189753. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és elrendezés elektromos fűtésű kemence hőmérsékletének és hőmérséklet eloszlásának stabilizálására
1 189.753 2 A találmány tárgya olyan eljárás és elrendezés, amelynek segítségével az elektromos fűtésű kemencében egy munkadarabot, például olvadékot tartalmazó tégelyt; széles hőmérséklet határok között gyorsan az előírt hőmérsékletre lehet juttatni, és ezen a hőmérsékleten tartani, miközben a munkadarab környezetében a hőmérsékleteloszlás előírt, például homogén. Mint ismeretes, például az izoterm folyadékfázisú epitaxiális (LPE) egykristály növesztésnél, az előállításra szolgáló olvadék-oldat hőmérsékletét meghatározott időnként ugrásszerűen változtatni kell annak termikus homogenizálására, majd az ezt követően az előírt anyagelőállítási hőmérséklet megvalósítása érdekében. Az ilyen módon előállított anyagminőségét és annak reprodukálhatóságát alapvetően az előállításra használt kemencében kialakuló időbeli hőmérséklet stabilitás és hőmérsékleteloszlás, valamint a hőmérséklet visszaállási pontosság határozza meg. Különösen érvényes ez az egytengelyű mágneses anizotrópiával rendelkező ritka-földfém-vas-gránátokra, az ún. buborékmemória anyagok előállítására, de nem kivétel ezalól a vékonyréteg -lézerek és -hullámvezetők, valamint a mikrohullámú célokra használt anyagok előállítása sem. Tömbkristályok előállításánál és azok hőkezelésénél ugyanakkor a kemence legkritikusabb termikus paramétere a növesztőtégely, illetve a tömbkristály szimmetriatengelye mentén létrehozott hőmérsékleteloszlás és annak stabilitása. Az említett példák közül a buborékmemória anyagok reprodukálható előállításánál á legszigorúbbak a kemence termikus tulajdonságaival szemben támasztott követelmények. Ezeknek az anyagoknak, a reprodukálható és termelékeny előállításával kapcsolatos kívánalom egyrészt az, hogy 1300-1400 °K-ig, a kályha meghatározott térfogatában a hosszúidejű hőmérséklet-stabilitás nem lehet rosszabb, mint ± 0,2 °K, másrészt, hogy 50-100 °K-os, esetenként többszáz °K-os, hőmérséklet ugrásnál, pontosabban az olvadéknak periodikusan ismétlődő termikus homogenizálása után, egy adott növesztési hőmérsékletre történő visszah ütésnél, a visszahűtés pontosságának í 1 K-nak kell lennie úgy, hogy a növesztő tégely új hőmérséklete gyorsan, s na nem is tranziens mentesen, de 1—2 K-os maximális amplitúdónál nem nagyobb, gyorsan lecsengő ingadozással stabilizálódjon. További követelmény, hogy a növesztő tégelyben, a hőmérsékletnek gyakorlatilag homogénnek kell lennie. Az ilyen célra szolgáló ismert kemencék elektromos ffltésűek és a kemence egy adott pontjában érzékelt tényleges, és előírt üzemi hőmérsékletek összevetésén alapuló hibajelképzővel rendelkeznek és a hibajel nagyságától és időbeli változásától függő villamos teljesítménnyel táplálkoznak. A kívánt hőmérsékleteloszlás kialakítására, vagy a kemence hőszigetelésének célszerű megválasztásával történik vagy pedig több, függetlenül táplált fűtőtesttel, amelyeket hozzájuk rendelt hibajelképzők és fűtőteljesítmény szabályzók táplálnak. A kemencének vagy annak bármely szabályozott hőmérsékletű részének, csak egyetlen pontból vett, az aktuális hőmérséklettel arányos elektromos jel felhasználásán alapuló hőmérséklet szabályozási eljárás hátránya az, hogy a munkadarab precíz hőntartását közvetlenül megelőző hőmérséklet ugrásnál - ami az egykristályok túlhOtött