Пристрій для одержання ізотопно-чистого кремнію-28

Реферат: Пристрій для одержання ізотопно-чистого кремнію-28. Винахід належить до пристроїв 28 одержання ізотопно-чистого кремнію-28 ( Si) та може бути використаний для виробництва ізотопно-чистих матеріалів для нанотехнологій мікроелектронної та напівпровідникової техніки, сонячної енергетики тощо. Пристрій містить індукційну піч з джерелом енергії, блок вимірювання температури, який оптично з'єднаний з зоною плавлення матеріалу та електрично з'єднаний з блоком програмного керування, та блок програмного керування, який електрично з'єднаний з блоком вимірювання температури, з джерелом енергії та механізмом переміщення. Згідно з винаходом, він містить блок опромінювання, який оптично з'єднаний з зоною плавлення матеріалу та електрично з'єднаний з блоком програмного керування, причому, блок опромінювання виконує також функцію блока вимірювання температури, та додатково коліматор, який оптично з'єднаний з блоком опромінювання (лазером) і з зоною плавлення матеріалу, та забезпечує опромінювання рівномірним по перерізу параксіальним світловим потоком зони плавлення матеріалу. Блок опромінювання може переміщуватися синхронно із зоною плавлення кремнію. Технічний результат: винахід дозволяє одержати ізотопно-чистий кремній-28, підвищити ефективність процесу рафінування, знизити енерговитрати та собівартість готового продукту. UA 98725 C2 (12) UA 98725 C2 UA 98725 C2 28 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід стосується пристроїв одержання ізотопно-чистого кремнію-28 ( Si) та може бути використаний для виробництва ізотопно-чистих матеріалів для нанотехнологій мікроелектронної та напівпровідникової техніки, сонячної енергетики тощо. З розвитком нанотехнологій надзвичайно актуальною проблемою є одержання ізотопночистих матеріалів Кремній - матеріал, який найбільш широко використовують в сучасній напівпровідниковій промисловості, сонячній енергетиці. Більше 90 % мікроелектронних пристроїв виготовляють на його основі. Зростаючим попитом на світовому ринку користується моноізотопний кремній-28. Відомий пристрій одержання ізотопно-чистого кремнію-28 шляхом розділення ізотопів кремнію газовим центрифугуванням (Патент РФ № 2172642, МПК B01D 59/20, 2001). В цьому пристрої застосовують центрифуги, які здійснюють відцентрове розділення трихлорсилану на дві фракції. В легкій фракції накопичуються молекули з ізотопом кремнію-28. У важкій фракції кількість кремнію-28 зменшена. Однак, при цьому утворюються ряд побічних продуктів, які потребують додаткової переробки. Синтез та очищення кремнієхлорвмісних сполук, що утворюються, ускладнюють виробництво та підвищують собівартість кремнію-28. Відомий пристрій, вибраний як прототип, для одержання високочистого кремнію методом безтигельного зонного плавлення (Патент України № 92122, МПК (2009) С30В 13/00, Н05В 6/00, 2010). Цей пристрій містить індукційну піч з оптичним вікном, в якій розміщують заготовку кремнію, та індукційний нагрівник. Із зовнішньої сторони печі розміщений блок вимірювання температури, який встановлений перед оптичним вікном та оптично з'єднаний з зоною плавлення заготовки матеріалу та електрично з'єднаний з блоком програмного керування, та блок програмного керування, який електрично з'єднаний з блоком вимірювання температури, з джерелом енергії та механізмом переміщення. Однак, одержати в ньому ізотопно-чистий кремній-28 неможливо, оскільки в ньому відсутній блок опромінювання (лазер), який забезпечує опромінювання зони плавлення заданим рівномірним по перерізу параксіальним світловим потоком. В основу винаходу поставлена задача одержання ізотопно-чистого кремнію-28, підвищення ефективності процесу його одержання та зниження собівартості. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій для одержання ізотопно-чистого кремнію28 містить індукційну піч з джерелом енергії, блок вимірювання температури, який оптично з'єднаний з зоною плавлення матеріалу та електрично з'єднаний з блоком програмного керування, та блок програмного керування, який електрично з'єднаний з блоком вимірювання температури, з джерелом енергії та механізмом переміщення. Згідно з винаходом, він містить блок опромінювання, який оптично з'єднаний з зоною плавлення матеріалу та електрично з'єднаний з блоком програмного керування, причому, блок опромінювання виконує також функцію блока вимірювання температури, та додатково коліматор, який оптично з'єднаний з блоком опромінювання (лазером) і