Способ выращивания монокристаллов на основе сложных окислов и устройство для его осуществления

 

1. Способ выращивания монокристаллов на основе сложных окислов, включающий плавление исходного материала в тигле с помощью индуктора и вытягивание на монокристаллическую затравку из расплава в тигле, отличающийся тем, что, с целью уменьшения количества примесей и увеличения срока службы тиглей, исходный материал загружают между тиглем и индуктором , расплавляют его с образованием гарнисажа на индукторе, перегревают расплав на 100-150°С выше температуры плавления материала, выдерживают и охлаждают до температуры роста монокристалла. 2.Устройство для выращивания монокристаллов на основе сложных окислов, включающее иридиевый тигель, неподвижно установленный внутри водоохлаждаемого трубчатого индуктора и на расстоянии от него, отличающееся тем, что оно снабжено водоохлаждаемым дном, расположенным под индуктором, и тигель имеет отве|:1 ;ие в донной части. 3.Уёт{Х йство по п. 2, отличающеес я тем, что, с целью обеспечения надежного удержания расплава, индуктор имеет сечение в форме трапеции, обращенной (Л меньшим основанием в сторону нагреваемого тиглем/ с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 2915305/26 . (22) 25.04.80

{46) 30.04,93. Бюл. hh 16 (72) В.А. Асланов, В,С. Скоробогатов и О.Б. Стрювер (56) Чарват В.Р, Успехи в области выращивания кристаллов окислов. Рост кристаллов, 1977, т. 12, с. 202 — 219.

Патент Великобритании hh 1055099, кл.

В 1 3, 11.01.67. (54) СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ НА ОСНОВЕ СЛОЖНЫХ ОКИСЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) 1. Способ выращивания монокристаллов на основе сложных окислов, включающий плавление исходного материала в тигле с помощью индуктора и вытягивание на монокристаллическую затравку из расплава в тигле, отличающийся тем, что, с целью уменьшения количества примесей и увеличения срока службы тиглей, исходный матеИзобретение предназначено для выращивания методом Чохральского тугоплав-. ких оптически прозрачных монокристаллов на основе сложных окисных соединений и может быть использовано в химической и электронной промышленности преимущественно для выращивания алюмоиттриевых

- гранатов и других монокристаллов, температура плавления которых ниже температуры плавления иридия. . Цель изобретения — уменьшение количества примесей и увеличение срока службы тиглей.

На чертеже представлена схема устройства для выращивания монокристаллов.

„„5U „„904347 А1 (я)з С 30 В 15/12, С 30 В 29/22 риал загружают между тиглем и индуктором, расплавляют его с образованием гарнисажа на индукторе, перегревают расплав на 100-150 С выше температуры плавления материала, выдерживают и охлаждают до температуры роста монокристалла.

2. Устройство для выращивания монокристаллов на основе сложных окислов, включающее иридиевый тигель, неподвижно установленный внутри водоохлаждаемого трубчатого индуктора и на расстоянии от него, отличающееся тем,чтооно снабжено водоохлаждаемым дном, расположенным под индуктором, и тигель имеет отве жтие в донной части.

3. Устройство по и. 2, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью обеспечения надежного удержания расплава, индуктор имеет сечение в форме трапеции, обращенной . меньшим основанием в сторону нагреваемого тигля,, Устройство состоит иэ герметической камеры 1, штока 2 с присоединенной к нему затравкой 3. Шток 2, а следовательно, и затравка-3 имеют возможность вертикального перемещения и вращения (механизм вращения и перемещения не показан). Водоохлаждаемый индуктор 4 соединен с источником 5 индукционного нагрева. Водоохлаждаемое дно 6 выполнено в аиде спирали. Тигель 7 имеет отверстие в донной части и зафиксирован внутри индуктора в неподвижном положении прикрепленными к нему траверсами 8, опирающимися другими концами на водоохлаждаемое дно 6. Траверсы 8 могут быть прикреплены и к кромке

904347 тигля, в этом случае фиксация тигля в неподвижном положении осуществляется закреплением траверс в верхнем положении.

