CS248913B1 - Způsob pěstování monokrystalů z tavenin kovových oxidů - Google Patents

Abstract

Způsob pěstování monokrystalů z tavenin kovových oxidů, jednak jednosložkových, jednak vícesložkových, jako je safír, rubín, granát apod., umožňující vypěstování jakostních monokrystalů při maximálním Využití taveniny obsažené v kelímku, kde cíle je dosaženo tím, že teplotní režim se upraví tak, aby izoterma maximální teploty, měřeno při 80 až 120 % pěstovacího příkonu na vnitřní válcové stěně prázdného kelímku ležela při jednosložkových taveninách ve vzdálenosti 0,2 až 20 % a při vícesložkových taveninách ve vzdálenosti 20 až 40 % vnitřní výšky kelímku od jeho dna a gradient teploty směrem k hornímu okraji kelímku byl 5 až 15 °C/cm a směrem k dolnímu okraji kelímku 1 až 4 °C/cm.

Description

Vynález se týká způsobu pěstování monokrystalů z tavenín kovových oxidů, jednak jednosložkových, jednak vícesložkových, který umožňuje využít až 100 % taveniny obsažené v kelímku pro přeměnu v jakostní monokrystal.

Pěstování monokrystalů kovových oxidů tažením z taveniny zejména Czochralskiho metodou umožňuje přípravu těchto monokrystalů v jakosti a rozměrech potřebných pro řadu technických aplikací například v optice, elektronice, laserové technice, pro detekci záření a podobně.

Velikost vypěstovaných monokrystalů je určena především objemem použitého kelímku.

Při dosud běžně používaném způsobu lze však pro přeměnu na jakostní monokrystal využít okolo 50 % taveniny obsažené v kelímku, protože při dalěí krystalizaci, respektive krystalovém růstu dochází k růstu defektní části monokrystalu, kterou není možno využít pro výrobu elementů, a naopak tato část může být zdrojem prasklin, které postupují i do bezdefektní části monokrystalu, který tak znehodnotí.

V případě vícesložkových tavenín pak monokrystaly obsahují bud příměsí, které vstupují do monokrystalu většinou v nižší koncentraci, než je jejich obsah v tavenině, což vede k neúnosnému vzrůstu jejich koncentrace v tavenině, nebo pokud příměsi neobsahuje a jedná se například o krystalizaci čisté dvousložkové taveniny, nelze dodržet prakticky přesně stechiometrické složení obou oxidů v tavenině, zejména pro různou těkavost oxidů při tavení, takže s postupujícím růstem monokrystalu se nestechiomeťrie taveniny dále zvyšuje a nadsteohiometrická složka se začne chovat jako nežádoucí příměs.

Svrchu uvedené nepříznivé vlivy se projeví zvláště po poklesu hladiny taveniny do oblasti sníženého teplotního gradientu a růst se stává nestabilní a v monokrystalu vznikají defekty, snižující jeho výtěžnost.

Obtíže spojené se změnou teplotního pole v blízkosti fázového rozhraní krystal/tavenlna lze podstatně omezit způsobem pěstování monokrystalů z tavenín kovových oxidů jednak jednosložkových, jednak vícesložkových, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v ton, že teplotní režim se upraví tak, aby izoterma maximální teploty, měřeno při 80 až 120 % pěstovacího příkonu na vnitřní válcové stěně prázdného kelímku, ležela při jednosložkových tavenináfch ve vzdálenosti 0,2 až 20 % a při vícesložkových tavenináoh ve vzdálenosti 20 až 40 % vnitřní výšky kelímku od jeho dna a gradient směrem k hornímu okraji kelímku byl 5 až 15 °C/cm a směrem k dolnímu okraji kelímku 1 až 4 °C/cm.

V principu je zapotřebí splnit jednak podmínku optimálního proudění taveniny, jednak omezit snahu monokrystalu v jednosložkových taveninách,zarůstat hluboko do taveniny v důsledku zvýšeného odvodu tepla zářením monokrystalu, čehož se docílí právě tím, že izoterma maximální teploty leží co nejblíže ke dnu kelímku a teplotní gradient je 5 až 15 °C/cm. Při vícesložkových taveninách se při úpravě teplotního režimu podle vynálezu, kdy izoterma maximální teploty leží ve vzdálenosti 20 až 40 i vnitřní výšky kelímku od jeho dna se docílí výrazně dostředného proúdění taveniny, nutného pro vytvoření kuželovitého fázového rozhraní od počátku pěstování a tento tvar rozhraní umožňuje vyklínění defektů vzniklých pří nasazení růstu do stran krystalu.

