RU2656331C1

RU2656331C1 - Device for growing monocrystals

Info

Publication number: RU2656331C1
Application number: RU2017136555A
Authority: RU
Inventors: Александр Вадимович Лазукин; Анатолий Михайлович Балбашов
Priority date: 2017-10-17
Filing date: 2017-10-17
Publication date: 2018-06-04

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention relates to devices for growing single crystals by the zone melting method with light (radiation) heating and can be used in the field of technical optics. Device comprises radiation source 1 located at focus F1 of main ellipsoidal reflector 2, additional ellipsoidal reflector 3 with focus F2 and movable light shield 4 made in form of a rotation body, for example a disk. Light system is formed by main 2 and additional 3 ellipsoidal reflectors and has intermediate focusing point F3. Line OE which connects focusing points F1, F2 and F3 is the main optical axis of the light system. Consumable polycrystalline rod 5 is located in quartz flask 6 installed at focus F2 of additional ellipsoidal reflector 3. In addition flask 6 contains single crystal 7 to be formed and melting zone 8. Energy flow from radiation source 1 is collected by reflection from main reflector 2 and is directed to additional reflector 3, which concentrates radiation flux at its F2 focus. Consumable polycrystalline rod 5 is located in quartz flask 6. Closer movable light shield 4 is to intermediate focus point F3 of main 2 and additional 3 reflectors, the greater is proportion of energy not falling into the focus of additional reflector 3. At the beginning of the melting process shield 4 moves to the position corresponding to the lowest energy reaching focus F2. After formation of melting zone 8 and formation of single crystal 7, shield 4 moves from intermediate focus point F3. Shield 4 size is chosen equal to 10–25 % of the outer diameter of the main ellipsoidal reflector.

EFFECT: design of the device allows to regulate the melting mode, ensuring the uniformity of heating the melting zone and, consequently, improving the quality of the single crystal and the overall efficiency of the device.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области выращивания монокристаллов, в частности к устройствам выращивания монокристаллов методом зонной плавки со световым (радиационным) нагревом. Также изобретение может быть использовано в других областях технической оптики.The invention relates to the field of growing single crystals, in particular to devices for growing single crystals by zone melting method with light (radiation) heating. Also, the invention can be used in other fields of technical optics.

Известен способ выращивания монокристаллов и конструкция установки для его реализации, описанные в патенте US 2017/0114474 А1, МПК C30B 13/24, C30B 29/66, C30B 13/32, 27.04.2017). Установка содержит четыре эллипсоидных отражателя, в каждом из которых расположена лампа (источник света), цилиндрический световой экран, кварцевую колбу и системы удержания выращиваемого монокристалла и расходуемого поликристаллического стержня. Каждый из четырех отражателей расположен таким образом, что имеется некоторый угол между горизонтом и его оптической осью. Регулировка интенсивности фокусируемого светового потока достигается за счет перемещения цилиндрического светового экрана относительно выращиваемого монокристалла.A known method of growing single crystals and the design of the installation for its implementation, described in patent US 2017/0114474 A1, IPC C30B 13/24, C30B 29/66, C30B 13/32, 04/27/2017). The installation contains four ellipsoid reflectors, in each of which there is a lamp (light source), a cylindrical light screen, a quartz bulb and systems for holding the grown single crystal and expendable polycrystalline rod. Each of the four reflectors is located in such a way that there is a certain angle between the horizon and its optical axis. Adjusting the intensity of the focused light flux is achieved by moving the cylindrical light screen relative to the grown single crystal.