На камере 1 установлен герметичный бункер 9 с механизмом 10 подачи шихты и подающей трубкой 11. Внутренние стенки тигля ограничивают объем 12. Наружные стенки тигля 7 и внутренний слой гарнисажа ограничивают объем 13..

Расстояние между тиглем и индуктором составляет 1/3 диаметра тигля.

На верхней кромке индуктора 4 установлены теплоиэолирующие крышки. 14.

Объемы расплава 12 и 13 удерживаются от растекания гарнисажем 15. Из объемов 12 и

13 выращивается кристалл 16.

Индуктор изготовлен из профилированной трубки в виде трапеции и намотан так, что меньшее основание расположено в . сторону боковой поверхности тигля. Это позволяет развить водоохлаждаемую поверхность, формирующую слой гарнисажа, и надежно удерживать расплав.

Устройство, позволяющее реализовать предлагаемый способ, работает следующим образом. Тигель 7 размером 80х80х1 мм с отверстием в дне диаметром 10-20 мм и прикрепленными к нему траверсами 8 устанавливают внутри водоохлаждаемого индуктора 4 диаметром 125 мм и высотой 130 мм. При этом тигель 7 устанавливают так, чтобы его кромка находилась на одном уровне с кромкой верхнего витка индукторе.

Объем 12 тигля и дополнительный объем 13 заполняют исходным сырьем — порошкообразной активироеанной шихтой алюмоиттриевого граната. На верхний виток индуктора устанавливают теплоизолирующую крышку 14 из двуокиси циркония с отверстием в центре Я 40 мм для проведения процесса выращивания и отверстием

Я 15 мм для. проведения процесса доплав:ления.

Бункер 9 заполняют порошкообразной активирован ной шихтой алюмоиттриевого граната.

Затравку 3 прикрепляют к штоку 2, связанному с механизмом вращения и перемещения затравки.

В кристаллиэационной камере 1 устанавливают статическую контролируемую атмосферу. Увеличением мощности нагрева повышают температуру тигля до расплавления загруженного в него объема 12 сырья исырья, .находящегося в дополнительном объеме 13.

Необходимый уровень расплава получают путем дополнительной подачи порций

" шихты иэ бункера 9 с помощью механизма

10 подачи через трубку 11. В процессе подачи шихты образуется слой гарнисажа 15, удерживающий образовавшийся расплав, Различный перегрев расплава определяет эффективность его очистки. Перегрев ниже 100 С не дает существенного эффекта по очистке сырья и улучшает качество кристаллов незначительно.

Перегрев в сторону более высоких тем10 ператур, свыше 150ОС, ограничивается температурой плавления материала тигля.

Поэтому можно считать предлагаемый диапазон перегрева расплава оптимальным, П р и м eg. Выращивают монокристалл

15 Узд!5-012:Nd . Общий вес загрузки исходного сырья при этом составляет 4200 r.

После получения заданного уровня расплава увеличением мощности йсточника индукционного нагрева уменьшают толщину

20 слоя гарнисажа до значений 0,5 — 1 мм, при этОи температуру расплава увеличивают на

150 С относительно температуры плавления исходной шихты. Выдерживают расплав в этих условиях 10 мин

25 установления термического равновесия. Затем, медленно снижая мощность нагрева до получения заданной температуры расплава, за время 30-40 мин осуществляют частичную направленную кристаллизацию расплаM вв от поверхности слоя гарнисажа.

Опустив вращающуюся затравку в расплав и окончательно скорректировав его температуру, приступают к выращиванию монокристаллического стержня алюмоитт35 риевого граната. При этом скорость вытягивания составляет 1 мм/ч, скорость вращения 20 об/мин. Дальнейший процесс выращивания ведут из сообщающихся объемов 12 тигля и дополнительного объема 13, 40 заключенного между тиглем и гарнисажем.

Получают монокристалл алюмоиттриевого граната, активированного неодимом, диаметром 35 мм и длиной 100 мм. Концентрация неодима в кристалле 1,1 мол. .

8 табл. 1 представлены данные, показывающие. что монокристаллы, полученные по предложенному способу .в предложенном устройстве содержат меньше примесей, что является результатом процесса предвари50 тельной кристаллизации. Кроме того, повышается работоспособность тигля, увеличивается срок службы.

