Пристрій для вирощування монокристалів

Пристрій для вирощування монокристалів, що містить ростову піч, тигель з кільцевою порожниною, донний і бічний нагрівачі з блоками корекції їх температури, підживлювач із транспортною труб C2 2 (19) 1 3 71835 4 римача. заний із третім входом блокa корекції температури Датчик рівня розплаву зв'язаний із блоком кодонного нагрівача, а другим виходом - із другим рекції температури донного нагрівача та цифровходом блока обробки даних, що першим виходом вим блоком обробки даних, що з'єднаний з піджиз'єднаний з живильником. Вхід і вихід блока керувлювачем. Вхід і вихід блока керування вання переміщенням кристалотримача підключепереміщенням кристалотримача, що підключений ний до четвертого виходу і першого входу цифродо цифрового блоку обробки даних, вихід якого і вого блока обробки даних, відповідно, другий вихід вихід блока керування переміщенням кристалотякого і другий вихід блока керування переміщенримача підключені до блока корекції температури, ням підключені, відповідно, до першого і другого з'єднаного з донним нагрівачем. Вихід схеми порівходів блока корекції температури, вихід якого вняння заданої та фактичної швидкості зміни рівня з’єднаний з донним нагрівачем. Третій вихід цифрозплаву цифрового блока обробки даних підклюрового блока обробки даних підключений до входу чений до входу блоку корекції температури бічного блока формування сигналу керування, вихід якого нагрівача, а вихід блока корекції з'єднаний з бічз'єднаний з першим входом блока корекції темпеним нагрівачем. ратури бічного нагрівача, а вихід якого підключеВідомим є пристрій для вирощування монокний до бічного нагрівача. ристалів (патент України №43077А, 330В15/20), Недоліком відомих пристроїв є відсутність конщо містить ростову піч, донний та бічний нагрівачі, тролю над температурою кільцевої порожнини тигель з кільцевою порожниною, підживлювач із тигля, тому що після переходу на ріст у довжину транспортною трубкою, датчик рівня розплаву, зростаючий монокристал починає додатково підігблок керування переміщенням кристалотримача, рівати кільцеву порожнину тигля (на якій відбуващо включає до себе електропривод, датчик переється плавлення вихідної сировини з активатоміщення та блок контролю величини переміщення ром), що у свою чергу призводить до зміни фронту кристалотримача. Пристрій також містить наступні кристалізації, і, відповідно, до зміни об'єму розпблоки: цифровий блок обробки даних, що включає лаву в тиглі. Це у свою чергу викликає зміну діаблоки: обчислювальний та керування підживленметра кристала, тому що формування керуючого ням, завдання та порівняння тимчасових інтервасигналу для блока корекції температури бічного лів, заданої та фактичної швидкості зміни рівня нагрівача (від якої і залежить, в основному, темперозплаву і схему порівняння цих швидкостей; блоратура кільцевої порожнини тигля) здійснюється ки корекції температури донного і бічного нагріватільки по швидкості зміни рівня розплаву, що прячів та контури компенсації швидко мінливих збумо залежить від зміни об'єму розплаву, і, відповідрень по напрузі живлення, що включають до себе но, збільшує похибки регулювання, що у свою чердатчики потужності, підсилювачі-суматори та Підгу знижує якість монокристалу. контролери. По тій же причині контури компенсації швидко Датчик рівня розплаву зв'язаний із блоком комінливих збурень по напрузі живлення бічного рекції температури донного нагрівача та цифронагрівача не враховують додаткової передачі тепвим блоком обробки даних, що з'єднаний з піджила від зростаючого кристалу до кільцевої порожвлювачем. Вхід і вихід блока керування нини тигля, на якій відбувається плавлення вихідпереміщенням кристалотримача підключений до ної сировини з активатором. Унаслідок чого немає цифрового блоку обробки даних, вихід якого і виконтролю над випаром активатора з кільцевої похід блока керування переміщенням підключені до рожнини