olvadékból történő növesztésénél gyakran ismétlődő technológiai lépés - egyidejűleg nem teljesülhet a gyors és viszonylag tranzeinsmentes hőmérséklet beállás. Természetesen ez a munkadarab hőmérsékletére vonatkozik, mivel a hőmérséklet távadó megfelelő elhelyezésével, valamint a hőmérsékletszabályozó helyes beállításával az érzékelt (szabályozott) hőmérséklet gyors és tranziensmentes beállítása megvalósítható. A munkadarab hőmérsékletében viszont hosszú tranziens keletkezik, ami abból fakad, hogy a különböző fűtőtestek, illetve kemencerészek és a munkadarab, valamint szobahőmérsékletű külvilág közötti hőkontaktus (vezetés és sugárzás) hőmérsékletfüggő és ezért az eltérő kemencerészek hőmérsékletváltozásának sebessége is eltérő lesz. A munkadarab véghőmérséklete csak az új nyugalmi hőmérsékleteloszlásának teljes beállása után, általában igen sokára áll be. A kívánt hőmérsékleteloszlás hőszigeteléssel történő beállításának hátránya az, hogy az csak egyetlen üzemi hőmérsékleten lehet kifogástalan, széles határok között üzemeltetendő kemencékben használhatatlan. Ennek az az oka, hogy a kemence egyes részei és a munkadarab közötti, részben vezetéses, részben sugárzásos hőkezelés aránya hőmérsékletfüggő. Ezért a munkadarab és környezete hőmérsékletének kialakításában a kemence különböző része eltérő hőmérsékleten eltérő súllyal vesznek részt. A több fűtőtesttel és fűtőteljelsítmény-szabályozóval rendelkező kemencék ezt a problémát megoldják azzal, hogy elvileg lehetőség van az eltérő kemencerészek hőmérsékletének külön-külön szabályozására és így bármely üzemi hőmérsékleten beállítható a munkadarab hőmérsékletének nemcsak az értéke, hanem még a környezet hőmérsékleteloszlása is. E megoldás hátránya, hogy sok szabályozott fűtőelem esetén igen drága. A találmánnyal célunk a fentiekben vázolt valamennyi nehézség egyidejű kiküszöbölése. A találmánnyal megoldandó feladat ennek megfelelően olyan hőmérsékletszabályozási eljárás kidolgozása, amely akár többszáz °K-os hőmérséklet ugrás esetén is lehetővé teszi a munkadarab új üzemi nőmérsékletének gyors és tranziensmentes beállítását. Mindamellett célunk volt továbbá olyan elrendezés kialakítása, amelynek segítségével egy többzónás kemencénél széles hőméséklet tartományban tetszőleges hőmérsékleteloszlás az ismert megoldásnál olcsóbban valósítható meg. A találmány alapja az a felismerés, hogy a kitűzött feladat egyszerűen megoldódik, ha a kemence hőmérsékletét több ponton mérjük. A találmány szerinti eljárás tehát olyan egy, vagy több fűtőelemet tartalmazó kemence ismert hőmérsékletszabályozási eljárásnak továbbfejlesztése, amelynek során a kemence hőmérsékletét mérjük, a mért értéket egy referencia jellel összehasonlítva hibajelet képezünk, majd az így létrehozott hibajel felhasználásával szabályozzuk a hőmérsékletet, azaz a fűtőelemekbe táplált villamos teljesítményt. ' A továbbfejlesztés, vagyis a találmány abban van, hogy a hőmérséklet mérés a kemence legalább két eltérő helyén történik, a hibajel képzéshez e mért értéknek a hőmérséklet távadók számától és azok fűtőelemhez viszonyított geometriai helyzetétől függő súlyfaktorral vett kombinációját használjuk, majd a kemence visszaszabályozása az ilyen módon létrehozott hibajel felhasználásával történik. A találmány értelmében célszerű, hogy a hőmérséklet mérés során eltérő differenciális érzékenységű 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 2
