating unit for crystal growth
RU2630728C2 (en) * 2012-12-20 2017-09-12 Планзее ЗЕ Thermal screening system

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102936753A (en) * 2012-10-13 2013-02-20 洛阳金诺机械工程有限公司 Cage-type heating unit for crystal growth
RU2630728C2 (en) * 2012-12-20 2017-09-12 Планзее ЗЕ Thermal screening system
US9803925B2 (en) 2012-12-20 2017-10-31 Plansee Se Thermal shielding system

Also Published As

Publication number Publication date
RU2009101867A (en) 2010-07-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1216971A1 (en) The method for manufacturing vacuum glazing and its application mechanical system
US10094040B2 (en) Controlling a temperature of a crucible inside an oven
US9982361B2 (en) Liquid-cooled heat exchanger
RU2326319C2 (en) Induction furnace for operation at high temperatures
CN102896391B (en) A kind of chain type vacuum furnace
CN102206809A (en) High temperature vacuum baking furnace and operation method thereof
CN106705649A (en) Industrial vacuum smelting furnace
CN201740384U (en) High-temperature vacuum baking oven
RU2419689C2 (en) Apparatus for growing sapphire monocrystals
CN203373445U (en) Gradient-adjusted-axial-temperature heat insulation structure applied to Kyropoulos-method sapphire monocrystal growth
JP6461329B2 (en) Silicon oxide manufacturing apparatus and preparation method
CN111977940A (en) Multifunctional quartz glass continuous melting furnace
RU88678U1 (en) DEVICE FOR GROWING SAPPHIRE SINGLE CRYSTALS
CN110484965A (en) A kind of gallium oxide crystal and its growing method and grower
CN103352247A (en) Axial temperature gradient-adjustable insulation structure applied to growth of sapphire single crystals by Kyropoulos method
CN1300389C (en) Apparatus for annealing of crystal with high temp. resistance
CN212532732U (en) Multifunctional quartz glass continuous melting furnace
CN109210930A (en) A kind of multicell horizontal vacuum furnace producing silicon monoxide and silicon monoxide preparation method
CN205537094U (en) Fill water cooling formula hydrogen sintering stove
CN103243386A (en) Polysilicon ingot-casting furnace system
RU128302U1 (en) MELTING BLOCK WITH A SECTIONAL COLD TIGLE FOR Smelting active refractory metals and their alloys
CN2680686Y (en) Thermostable crystal annealing apparatus
CN105463565A (en) Quartz glass melting furnace
JP2987799B2 (en) Single crystal pulling device
CN110760929A (en) Production equipment of straight pull type single crystal silicon rod

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20140122