тигля, що призводить до зміни концентблока корекції температури донного нагрівача. рації активатору в розплаві і, відповідно, до неодВихід схеми порівняння заданої та фактичної швинорідності розподілу активатору по об'єму дкості зміни рівня розплаву цифрового блока обкристала. робки даних підключений до входу блоку корекції До того ж, немає стабільності підживлення ротемператури бічного нагрівача. Виходи блоків козплаву в часі, й, виходить, що блок формування рекції температури через контури компенсації збусигналу керування не може контролювати кількість рень підключені до донного та бічного нагрівачів. керуючих впливів на стадії підживлення, тому зроВідомим є пристрій для вирощування монокстає ймовірність помилки керування діаметром ристалів (патент України №46475А, 330В15/20), кристала, що так само знижує якість монокристащо містить ростову піч, донний і бічний нагрівачі з лів. блоками корекції їхньої температури, тигель з кіЯк прототип обраний останній з аналогів. льцевою порожниною, підживлювач із транспортВ основу винаходу поставлена задача ствоною трубкою, датчик рівня розплаву, блок керурення пристрою для вирощування монокристалів, вання переміщенням кристалотримача, що містить що забезпечив би поліпшення якості монокристаелектропривід та датчик переміщення, а також лів за рахунок утримання мінімальної різниці темцифровий блок обробки даних, що включає блоки: ператури кільцевої порожнини тигля щодо темпеобчислювальний та керування підживленням, заратури розплаву шляхом додаткової корекції вдання та порівняння тимчасових інтервалів, затемператури бічного нагрівача по окремому контуданої та фактичної швидкості зміни рівня розплаву рові. і схему порівняння цих швидкостей. Крім того, приВирішення задачі забезпечується тим, що в стрій містить блок формування сигналу керування, пристрої для вирощування монокристалів, що місщо включає до себе блок логіки, логічні елементи тить ростову піч, тигель з кільцевою порожниною, «НІ» і «2І-2АБО-НІ» та блок визначення прогнознодонний і бічний нагрівачі з блоками корекції їхньої го значення сигналу помилки керування. температури, підживлювач із транспортною трубДатчик рівня розплаву першим виходом зв'якою, датчик рівня розплаву, блок керування пере 5 71835 6 міщенням кристалотримача, цифровий блок оброзводить до додаткового випару активатора з кільбки даних, а також блок формування сигналу кецевої порожнини, що викликає зменшення конценрування, при цьому датчик рівня розплаву першим трації активатору в розплаві, й, відповідно, у крисвиходом зв'язаний із третім входом блока корекції талі. Зміна ФК викликає зміну об'єму розплаву, що температури донного нагрівача, а другим виходом так само призводить до коливання концентрації - із другим входом блока обробки даних, що перактиватора в розплаві. У свою чергу, зміна об'єму шим виходом з'єднаний з підживлювачем, вхід і розплаву призводить до зміни швидкості падіння вихід блоку керування переміщенням кристалотрівня розплаву, тобто до коливань діаметру зросримача підключений до четвертого виходу і пертаючого кристала. шого входу цифрового блока обробки даних, відТаким чином, на цьому етапі потрібно контроповідно, другий вихід якого і другий вихід блока лювати не тільки стабільність ФК і діаметра крискерування переміщенням кристалотримача підктала, але й концентрацію активатору в розплаві. лючені, відповідно, до першого і другого входів Використання датчика температури кільцевої блока корекції температури, вихід якого з'єднаний порожнини та блоку порівняння заданої і фактичз донним нагрівачем, третій вихід цифрового блоної температур зазначеної порожнини шляхом ка обробки даних підключений до входу блока фопідтримки мінімальної різниці температур кільцермування сигналу керування, вихід якого з'єднаний вої порожнини тигля і розплаву дозволяє стабіліз першим входом блока корекції температури бічзувати підживлення розплаву в часі, що дає можного нагрівача, а