Способ выращивания оптически прозрачных монокристаллов тербий-галлиевого граната

Авторы патента:

C30B29/28 - с формулой A₃Me₅O₁₂, где A - редкоземельный металл, а Me - Fe, Ga, Sc, Cr, Co или Al, например гранаты

C30B15/20 - управление или регулирование (управление или регулирование вообще G05)

C30B15/02 - добавлением к расплаву кристаллизующегося материала или реагентов, образующих его непосредственно в процессе

Владельцы патента RU 2328560:

Закрытое акционерное общество "НИИ материаловедения" (RU)

Изобретение относится к области выращивания кристаллов и может быть использовано в электронной, химической промышленности, в ювелирном деле. Способ включает расплавление исходной шихты, затравливание на вращающуюся затравку, разращивание конической части кристалла и вытягивание кристалла. В качестве исходной шихты используют смесь оксидов тербия и галлия, после начала разращивания конической части уменьшают скорость вытягивания монокристалла из расплава согласно следующей зависимости ν_L=ν₀-kL, где v_L - скорость вытягивания при длине кристалла L, мм/час, v₀ - скорость вытягивания при начале разращивания конической части кристалла, равная 2-7 мм/час, L - текущее значение длины кристалла, мм, k - коэффициент пропорциональности, равный 0,1-0,2, при этом угол разращивания конусной части составляет не менее 140°. Изобретение позволяет получать однородные кристаллы с минимальной концентрацией дефектов и повышенным выходом годной цилиндрической части.

Изобретение относится к выращиванию монокристаллов и может быть использовано при выращивании монокристаллов гранатов, более конкретно монокристаллов тербий-галлиевого граната, применяющихся, например, в лазерной технике, магнитной микроэлектронике, для ювелирных целей.

Известен способ получения монокристаллов гадолиний-галлиевого граната, охарактеризованный в авторском свидетельстве СССР № 1453960, 08.10.1986, который включает расплавление исходной шихты и затравливание на затравку при ее вращении со скоростью 30-40 об/мин. Затем, не изменяя скорости вращения, выращивают шейку длиной не менее 15 мм и диаметром не более 15 мм со скоростью вытягивания от 7-10 мм/ч в начале до 1,5-2,5 мм/ч в конце шейки. После этого, не изменяя скорости вытягивания, уменьшают скорость вращения по предлагаемой зависимости. После достижения цилиндрической части скорость вытягивания увеличивают до 2,6-7,0 мм/ч. Получены кристаллы массой до 11-13 кг, с длиной конуса 18 мм и углом разращивания конуса 140°; уменьшение скорости вращения ведут по зависимости

где ω - текущее значение скорости вращения, об/мин;

ω_к - скорость вращения на цилиндре, об/мин;

ω₀- скорость вращения затравки при затравливании, об/мин;

L - текущее значение длины кристалла, мм;

L_к - длина кристалла, до которой уменьшают скорость вращения, мм;

L₀- длина кристалла до начала изменения скорости вращения, мм;

n - безразмерный коэффициент, равный 1,5-2,0.

Кристалл выращивают до массы 11-13 кг, плотность дефектов в кристалле 0-3 см^-2.

Из авторского свидетельства СССР №1347513, приоритет 29.11.1985, известен способ выращивания монокристаллов гадолиний - галлиевого граната. Монокристаллы выращивают из расплава на вращающуюся затравку. Коническую часть монокристалла вытягивают со скоростью 3-7 мм/ч до изменения формы фронта кристаллизации. Затем скорость вытягивания уменьшают по закону V_т=V_к-αL, где V_к, V_т - скорости вытягивания конической части монокристалла до и после изменения формы фронта кристаллизации соответственно, мм/ч; L - длина конусной части монокристалла после изменения формы фронта кристаллизации, мм; α=0,01-0,12 - коэффициент, подобранный экспериментально, мм^-1.

Данным известным способом получают монокристаллы гадолиний-галлиевого граната с выходом годных монокристаллов диаметром 105-110 мм с плотностью дефектов кристаллической структуры ≤7 см^-2.

Известен способ выращивания оптически прозрачных монокристаллов тербий-галлиевого граната методом Чохральского, включающий расплавление исходной шихты, затравливание на вращающуюся затравку, разращивание конической части кристалла и вытягивание кристалла (прототип) (заявка Японии № 54150377 от 26.11.1979).

Этим способом получают монокристаллы большого размера и высокого качества. Это достигается путем регулирования скорости вращения штока, на котором крепятся затравка и выращиваемый монокристалл. По мере выращивания скорость вращения штока снижают пропорционально величине К, равной H/D, где Н - высота оставшегося расплава, D - его диаметр. Оптимальная скорость вращения штока находится из уравнения:

W_c=ak+b

Где а и b - постоянные, определяемые экспериментально.

