Способ выращивания монокристаллов из расплава

 

Изобретение относится к технологии выращивания монокристаллов из вязких расплавов тугоплавких оксидов методом Чохральского для получения объемных профилированных монокристаллов с высокой степенью совершенства структуры. Сущность изобретения: в способе выращивания монокристаллов из расплавов тугоплавких оксидов на затравочный кристалл по методу Чохральского выращивание проводят из нагревателя, установленного в тигель и выполненного из собранных в секции U-образных ламелей, изогнутых в виде чаши по внутренней форме тигля, ориентированные грани затравочного кристалла располагают между секциями нагревателя, а количество секций нагревателя соответствует количеству граней затравочного кристалла. Способ позволяет увеличить выход монокристаллов с качественной структурой, увеличить загрузку шихты и получить крупногабаритные монокристаллы, сократить затраты электроэнергии и расход исходных дорогостоящих высокочистых материалов на единицу изделий. 3 ил.

Изобретение относится к производству монокристаллов и может быть использовано в технологии выращивания монокристаллов из вязких расплавов тугоплавких оксидов методом Чохральского для получения объемных профилированных монокристаллов с высокой степенью совершенства структуры.

Технической задачей, решаемой изобретением, является создание способа выращивания объемных монокристаллов круглой формы в однородном тепловом поле без дефектов структуры, связанных с наличием малоугловых границ, предотвращение переохлаждения на растущих гранях монокристаллов и образования двойников, повышение выхода годного при изготовлении изделий заданного профиля, возможность выращивания крупногабаритных монокристаллов.

Известен способ выращивания монокристаллических сапфировых полусферических заготовок, включающий затравливание на пластину по всему периметру трубчатого формообразователя с образованием полого замкнутого объема под затравкой. При этом торцевую поверхность трубчатого формообразователя выполняют с центральной выемкой в форме сферического сегмента. Вытягивание производят из столба расплава. После перехода полого профиля в монолитную заготовку монокристалл вытягивают на длину, равную высоте сегмента, и производят резкий отрыв кристалла от формообразователя (см. Патент РФ №2078154, С 30 В 15/34, опубл. 27.04.97, Бюл. №12).

Способ направлен на выращивание полусферических заготовок малых размеров и не может быть использован для выращивания объемных крупногабаритных кристаллов круглой формы.

Известен способ выращивания профилированных монокристаллов сложных оксидов, включающий затравливание и вытягивание на затравку из столба расплава на торце формообразователя, погруженного в тигель. Затравку берут в виде пластины и затравливание ведут по всему периметру трубчатого формообразователя с образованием полого замкнутого объема под пластиной при давлении в камере не менее 0,2 мм (см. А.с. СССР №1691433, С 30 В 15/34).

Способ предусматривает осуществление затравливания монокристалла по периферии пластины и разращивание от периферии пластины к центру.

Недостатком способа является то, что процесс зародышеобразования идет по кольцу формообразователя в бесконечных точках, а выращивание проходит при переохлаждении расплава в центре тигля, где радиальный градиент температуры равен нулю. Это приводит к образованию малоугловых границ в центре кристалла и, следовательно, к росту поликристалла.

С увеличением размеров диаметра трубчатого формообразователя вероятность процесса образования поликристалла увеличивается. При больших диаметрах трубки образование монолитного кристалла невозможно.

Известен способ выращивания монокристаллов из расплавов тугоплавких оксидов типа сапфира, рубина, алюмоиттриевого граната методом Чохральского. Способ включает плавление исходной шихты, внесение затравки, втягивание монокристалла при одновременном охлаждении расплава и последующее охлаждение монокристалла. Температуру внесения затравки устанавливают по появлению на поверхности расплава единичного кристалла, процесс ведут с регулированными скоростями вытягивания, охлаждения расплава и монокристалла (см. Патент РФ №2056463, С 30 В 15/00, опубл. 20.03.96, Бюл. №8). Способ принят за прототип.

Способ не предусматривает получение объемных профилированных монокристаллов, кроме того, на гранях образуются области переохлаждения, способствующие зародышеобразованию и росту поликристалла, а охлаждение растущего кристалла приводит к термическим напряжениям и, следовательно, к пластическим и упругим деформациям в кристалле.

Техническим результатом заявленного изобретения является предотвращение образования зон переохлаждения на растущих гранях выращиваемых объемных монокристаллов круглой формы, повышение совершенства их структуры и возможность выращивания крупногабаритных монокристаллов.

Технический результат достигается тем, что в способе выращивания монокристаллов из расплавов тугоплавких оксидов на затравочный кристалл по методу Чохральского, согласно изобретению выращивание проводят из нагревателя, установленного в тигель и выполненного из собранных в секции U-образных ламелей, изогнутых в виде чаши по форме тигля, ориентированные грани затравочного кристалла располагают между секциями нагревателя, а количество секций нагревателя соответствует количеству граней затравочного кристалла.