його вихід підключений до бічноливість блокові формування сигналу керування го нагрівача, відповідно до винаходу, в нього доконтролювати кількість керуючих впливів на стадії датково введені датчик температури кільцевої підживлення розплаву й, тим самим, зменшити порожнини тигля та блок порівняння заданої і факймовірність помилки керування діаметром зростатичної температури зазначеної я порожнини, вихід ючого кристалу. якого з'єднаний із другим входом блока корекції Датчик температури кільцевої порожнини тигтемператури бічного нагрівача, а перший вхід підля та блок порівняння температур зазначеної поключений до виходу датчика температури, на друрожнини дозволяють формувати сигнал для блока гий вхід зазначеного блока порівняння температур корекції температури бічного нагрівача. При цьому подається фіксоване значення заданої температузадана температура (Тз), величина якої подається ри кільцевої порожнини тигля. на другий вхід зазначеного блока порівняння темВикористання датчика температури кільцевої ператур, має фіксоване значення для кожного мапорожнини тигля та блока порівняння заданої і теріалу, що використовується для вирощування фактичної температур кільцевої порожнини дозвомонокристалів. Так, наприклад, для Csl - Ткр (темляє виключити суб'єктивний фактор при підтримці пература кристалізації) = 621°С. Блок порівняння мінімальної різниці температури кільцевої порожтемператур у процесі роботи підтримує співвіднонини тигля щодо температури розплаву. До цього шення: (Тфакт.-Тз)>min, впливаючи на бічний наапаратник корегував температуру вручну, порівгрівач через його блок корекції температури. нюючи її шляхом візуального спостереження. Таким чином, використання датчика темпераНеобхідність підтримки мінімальної різниці тетур кільцевої порожнини тигля та блоку порівняння мператур кільцевої порожнини тигля і розплаву температур дозволяє на усіх стадіях процесу рособумовлена специфікою вирощування монокристу кристала підтримувати стабільність ФК і діаметталів методом витягування на запалі при постійра зростаючого кристала, швидкість підживлення ному рівні розплаву. розплаву в часі, а, отже, й однорідність розподілу У процесі розрощування кристалу до заданого активатора по об'єму кристала (Фіг.2), що у свою діаметра, температура кільцевої порожнини тигля чергу призводить до поліпшення якості вирощених повинна забезпечувати: проплавлення вихідної монокристалів. сировини - з однієї сторони і не перегрівати поверНа Фіг.1 представлена структурна схема прихню розплаву - з іншої, тому що перегрів поверхні строю для вирощування монокристалів, що заяврозплаву прийдеться компенсувати додатковим ляється; зниженням температури донного нагрівача (Тд), а на Фіг.2 приведений розподіл концентрації акце викличе збільшення фронту кристалізації (ФК). тиватора по довжині кристала для пристрою, що На цьому етапі на температуру кільцевої порожзаявляється, - крива 1 та прототипу - крива 2; нини тигля впливає тільки бічний нагрівач. Але з у таблиці приведені сцинтиляційні характерисмоменту переходу на ріст кристала в довжину і до тики великогабаритних монокристалів для призакінчення вирощування на температуру кільцевої строю, що заявляється, та прототипу. порожнини починає додатково впливати донний Пристрій для вирощування монокристалів нагрівач шляхом передачі тепла від бічної поверх(Фіг.1) містить ростову піч 1, тигель 2, кільцеву ні зростаючого кристалу. На цьому дуже відповіпорожнину 2а тигля 2, донний 3а та бічний 3б надальному етапі будь-який перегрів кільцевої порогрівачі, підживлювач 4 із транспортною трубкою 5, жнини тигля призведе до перегріву поверхні датчик рівня розплаву 6, блок 7 керування перерозплаву, від чого відбудеться зміна ФК, що у міщенням кристалотримача 8, цифровий блок 9 свою чергу може викликати необоротні наслідки на обробки даних, блоки 10 та 11 корекції температуФК (захоплення фази домішку, сторонніх вклюри донного та бічного нагрівачів, відповідно, блок чень, тощо). 