Однако данный способ не позволяет получить повышенный выход годного по весу и длине кристалла.

Технической задачей заявленного изобретения является получение оптически прозрачных кристаллов тербий-галлиевого граната, однородных, с минимальной концентрацией дефектов, с повышенным выходом.

Поставленная техническая задача достигается способом выращивания оптически прозрачных монокристаллов тербий-галлиевого граната методом Чохральского, включающий расплавление исходной шихты, затравливание на вращающуюся затравку, разращивание конической части кристалла и вытягивание кристалла, причем согласно изобретению в качестве исходной шихты используют смесь оксидов тербия и галлия, после начала разращивания конической части уменьшают скорость вытягивания монокристалла из расплава согласно следующей зависимости:

ν_L=ν₀-kL

где ν_L - скорость вытягивания при длине кристалла L, мм/час;

ν₀ - скорость вытягивания при начале разращивания конуса кристалла, равная 2-7 мм/час;

L - текущее значение длины кристалла, мм;

k - коэффициент пропорциональности, равный 0,1-0,2,

при этом углом разращивания конусной части составляет не менее 140°.

Размеры монокристалла тербий-галлиевого граната:

- длина конуса кристалла - 10-20 мм,

- масса кристалла - 4-8 кг;

Технические характеристики процесса:

Скорость вращения затравки - 2-10 об/мин;

Время роста кристаллов - 20-40 часов

Скорость вытягивания ν₀ от 2 до 7 мм/час.

Значение k (коэффициента пропорциональности) - подобран экспериментально, и его значения находятся в интервале 0,1-0,2.

Верхний предел разращивания, например, равен 170°.

Вытягивание кристаллов осуществляют в инертной атмосфере, например, азота с добавкой кислорода.

При выращивании монокристаллов с углом разращивания более 140° и с использованием при этом приведенной выше зависимости скорости вытягивания от длины конуса получают оптически прозрачные кристаллы тербий-галлиевого граната с однородными оптическими свойствами, с минимальной концентрацией дефектов, с выходом годной цилиндрической части, на 15% превышающим стандартные условия выращивания.

Ниже представлен конкретный пример осуществления, иллюстрирующий изобретение, но не ограничивающий его.

Пример. Монокристаллы получают методом Чохральского. В тигель (иридиевый или платиновый) загружают гранатобразующие компоненты - смесь окислов тербия и галлия, например в соотношении 54,0 мас.% оксида тербия и 46,0 мас.% оксида галлия. Шихту плавят посредством нагрева (высокочастотного) тигля и вытягивают кристаллы на ориентированную затравку в атмосфере инертного газа, содержащего кислород. Затравку вращают со скоростью 2 об/мин. При касании затравкой расплава происходит затравливание, после чего начинают перемещение затравки вверх со скоростью 3 мм/час, до начала вытягивания конуса кристалла.

После начала выращивания конуса скорость вытягивания уменьшают и она определяется в соответствии с зависимостью:

ν_L (мм/час)=3(мм/час) - 0,1(1/час)×L мм.

Текущее значение длины кристалла L равно, например, 10-20 мм

Получают монокристалл ТГГ хорошего оптического качества с углом разращивания конусной части 145° с коэффициентом поглощения до 0,5×10^-4, не содержащих оптических дефектов и выходом годной цилиндрической части, на 15% превышающей стандартные условия выращивания.

Полученные монокристаллы используют в оптической и лазерной технике, например для изготовления фарадеевских вращателей и изоляторов.

Способ выращивания оптически прозрачных монокристаллов тербий-галлиевого граната методом Чохральского, включающий расплавление исходной шихты, затравливание на вращающуюся затравку, разращивание конической части кристалла и вытягивание кристалла, отличающийся тем, что в качестве исходной шихты используют смесь оксидов тербия и галлия, после начала разращивания конической части уменьшают скорость вытягивания монокристалла из расплава согласно следующей зависимости:

ν_L=ν₀-kL,

где v_L - скорость вытягивания при длине кристалла L, мм/ч;

v₀ - скорость вытягивания при начале разращивания конической части кристалла, равная 2-7 мм/ч;

L - текущее значение длины кристалла, мм;

k - коэффициент пропорциональности, равный 0,1-0,2,

при этом угол разращивания конусной части составляет не менее 140°.

Изобретение относится к технологии выращивания кристаллов для пассивных лазерных затворов, используемых в современных лазерах, работающих в ИК-области спектра. .