В табл. 2 представлены данные по выращиванию монокристаллов Ca%04:Nd диа55 метром 40 мм, длиной 110 мм и YzS)Og:Nd диаметром 20 мм, длиной 80 мм, Из них изготовлены лазерные элементы с хорошими генерационными параметрами, В процессе нагрева и охлаждения нагревательный элемент не претерпевает де904347

Таблица 1

Содержание примесей в кристалле, вес, Содержаwe примесей в шихте, вес

og, Коротковолновая граница спектра прапускания на уровне10 (толщина пластинки

0,4 сьф нм

Количество циклов выращивания до выхода тиГля, из строя шт.

Количество циклов резкого нагреваохлаждения, при которых тигель оставался работоспособным, шт.

Способ выращивания монокристаллов

УЗА!50 12

Fe 4. 10

Я! 1,2 10

Cr8 10

Mg 38. 10

Fe 3 i04

Si 2 10

Сг8 10

Mg 2 10

Fe6 10

Sl 2,5. 10

Сг5 10

Мд3 10

Fe2. 10

Si 4 10

Сг9 104

Mg5 10

6-7

240

1-2

По способу-прототипу

Не менее

175

Более 30

По предлагаемому способу в предлагаемом устройстве при перегреве расплава на 150 С в течение 8 мин

Fe8 10

Si 2 10

Сг1 10

Mg2 10

Не менее

Fe 2 10З

$14 10

Сг9 10

У 5. 104

220

Более 30 при нагреве расплава на 50 С в течение 8 мин формаций, так как он находится в однородной по физическим свойствам среде наплава, в результате чего количество циклов нагрева — охлаждения в предлагаемом способе и устройстве существенно возрастает.

Предлагаемые способ и устройство позволяют достичь следующих преимуществ. . увеличить объем расплава, участвующий в процессе кристаллизации без увеличения расхода иридия, так как плавление исходного сырья происходит «ак внутри иридиевого полого цилиндра, так и ээ его пределами.

Путем предварительного увеличения объема расплава повышением мощности нагрева за счет уменьшения слоя гарнисзжа, а затем уменьшения его до заданного удается произвести очистку рабочего объема расплава от посторонних примесей кристаллизацией их в слое гзрнисажа.

При выращивании кристаллов по данному способу не происходит деформации иридиевого нагревательного элемента, так

I как он со всех сторон ограничен наплавом одного вещества.

Образование сквозных трещин не влия- ет на высс ту уровня расплава в тигле, тзк

5 как объемьграсплэва, заключенные в тигле . и вне его. сообщаются через отверстие в дне тигля.

Значительно повышается срок службы иридиевого нагревательного элемента, и

10 расход иридия определяется только его естественным угаром при взаимодействии с окисными расплавами.

При выращивании по предлагаемому

15 способу отсутствует необходимость в значительном перегреве расплава, в результате чего возрастает интенсивность термической диссоциации и нарушается стехиометрический состав соединения, в связи с тем, 20 что практически вся мощность выделяется в тигле, который выступает в роли нагрева-. тельного элемента.

904347

Таблица 2

Скорость выращивания, мм/v

Температура пла еле" ния, ©С

Температура перегрева расплава, Ос

Генерационные параметры (режим свободной генерации) ращивания до выхода тигля из строя шт.

15-20

1440

1,15

1440 150

Не менее

30

1,52

50

1,5

0,51

1980 100

Не менее

2,3

0.73

1,2

1950 150

Не менее

35

1,5

1,55

Способ выращивэ- Количество ния моиокристаллов циклов выCaW0g: Nd по способу-npmoтипу

CaW04: Nd по предлагаемому способу

Y?SIOs: Nd по способу-прототипу

Y2SIOs: Nd по предлагаемому способу

УЗА! 6012:Nd по способу-прототипу

У3А15012:Йб по предлагаемому способу

Температура предва ритель= ной наплавленной кристэл- лиэации, мин энергия выходнэкач- ная ки, Дж энергия. Дж

904347

Составитель Е, Кузнецова

Редактор О, Кузнецова Техред М.Моргентал Корректор С. Шекмар

Заказ 1970 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101