12 формування сигналу керування, датчик 13 темДо того ж з початком росту кристала в довжиператури кільцевої порожнини 2а тигля 2, блок 14 ну у вихідну сировину вводиться легко леткий акпорівняння заданої (Тз) та фактичної (Тф) темпетиватор, і перегрів кільцевої порожнини тигля приратури кільцевої порожнини 2а. 7 71835 8 Крім того, на Фіг.1 зображені вирощуваний морадіально розрощують монокристал 15 до заданонокристал 15 та запал 16, укріплений у кристалотго діаметру 320мм протягом 16-20 годин. римачі 8, з'єднаному з блоком 7 керування переПо досягненні заданого діаметра включають міщенням кристаллодержателя. блоки керування ростом монокристала. При цьому Датчик 6 рівня розплаву з'єднано за допомодатчик 6 рівня розплаву безупинно видає інфоргою щупа з тиглем 2 ростової печі 1. Перший і друмацію про положення рівня розплаву на третій гий виходи датчика 6 підключені, відповідно, до вхід блока 10 корекції температури донного нагрітретього входу блока 10 корекції температури вача 3а і другий вхід цифрового блока 9 обробки донного нагрівача 3а і другому входові цифрового даних. З четвертого виходу блока 9 обробки даних блока 9 обробки даних, перший вихід якого з'єднаподається сигнал на блок 7 керування переміщенний з підживлювачем 4. ням кристалотримача для його переміщення вгору Вхід і перший вихід блока 7 керування перена величину hК і одночасно з другого виходу бломіщенням кристалотримача 8 підключені до четка 9 обробки даних на перший вхід блока 10 коревертого виходу і першого входу цифрового блока 9 кції температури донного нагрівача 3а надходить обробки даних, другий вихід якого і другий вихід сигнал для запам'ятовування реального значення блока 7 керування переміщенням кристалотримарівня розплаву, вимірювана величина якого надча підключені, відповідно, до першого і другого ходить з першого виходу датчика 6 рівня розплаву входів блока 10 корекції температури донного нана третій вхід блока 10 корекції температури донгрівача 3а. На четвертий вхід блока 10 поданий ного нагрівача 3а, тобто значення положення рівня сигнал завдання рівня розплаву h0. Третій вихід розплаву hH до початку підйому кристалотримацифрового блока 9 обробки даних підключений до ча 8. входу блока 12 формування сигналу керування, Підйом кристалотримача 8, а, отже, й перемівихід якого з'єднаний з першим входом блока 11 щення монокристалу 15 на величину hК=1мм корекції температури, що з'єднаний з бічним нагріздійснюється по ланцюгу перший вихід блока 7 вачем 3б. керування переміщенням - перший вхід блока 9 Чуттєвий елемент датчика 13 температури обробки даних - четвертий вихід цього ж блока спрямований на кільцеву порожнину 2а тигля 2, вхід блоки 7 керування переміщенням кристалотвихід датчика 13 з'єднаний з першим входом блока римача 8. Одночасно з другого виходу блока 7 14 порівняння заданої та фактичної температури керування переміщенням кристалотримача 8 на кільцевої порожнини 2а, на другий вхід блока 14 другий вхід блока 10 корекції температури донного порівняння поданий сигнал заданої температури, а нагрівача надходить сигнал, що дозволяє порівйого вихід з'єднаний із другим входом блока 11 няння різниці між рівнем розплаву, що запам'ятали корекції температури бічного нагрівача 3б. до початку витягування (hH), та реальним рівнем У конкретному прикладі реалізації пристрою розплаву після витягування (hК), що надійшов з всі загальні з прототипом блоки виконані аналогічпершого виходу датчика 6 рівня розплаву на треними, тому їхній докладний опис не проводиться, тій вхід блоку 10 корекції температури, із сигналом хоча вони можуть бути виконані й інакше зі зберезавдання ( h0) на четвертому вході блока10 кореженням їхніх основних функцій. кції температури донного нагрівача 3а. Датчик 13 температури кільцевої порожнини є За результатами порівняння з виходу блока 10 стандартним вузлом тепловізору з погрішністю видається