з зоною плавлення матеріалу, та забезпечує опромінювання рівномірним по перерізу параксіальним світловим потоком зони плавлення матеріалу. Блок опромінювання може переміщуватися синхронно із зоною плавлення кремнію. На кресленні наведена блок-схема пристрою. Пристрій містить індукційну піч 1 з оптичним вікном 2, в якій розміщують заготовку кремнію 3 та індукційний нагрівник 4. Із зовнішньої сторони печі 1 розміщений блок запуску лазера 5. Зона плавлення 6 розташована на заготовці кремнію 3. Пристрій містить блок програмного керування 7, джерело енергії 8, механізм переміщення 9 та коліматор 10, який оптично з'єднаний з лазером 11 та із зоною плавлення 6 заготовки кремнію 3. Блок запуску 5 лазера 11 та коліматор 10 входять в блок опромінювання. Пристрій працює таким чином. Після встановлення заготовки кремнію 3 в індукційну піч 1 та включення джерела енергії 8, індукційний нагрівник 4 розплавлює зону плавлення 6 заготовки кремнію 3. Теплові промені через коліматор 10 попадають в лазер 11, в якому перетворюються в електричний сигнал, що несе в собі інформацію про величину заданої температури зони плавлення 6. Цей сигнал надходить до блоку програмного керування 7, який виконує операції вирахування функції введеного в нього сигналу, і далі надходить до джерела енергії 8 та до механізму переміщення 9 заготовки кремнію та/або до механізму переміщення індукційного нагрівника 4, керує потужністю джерела енергії 8, підтримуючи задану температуру в зоні плавлення постійною на протязі всього процесу рафінування. При наявності зони плавлення світловий імпульс лазера 11 попадає в коліматор 10, в якому розширюється на задану величину і надходить до зони плавлення 6, опромінюючи її рівномірним по перерізу параксіальним світловим потоком. На час опромінювання температура зони плавлення не вимірюється. Під час опромінювання відбувається перехід ізотопів кремнію 1 UA 98725 C2 5 10 15 29 та кремнію-30 в ізотоп кремнію-28. Задана потужність дози опромінювання підтримується блоком програмного керування постійною протягом всього процесу рафінування заготовки металургійного кремнію. Процес зонного рафінування кремнію відбувається методом "плаваючої зони". Переміщення зони плавлення відбувається при переміщенні індукційного нагрівника. Оскільки блок опромінювання переміщується синхронно із зоною плавлення на поверхні розподілу фаз виникають оптимальні термодинамічні умови для одержання ізотопно-чистого кремнію-28. При цьому, відбувається перехід ізотопів кремнію-29 та кремнію-30 в ізотоп кремнію-28. Завдяки нагріванню заготовки кремнію наведеним електромагнітним полем індукційного нагрівника, інгредієнти заготовки розплавляються, частина їх, за рахунок дифузії, переміщується по заготовці, а більш легкоплавкі видаляються із зони плавлення. Запропонований пристрій при одержанні ізотопно-чистого кремнію-28 забезпечує підтримання температури зони плавлення постійною з мінімальними відхиленнями від заданої, що усуває небажані термічні напруги, які могли б призвести до погіршення чистоти кремнію або, навіть, до руйнування заготовки. Запропонований винахід дозволяє одержати ізотопно-чистий кремній-28, підвищити ефективність процесу рафінування, знизити енерговитрати та собівартість готового продукту. Таким чином, наведені дані підтверджують досягнення технічного результату при здійсненні заявленого винаходу. 20 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 1. Пристрій для одержання ізотопно-чистого кремнію-28, який містить індукційну піч з джерелом енергії, блок вимірювання температури, який оптично з'єднаний з зоною плавлення матеріалу та електрично з'єднаний з блоком програмного керування, та блок програмного керування, який електрично з'єднаний з блоком вимірювання температури, з джерелом енергії та механізмом переміщення, який відрізняється тим, що він додатково містить блок опромінювання, який оптично з'єднаний з зоною плавлення матеріалу та електрично з'єднаний з блоком програмного керування, причому, блок опромінювання виконує також функцію блока вимірювання температури, та додатково колліматор, який оптично з'єднаний з блоком опромінювання і з зоною плавлення матеріалу, та забезпечує опромінювання рівномірним по перерізу параксіальним світловим потоком зони плавлення матеріалу. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що блок опромінювання виконаний з можливістю переміщуватися синхронно із зоною плавлення кремнію. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 2