Способ выращивания монокристаллов корунда методом киропулоса

 

1. СПОСОБ ВЫРАВЩВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ КОРУНДА МЕТОДОМ КИРОПУЛОСА , включающий плавление исходного материала в тигле и последующий рост кристалла на затравку внутрь объема тигля, отличающийся тем, что, с целью обеспечения заданной формы кристалла и улучшения его структурного совершенства, рост кристалла ведут внутри обечайки из тугоплавкого материала, смачиваемого расплавом , имеющей заданную форму при отношении периметра тигля к периметру обечайки, равном 1,15-1,18. 2. Способ ПОП.1, отличающийся тем, что обечайку получают на:пылением слоя вольфрама толщиной 0,1-1 мм на предварительно спрессоч г ванную заготовку исходного материала заданной формы. с S

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„768052

А1 (51)5 С 30 В 17/00 29/20

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTKPblTHAM

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 2690117/26 (22) 27.11,78 (46) 23.02.91. Бюл. М- 7 (72) Ю.А.Ломов, М.И.Мусатов, В.С.Папков и M.В.Суровиков (53) 621.315.592 (088.8) (56) Сб ° "Монокристаллы и техника".

1972, Р 6, с. 3.

"Solid State Technology". 1973, N 9, р. 45.

"Изв. АН СССР, Неорганические материалы", 1976, т.12, К - 2, с, 358, (54)(57) 1. СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ КОРУНДА МЕТОДОМ КИРОПУЛОСА, включающий плавление исходного материала в тигле и последующий рост

Изобретение относится к технике выращивания кристаллов тугоплавких материалов и может быть использовано в электронной промышленности, приборостроении, оптической и ювелирной . промышпенности и других областях народного хозяйства для производства крупных кристаллов корунда высокого качества.

Известен способ выращивания кристаллов корунда методом направленной кристаллизации. К его недостаткам можно отнести форму выращиваемых кристаллов, неудобную для нарезания заготовок корундовых изделий, значительную величину температурного градиента (3 град/мм), приводящую к высокому уровню остаточных напряжений (300 кг/см2) и большой плотности дислокаций (104-10K см- ), а также

2 кристалла на затравку внутрь объема тигля, отличающийся тем, что, с целью обеспечения заданной формы кристалла и улучшения его структурного совершенства, рост кристалла ведут внутри обечайки из тугоплавкого материала, смачиваемого расплавом, имеющей заданную форму при отношении периметра тигля к периметру обечайки, равном 1,15-1, 18.

2. Способ по п.1, о т л и ч а ю— шийся тем, что обечайку получают напыпением слоя вольфрама толщиной

0,1-1 мм на предварительно спрессо- . ванную заготовку исходного материала заданной формы.

Р наличие пузырей и металлических включений в объеме кристалла.

,)

Известен также способ выращивателя кристаллов корунда методом градиентной печи. Этот метод позволяет снизить до минимума температурные градиенты в зоне кристаллизации и исполь- © зовать ее (т.е. область внутри тигля) также в качестве зоны отжига.

Специфика метода состоит в затравлении кристалла со дна тигля и движении фронта кристаллизации снизу вверх.

Это не позволяет осуществить управляемое затравление (создание нескольких ) ,перешейков между затравкой и растущим кристаплом), чтобы избежать наследо-. вания кристаллом дефектов затравки, а также. приводит к,значительному отклЬнению от заданной кристаллографи-.. ческой ориентации. В результате выра768052 щиваемые методом градиентной печи кристаллы корунда" характеризуются высокой плотностью дислокаций (10 —

10 см ) и большими углами разориен5 тацни блоков (до 10 угловых градусов) .

Прототипом заявляемого изобретения является видоизмененный метод Киропулоса, включающий спекание из корун- 10 довой пудры заготовки, загрузку ее в тигель, плавление заготовки в ваку-. уме, затравлеиие монокристалла и его выращивание с последующим охлаждением и выгрузкой. Метод позволяет выращивать кристаллы диаметром до 150 мм и весом до 10 кг с уровнем остаточных напряжений не более 10 кг/см и плотностью дислокаций 102- 10 см-2.

Однако кристаллы, выращиваемые известным способом, имеют неправильную форму, требующую дополнительной обработки для придания необходимой формы и размеров, и отличаются наличием в своем объеме скоплений пузырей. 25

То и другое в значительной мере снижает процент полезного использования кристалла.

Цель изобретения — обеспечение заданной формы кристалла и улучшение

Ю

его структурного совершенства.

Поставленная цель достигается тем, что рост кристалла ведут внутри обе( чайки из тугоплавкого материала, смачиваемого расплавом, имеющей заданную форму при отношении периметра тигля к периметру обечайки, равном 1,151,18. Преимущественно обечайку получают напылением слоя вольфрама толщиной 0 1-1 мм на предварительно спресЭ

40 сованную заготовку исходного материала заданной формы.

Сущность изобретения состоит в следующем.

На боковой поверхности корундовой заготовки формируют вольфрамовую

45 пленку. При расплавлении корундовой заготовки в тигле пленка вольфрама остается в расплаве в виде обечайки.