сигнал на зміну температури донного виміру температури ±0,1°С. нагрівача 3а. При h=hК-hH h0 - підператури кільцевої порожнини побудований на вищується. основі АЦП, ЦАП та мікроконтролера фірми Потім із другого виходу цифрового блока 9 об«Atmel». робки даних на перший вхід блока 10 корекції темПристрій для вирощування монокристалів, що ператури видається сигнал на припинення порівзаявляється, працює наступним чином. няння. Через перший вихід блока 9 обробки даних Для вирощування у даному пристрої монокривидається сигнал на підживлювач 4 і здійснюється сталів йодиду цезію, активованого талієм, діаметпідживлення розплаву вихідною сировиною з акром 320 та висотою 600мм у ростову камеру 1 тиватором, що з підживлювача 4 по транспортній встановлюють тигель 2, у який завантажують витрубці 5 надходить у кільцеву порожнину 2а тигля сушену первинну сировину. Далі вакуумують об'єм 2, розплавляється на ній за рахунок зміни потужростової камери 1 і сушать сировину при відкачуності бічного нагрівача 3б та далі стікає в тигель 2. ванні з нагріванням до 500°С упродовж 24 годин. По досягненні заданого рівня розплаву в тиглі Після чого підвищують температури донного 3а та 2 із другого виходу датчика 6 рівня розплаву через бічного 3б нагрівачів до 850°С і розплавляють сидругий вхід блока 9 обробки даних надходить сигровину в тиглі 2. нал на відключення підживлення. Після розплавлювання сировини в тиглі 2 ввоЗ початком відліку часу до чергового циклу з дять у роботу щуп датчика 6 рівня розплаву і робдругого виходу датчика 6 рівня розплаву через лять торкання запалу 16 з розплавом, оплавляють другий вхід цифрового блока 9 обробки даних бейого шляхом зниження температури донного назупинно надходить інформація про положення грівача 3а до 820°С, при якій плавлення запалу рівня розплаву на стадії росту монокристала. У 16 припиняється. Витримують запал 16 у контакті з цифровому блоці 9 обробки даних визначається розплавом при цій температурі протягом однієї швидкість зміни рівня розплаву. Результати виміру години. Потім шляхом зниження температури доншвидкості зміни рівня та помилки керування через ного нагрівача 3а зі швидкістю 3-4°С на годину третій вихід цифрового блока 9 обробки даних 9 71835 10 надходять на блок 12 формування сигналу керугий вхід блока 14 надходить сигнал, пропорційний вання. заданій температурі Тз. Блок 14 порівняння темБлок 12 формування сигналу керування через ператур у процесі роботи підтримує співвідношенперший вхід блоку 11 корекції температури бічного ня: Тф-Тз>mіn, при цьому його вихід поданий на нагрівача здійснює керування потужністю бічного другий вхід блока 11 корекції температури, додатнагрівача 3б як на стадії росту монокристала, так і ково впливаючи на бічний нагрівач 3,. на стадії підживлення розплаву. Таким чином, у пропонованому винаході на У процесі вирощування монокристалу 15 чутвсіх стадіях процесу росту монокристала підтритєвий елемент датчика 13 контролює температуру мується стабільність ФК, швидкість підживлення кільцевої порожнини 2а тигля 2, формуючи сигнал розплаву й однорідність розподілу активатора по фактичної температури Тф, що надходить на пероб'єму монокристала (Фіг.2), чим забезпечується ший вхід блока 14 порівняння температур. На друпідвищення його якості. Таблиця Прототип 1 2 3 0,6 0,5 0,5 Відносне відхилення діаметру монокристала, d/d, % Витрати товарної продукції, % 30 30 25 Характеристики детек- Власне енергетичне розділення, Rc, % 6,5 6,3 6,2 торів, вирізаних з булів Світловий вихід, С, У.Е.С.В. 2,5 2,6 2,7 Характеристики монокристалів Як це можна бачити з таблиці, винахід, що заявляється, у порівнянні із прототипом, дозволяє одержати монокристали високої якості, за Комп’ютерна верстка О. Гапоненко Пристрій, що заявляється 1 2 3 0,2 0,15 0,1 20 20 15 6,1 6,2 6,2 2,9 2,9 2,9 вдяки можливості здійснення більш якісного контролю їхнього росту. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601