Способ выращивания кристаллов галлий-скандий-гадолиниевых гранатов для пассивных лазерных затворов // 2321689

Способ выращивания монокристаллов тугоплавких оксидов // 2320789

Изобретение относится к технологии высокотемпературной кристаллизации из расплава и может быть применено для получения особо крупных монокристаллов тугоплавких оксидов.

Способ получения мелкокристаллического нелегированного и легированного иттрий-алюминиевого граната // 2137867

Изобретение относится к синтезу неорганических металлов и используется для получения шихты для выращивания монокристаллов ИАГ, применяемых в качестве активных сред в твердотельных лазерах, а такие при изготовлении высокотемпературной керамики.

Порошок комплексного оксида металла, порошок иттрий- алюминиевого граната (варианты) и способ получения порошка комплексного оксида металла // 2137715

Изобретение относится к порошку комплексного оксида металла, содержащему по крайней мере два металлических элемента, который используют в качестве исходного порошка оксидной керамики, которую используют в качестве функционального материала для конструктивного материала, который используют в диспергированном состоянии в качестве наполнителя или пигмента, или который используют в качестве исходного порошка для получения монокристалла или покрытия, нанесенного методом пламенного распыления, и к способу его получения.

Способ окрашивания вставок из ювелирных камней на основе оксидных кристаллов // 2081949

Изобретение относится к технологии тонкой обработки природных и синтетических ювелирных камней, а именно - к технологии окраски бесцветных вставок из ювелирных камней на основе оксидных материалов.

Материал, стойкий к потокам -квантов // 2072005

Изобретение относится к магнитной микроэлектронике, радиационной физике твердого тела и может быть использовано при конструировании элементов памяти и логики на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД), применяющихся в полях g-излучений.

Шихта для выращивания иттрий-алюминиевого граната // 2061341

Эпитаксиальная феррит-гранатовая структура // 2061112

Изобретение относится к монокристаллическим материалам, в частности к эпитаксиальным феррит-гранатовым структурам (ЭФГС) на основе железо-иттриевого граната (ЖИГ), и может быть использовано при разработке и изготовлении малогабаритных планарных сверхвысокочастотных (СВЧ) приборов на поверхностных магнитостатических волнах (ПМСВ).

Способ термостабилизации рабочей частоты устройств на поверхностных магнитостатических волнах // 2051209

Способ получения монокристаллов // 2293146

Изобретение относится к получению монокристаллов диэлектриков и полупроводников направленной кристаллизацией путем вытягивания слитка вверх из расплава и может найти применение в производстве полупроводниковых и электрооптических монокристаллических материалов.

Способ получения монокристаллического кремния (варианты) // 2278912

Изобретение относится к технологии полупроводниковых материалов и может быть использовано при выращивании монокристаллов кремния по методу Чохральского. .

Способ выращивания монокристаллов из расплава методом амосова // 2261297

Изобретение относится к технологии выращивания монокристаллов из расплавов на затравочный кристалл и может быть использовано для выращивания монокристаллов различного химического состава, например, типа А2В6 и А3В 5, а также монокристаллов тугоплавких оксидов, например, сапфира.

Способ выращивания монокристаллов // 2241792

Изобретение относится к способам выращивания монокристаллов из расплавов по Чохральскому. .

Способ выращивания монокристалла кремния из расплава // 2241078

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов для электронной техники, в частности кремния, получаемого методом Чохральского. .

Устройство для выращивания кристаллов и способ выращивания кристаллов // 2200776

Изобретение относится к устройству для выращивания кристаллов и способу выращивания кристаллов. .

Способ получения монокристаллического кремния // 2193079

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов и может быть использовано при выращивании монокристаллов кремния по методу Чохральского.

Способ определения бездефектной зоны монокристалла кремния // 2189408

Изобретение относится к области определения структуры кристалла кремния и может быть использовано при определении бездефектной зоны монокристалла кремния при выращивании кристаллов по методу Чохральского.

Способ получения монокристаллов кремния при нарушении монокристаллического роста // 2189407

Изобретение относится к области получения монокристаллов полупроводниковых материалов и может быть использовано при получении монокристаллов кремния методом Чохральского.

Способ управления процессом выращивания монокристаллов из расплава и устройство для его осуществления // 2184803

Изобретение относится к производству, для управления процессом выращивания монокристаллов из расплава по методу "Чохральского" и может быть использовано в полупроводниковом производстве, для получения монокристаллических слитков германия.

Способ выращивания объемных монокристаллов хризоберилла и его разновидностей // 2315134

Изобретение относится к способам получения кристаллов, а именно к способу получения монокристаллов хризоберилла и его разновидностей, в том числе его хромсодержащей разновидности - александрита, и может быть использовано для получения высококачественного ограночного сырья в ювелирной промышленности и для изготовления элементов квантовой электроники.