Недостатками конструкции является неравномерный (точечный) нагрев зоны переплава и фронта кристаллизации (в азимутальной плоскости) из-за недостаточного перекрытия зон нагрева отдельных ламп, что приводит к модуляции температуры на фронте кристаллизации, отрицательно сказывающегося на качестве получаемого монокристалла. Каждый из пяти вариантов конструкции цилиндрического светового экрана, описанных в патенте US 2017/0114474 А1, не способствует решению этой проблемы, а в отдельных исполнениях, например цилиндрический световой экран с вертикальными прорезями, только обострят отрицательный эффект неравномерного нагрева.The design disadvantages are uneven (spot) heating of the remelting zone and the crystallization front (in the azimuthal plane) due to insufficient overlap of the heating zones of individual lamps, which leads to temperature modulation at the crystallization front, which adversely affects the quality of the obtained single crystal. Each of the five design options for a cylindrical light screen described in US 2017/0114474 A1 does not contribute to solving this problem, and in individual versions, for example a cylindrical light screen with vertical slots, only exacerbate the negative effect of uneven heating.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для выращивания монокристаллов (патент на полезную модель RU №158160, МПК C30B 13/00, опуб. 20.12.2015) с основным эллипсоидным отражателем, в котором находится лампа (источник излучения), расположенным оптической осью вертикально, и дополнительным верхним эллипсоидным отражателем, также расположенным оптической осью вертикально, расходуемый поликристаллический стержень установлен в колбе из кварцевого стекла вблизи фокуса дополнительного верхнего эллипсоидального отражателя. Недостатком конструкции является отсутствие возможности регулировки интенсивности светового потока, фокусируемого основным и дополнительным эллипсоидными отражателями без изменения их положения, положения или тока накала лампы. Это значительно осложняет процесс выращивания монокристалла, особенно в момент начала процесса, что отражается на качестве получаемых монокристаллов и эффективности работы устройства в целом.The closest in technical essence to the invention is a device for growing single crystals (patent for utility model RU No. 158160, IPC C30B 13/00, publ. 12/20/2015) with the main ellipsoid reflector in which the lamp (radiation source) is located, the optical axis vertically, and with an additional upper ellipsoid reflector, also located vertically with the optical axis, a consumable polycrystalline rod is installed in a quartz glass bulb near the focus of the additional upper ellipsoid reflector of Tell. A design flaw is the inability to adjust the intensity of the light flux focused by the primary and secondary ellipsoidal reflectors without changing their position, position or lamp current. This greatly complicates the process of growing a single crystal, especially at the beginning of the process, which affects the quality of the obtained single crystals and the overall performance of the device.

Техническая задача изобретения заключается в обеспечении регулировки режима плавления.The technical task of the invention is to provide adjustment of the melting mode.

Техническим результатом изобретения является повышение качества получаемого монокристалла и повышение эффективности работы устройства в целом.The technical result of the invention is to improve the quality of the obtained single crystal and increase the efficiency of the device as a whole.

Это достигается тем, что известное устройство для выращивания монокристаллов, содержащее основной и дополнительный эллипсоидные отражатели, источник излучения, помещенный в фокусе основного эллипсоидного отражателя, и расходуемый поликристаллический стержень, установленный в колбе из кварцевого стекла вблизи фокуса дополнительного верхнего эллипсоидального отражателя, снабжено подвижным световым экраном, расположенным на главной вертикальной оптической оси и выполненным в виде тела вращения, причем размер подвижного экрана находится в пределах 10-25% внешнего диаметра основного эллипсоидного отражателя.This is achieved by the fact that the known device for growing single crystals containing the main and additional ellipsoid reflectors, a radiation source placed in the focus of the main ellipsoid reflector, and a consumable polycrystalline rod installed in a quartz glass bulb near the focus of the additional upper ellipsoid reflector, is equipped with a movable light screen located on the main vertical optical axis and made in the form of a body of revolution, and the size of the movable screen is It is within 10-25% of the outer diameter of the main ellipsoid reflector.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлено устройство для выращивания монокристаллов.The invention is illustrated by the drawing, which shows a device for growing single crystals.

Устройство для выращивания монокристаллов содержит источник излучения 1, расположенный в фокусе F1 основного эллипсоидного отражателя 2, дополнительный эллипсоидный отражатель 3 с фокусом F2 и подвижный световой экран 4, выполненный в виде тела вращения, например диска. Световая система образована основным 2 и дополнительным 3 эллипсоидными отражателями и имеет промежуточную точку фокусировки F3. Линия ОЕ, соединяющая точки фокусировки F1, F2 и F3, является основной оптической осью световой системы. Расходуемый поликристаллический стержень 5 расположен в кварцевой колбе 6, установленной у фокуса F2 дополнительного эллипсоидного отражателя 3. Кроме того, колба 6 содержит формируемый монокристалл 7 и зону переплава 8.A device for growing single crystals contains a radiation source 1 located in the focus F1 of the main ellipsoid reflector 2, an additional ellipsoid reflector 3 with focus F2, and a movable light screen 4 made in the form of a body of revolution, for example, a disk. The light system is formed by the main 2 and additional 3 ellipsoid reflectors and has an intermediate focus point F3. The OE line connecting the focal points F1, F2, and F3 is the main optical axis of the light system. Consumable polycrystalline rod 5 is located in a quartz flask 6, installed at the focus F2 of the additional ellipsoid reflector 3. In addition, the flask 6 contains a formed single crystal 7 and the remelting zone 8.