После соприкосновения затравки с расплавом, проведения управляемого эатравления и начала выращивания фронт кристаллизации распространяется вглубь и вширь и через некоторое вре мя достигает стенок находящейся в расплаве обечайки. Дальнейшее расширение кристалла ограничивается стенг ками обечайки и он растет вертикально вниз, повторяя форму и размеры обечаики. Мощная тепловая конвекция в пространстве между стенкой тигля и обечайкой препятствует образованию и закреплению на внешней поверхности обечайки паразитных зародышей. Благодаря этому расплав, находящийся в зазоре, не кристаллизуется в течение всего времени процесса. По мере роста кристалла расплав постепенно втягивается снизу внутрь обечайки силами поверхностного натяжения, При определенных условиях уровень расплава между стенкой тигля и обечайкой может равномерно распределяться по периметру и к моменту завершения процесса кристаллизации понижаться до дна тигля, т,е. полностью переходить внутрь обечайки. Наличие расплава вокруг обечайки способствует уменьшению температурного градиента на фронте кристаллизации, а равномерный уровень расплава благоприятствует выравниванию теплового поля и уменьшению градиента скорости кристаллизации по периметру.

Тем самым устраняются условия захвата кристаллом пузырей. Благодаря капиллярному эффекту малейшие зазоры между стенкой обечайки и поверхностью растущего кристалла заполняются расплавом, что обеспечивает копирование кристаллом не только формы и размеров обечайки, но и внутренней поверхности ее стенки.

Отношение периметра тигля к периметру обечайки равно 1,15-1,18, При отношениях, меньших 1,15, количество расплава в зазоре недостаточно для компенсации потери объема после полной кристаллизации. В этом случае в нижней части кристалла на завершающей стадии процесса образуются раковины и скопления пузырей, что уменьшает полезный объем кристалла. При отношениях, больших 1,18, излишняя доля расплава кристаллизуется в нижней части зазора. В результате уменьшается выход загруженного материала в годную часть кристалла, затрудняется его выемка из тигля и отделение от обечайки.

Толщина пленки вольфрама должна обеспечивать, с одной стороны, достаточную жесткость и сохранение формы обечайки в процессе расплавления заготовки и выращивания кристалла и, с другой стороны, достаточную теплопередачу и ненапряженный рост кристалла внутри обечайки. Этим требова30

5 76805 ииям удовлетворяет пленка вольфрама толщиной от О, 1 до 1 мм.

Для создания и поддержания равномерного по периметру зазора корундовая заготовка помещается в тигель соосно ему и закрепляется в этом положении.

Пример. Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Параметры выращиваемого монокристалла:

Форма — цилиндрическая

Диаметр — 80 мм

Длина — 120 мм (в цилиндрической части)

Объем — 603 см

Вес — 2400 r

Тигель с корундовой заготовкой помещают в рабочую зону вакуумной. камеры высокотемпературной печи. Закрепляют в затравкодержателе ориентированный монокристаллический корундовый затравочный стержень. Герметизируют и вакуумируют рабочую камеру печи до 10 мм рт.ст. Разогревают 25 тигель до 2100 С и расплавляют шихту.

При этом расплав равномерно распределяется в тигле на уровне 130,7 мм, а верхний край вольфрамовой обечайки выступает над уровнем расплава на

4,3 мм.

Перед затравлением устанавливают температуру расплава на 10 С выше точки плавления, т.е, 2045 С, и ввоо дят затравочный стержень в соприкосновение с поверхностью расплава. Спустя 10 мин после соприкосновения . включают подъем затравки вверх и осуществляют управляемое затравливание— с помощью переменной скорости подъема

40 создают несколько перешейков. Затем останавливают перемещение затравки и проводят стадию разращивания кристалла до диаметра 80 мм, т.е. до момента достижения фронтом кристаллизации стенок обечайки, 45

Разращивание кристалла и последующий его рост осуществляют путем прецизионного уменьшения подводимой к тиглю нагревательной мощности, Кристаллизацию цилиндрической .части проводят в течение 30. ч со средней скоростью 4 мм/ч. По мере роста кристалла уровень расплава в промежутке между стенкой тигля и обечайкой понижа55

2 6 ется и к концу формирования цилиндрической части расплав практически полностью переходит внутрь обечайки, В конце кристаллизации с целью отрыва кристалла от дна тигля включают подъем затравки и в течение 5 ч со скоростью около 0,8 мм/ч поднимают монокристалл вверх.

По окончании роста прекращают подъем затравки и в течение 10 ч со скоростью около 175 С/ч снижают температуру тигля до 300 С и отключао . ют нагрев. Через 6 ч естественного охлаждения. в вакууме вскрывают камеру, освобождают затравку от затравкодержателя, выгружают тигель и достают из него кристалл с вольфрамовой обечайкой. Малая адгеэия вольфрама к корунду способствует отделению мококристалла от обечайки, После обрезания с обоих торцов контрольных шайб получают готовый монокристалл цилиндрической формы диаметром 80 мм и длиной 120 мм.

В полученных монокристаллах от- . дельные пузыри и их скопления обнаружены лишь в верхней и нижней нецилиндрических неиспользуемых частях.

В цилиндрической части монокристаллов эти структурные дефекты не наблюдались. В выращиваемых известным способом монокристаллах корунда доля участков с указанными дефектами составляет от 20 до 100Х, в среднем достигая не менее 301.

Как показали исследования, выращивание монокристаллов корунда по предлагаемому способу можно проводить и в инертной среде. Кроме того, путем загрузки в тигель двух и более корундовых заготовок с вольфрамовыми обечайками можно в одном процессе получать два и более монокристаллов требуемой формы и размеров. При этом необходимо соблюдение в рекомендован- ных пределах соотношения внутреннего периметра тигля и суммы периметров всех заготовок. Способность расплава втягиваться под действием сил поверхностного натяжения внутрь обечайки и заполнять в ней малейшие зазоры и неплотности позволяет осуществить процесс кристаллизации в обечайке любой сложной формы.