Сущность способа заключается в следующем.

Известно, что выращивание монокристаллов, например сапфира, круглой формы по методу Чохральского осуществляют из круглых тиглей с использованием нагревателей также круглой формы. Так как кристаллы растут гранями (плоскостью), а радиальные изотермы в расплаве также имеют круглую форму, то на растущих гранях образуются области переохлаждения в виде сегментов, ограниченных гранью и круговой изотермой. Чем больше растущая грань, тем больше область переохлаждения и тем больше вероятность появления новых кристаллических зародышеобразований, не сориентированных с основным растущим кристаллом, что приводит к появлению “двойников”, образованию малоугловых границ и росту поликристалла.

По заявленному способу выращивание монокристаллов из нагревателя, помещенного в тигель и выполненного из собранных в секции U-образных ламелей, изогнутых в форме чаши, повторяющей внутреннюю форму тигля, и расположение ориентированных граней затравочного кристалла между секциями нагревателя при условии соответствия количества граней затравочного кристалла количеству секций нагревателя приводит к сдерживанию роста быстрорастущих ребер кристалла температурой на секциях. В то же время медленно растущие грани находятся в более холодной зоне между секциями нагревателя, а их “холодная” точка - центр зародышеобразования - находится в центре грани. Рост кристалла при этом происходит от центра растущей грани к периферии кристалла, т.е. к ребрам, оттесняя различные дефекты с фронта кристаллизации на поверхность.

Выращивание монокристаллов по заявленному способу не требует наличия формообразователя и предотвращает как переохлаждение на гранях, так и исключает образование в кристалле термических напряжений.

Все указанные факторы определяют рост объемного кристалла совершенной структуры.

Пример осуществления способа.

Выращивание сапфировых монокристаллов осуществляют в установке (фиг.1), содержащей корпус, нагреватель, тигель, затравкодержатель. Нагреватель, выполненный из U-образных ламелей из прутков тугоплавких металлов или сплавов, повторяющих форму тигля и собранных секций, устанавливают в тигель. Количество секций равно количеству граней затравочного, а затем и растущего кристалла.

Тигель и затравкодержатель устанавливают на штоках. Монокристаллический затравочный кристалл вырезают из объемного монокристалла таким образом, чтобы на боковую поверхность выходили кристаллографические грани. Так, например, для кристаллов с гексагональной решеткой, выращиваемых в направлении [1120], используют затравочный кристалл квадратной в сечении формы, из которой определена одна из боковых плоскостей, соответствующая кристаллографической грани (1010) или (0001), а для монокристаллов, выращиваемых в направлении [0001], - грань (1010). Для кристаллов с кубической решеткой, выращиваемых, например, в направлении [100], вырезают затравочный кристалл квадратного сечения, у которого определена боковая плоскость (110), а выходящая кристаллографическая грань (111) и т.п.

Закрепленный на верхнем штоке затравкодержатель с затравочным кристаллом ориентируют относительно нагревателя следующим образом. Так, например, при выращивании монокристаллов гексагональной (или тригональной) решетки в направлении [0001] растущие грани (1010) ориентируют на зазоры между шестью (или тремя) секциями нагревателя (фиг.2), а монокристаллы, выращиваемые в направлении ориентируют относительно зазоров четырех секций нагревателя растущими гранями (1010) и (0001) (фиг.3), монокристаллы с кубической решеткой, выращиваемые в направлении [100], ориентируют относительно зазоров четырех секций нагревателя выходящими гранями (111), а в направлении [111] - в направлении зазоров трех секций нагревателя и т.д.

Расплавляют шихту в тигле, проводят затравливание в центре расплава, разращивание проводят от центра к краю периферии с последующим ростом монокристалла.

Расположение ориентированных граней кристалла между секциями нагревателя устраняет области переохлаждения расплава у растущих граней, а следовательно, исключает образование “двойников” и возникновение малоугловых поликристаллов.

Были выращены монокристаллы сапфира в направлении [1120] с гранями (1010) и (0001) круглой формы, диаметром до 180 мм, без дефектов структуры по всему объему монокристалла.

Таким образом заявленный способ позволяет:

1. Исключить образование малоугловых границ и увеличить выход монокристаллов с качественной структурой.

2. Увеличить загрузку шихты и получить крупногабаритные монокристаллы.

3. Сократить затраты электроэнергии и расход исходных дорогостоящих высокочистых материалов на единицу изделий.

Формула изобретения

Способ выращивания монокристаллов из расплавов тугоплавких оксидов на затравочный кристалл по методу Чохральского, отличающийся тем, что выращивание проводят из нагревателя, установленного в тигель и выполненного из собранных в секции U-образных ламелей, изогнутых в виде чаши по внутренней форме тигля, ориентированные грани затравочного кристалла располагают между секциями нагревателя, а количество секций нагревателя соответствует количеству граней затравочного кристалла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3