Устройство для выращивания монокристаллов работает следующим образом.A device for growing single crystals works as follows.

Поток энергии от источника излучения 1 собирается путем отражения от основного эллиптического отражателя 2 и направляется на дополнительный эллипсоидный отражатель 3, который концентрирует поток излучения в своем фокусе F2. Расходуемый поликристаллический стержень 5 размещается в кварцевой колбе 6. Чем ближе подвижный световой экран 4 располагается к промежуточной точке фокусировки F3 основного и дополнительного отражателей, соответственно 2 и 3, тем большая доля энергии не попадает в фокус дополнительного эллипсоидного отражателя 3. В начале процесса плавления подвижный световой экран 4 перемещается в положение, соответствующее наименьшей энергии, достигающей фокус F2. После формирования зоны переплава 8 и образования монокристалла 7 подвижный световой экран 4 перемещается от промежуточной точки фокусировки F3.The energy flow from the radiation source 1 is collected by reflection from the main elliptical reflector 2 and is directed to an additional ellipsoid reflector 3, which concentrates the radiation flux in its focus F2. The expendable polycrystalline rod 5 is located in the quartz flask 6. The closer the movable light screen 4 is located to the intermediate focusing point F3 of the main and additional reflectors, respectively 2 and 3, the greater the proportion of energy does not fall into the focus of the additional ellipsoid reflector 3. At the beginning of the melting process, the movable the light screen 4 is moved to the position corresponding to the least energy reaching the focus F2. After the formation of the remelting zone 8 and the formation of the single crystal 7, the movable light screen 4 moves from the intermediate focusing point F3.

Перемещение подвижного светового экрана 4 вдоль основной оптической оси ОЕ обеспечивает регулировку режима плавления за счет изменения потока излучения, достигающего фокус F2 дополнительного эллипсоидного отражателя 3. При этом распределение энергии излучения, падающего на незатененную поверхность дополнительного эллипсоидного отражателя 3, не изменяется и остается однородным, чем обеспечивается равномерный нагрев зоны переплава 8, а следовательно, повышается качество получаемого монокристалла 7.The movement of the movable light screen 4 along the main optical axis OE provides adjustment of the melting mode by changing the radiation flux reaching the focus F2 of the additional ellipsoid reflector 3. Moreover, the distribution of the energy of the radiation incident on the unshaded surface of the additional ellipsoid reflector 3 does not change and remains uniform, than uniform heating of the remelting zone 8 is ensured, and therefore, the quality of the resulting single crystal 7 is improved.

Экспериментально установлено, что для плавной регулировки светового потока диаметр подвижного светового экрана 4 должен находиться в пределах 10-25% от величины внешнего диаметра основного эллипсоидного отражателя 2. При диаметре менее 10% световой экран 4 не дает возможности к значительному подавлению энергии в начальный момент плавления, при диаметрах больших 25% световой экран 4, находясь в любом из положений, поглощает значительную часть энергии, что делает установку для выращивания монокристаллов неэффективной.It was experimentally established that for smooth adjustment of the light flux, the diameter of the movable light screen 4 should be within 10-25% of the outer diameter of the main ellipsoid reflector 2. At a diameter of less than 10%, the light screen 4 does not allow significant energy suppression at the initial melting , with diameters of large 25%, the light screen 4, being in any of the positions, absorbs a significant part of the energy, which makes the installation for growing single crystals inefficient.

Использование изобретения позволяет повысить качество получаемого монокристалла и эффективность работы устройства в целом.The use of the invention improves the quality of the resulting single crystal and the efficiency of the device as a whole.

Claims

A device for growing single crystals, containing the main and additional ellipsoid reflectors, a radiation source placed in the focus of the main ellipsoid reflector, and an expendable polycrystalline rod installed in a quartz glass bulb at the focus of the additional upper ellipsoid reflector, characterized in that it is equipped with a movable light screen located on the main optical axis and made in the form of a body of revolution, and the size of the movable light screen is chosen equal to 10-25% of other external diameter of the main ellipsoid reflector.