Přikladl

Byly pěstován..· monokrystaly safíru tažením z taveniny Czochralskiho metodou. Teplotní režim byl podle vynálezu upraven tak, že izoterma maximální teploty, měřeno na vnitřní válcové stěně prázdného kelímku termočlánkem W-Re, ležela 10 mm ode dna kelímku a gradient směrem k hornímu okraji kelímku byl průměrně 8 °C/cm a k spodnímu okraji kelímku 2 °C/cm.

Bylo pěstováno v zařízení, jehož topný systém byl tvořen osmi do kruhu sestavenými topnými články z wolframového drátu o 0 3,6 mm formovaných do tvaru obráceného písmene W o výěce 130 mm. uvnitř topného systému byl umístěn wolframový kelímek o průměru 80 mm a výšce 90 nun, jehož horní okraj ležel ve stejné rovině jako horní okraj topného systému. Stínění bylo provedeno z molybdenových plechů a to 9 vodorovných stínění se vzájemnou roztečí 5 mm pod kelímkem, 8 stínících molybdenových válců okolo kelímků s roztečí 7 mm a 8 vodorovných stínících plechů se vzájemnou roztečí 5 mm nad kelímkem.

Celek byl umístěn ve vodou chlazeném vakutěsném plášti. Vypěstované jakostní monokrystaly měly průměr 50 až 60 mm a na monokrystal se podařilo přeměnit 95 i taveniny.

Příklad 2

V obdobném zařízení byly pěstovány monokrystaly safíru, přičemž izoterma maximální teploty ležela téměř u dna kelímku a teplotní gradient směrem k hornímu okraji kelímku byl 11 °C/cm. Byly vypěstovány jakostní monokrystaly o průměru 65 až 80 mm a váze

600 g a v monokrystaly se podařilo proměnit téměř veškerou taveninu.

Příklad 3

Způsobem podle vynálezu byly pěstovány monokrystaly rubínu. Izoterma maximální teploty ležela 20 mm nade dnem kelímku, teplotní gradient byl směrem k hornímu okraji kelímku 8 °C/cm, k spodnímu okraji 2 °C/cm. Tento teplotní režim byl upraven v pěstovacím zařízení s obdobným topným systémem jako v příkladu 1, uvnitř topného systému byl umístěn molybdenový kelímek o průměru 80 mm a výšce 110 mm tak, že horní okraj kelímku byl 15 mm nad horním okrajem topného systému.

Stínění bylo provedeno molybdenovými plechy se vzájemnou roztečí 7 mm v sedmi vrstvách a nad kelímkem byla stínicí nástavba, složené ze 4 koncentrických válců, i kužele a 3 vodorovných přepážek s otvorem o já 45 mm pro tažení monokrystalu. Celý systém byl umístěn ve vodou chlazeném vakuotěsném plášti. V kelímku bylo roztaveno 2 000 g suroviny oxidu hlinitého a 0,3 % hmot. oxidu chromitého. V ochranné atmosféře tvořené argonem a vodíkem byly vypěstovány monokrystaly rubínu o váze 550 g opticky zcela čisté v celé své délce.

Příklad 4

Obdobně při vytvoření stejného teplotního, režimu jako v příkladě 3, tj. poloze izotermy maximální teploty 20 mm ode dna kelímku a teplotních gradientech 8 °C/cm směrem k hornímu okraji kelímku a 2 °C/cm směrem k dolnímu okraji kelímku, byly pěstovány monokrystaly yttritohlinitého granátu. Rozdíl proti příkladu 3 byl v tom, že kelímek měl průměr 130 mm a výšku 120 mm a jeho horní okraj ležel 25 mm nad horním okrajem topného systému.

V kelímku bylo roztaveno 3 500 g suroviny, sestávající z oxidu hlinitého a yttritého a byly vypěstovány monokrystaly o váze 1 700 g opticky jakostní v celé své délce.

Claims (1)

1. Způsob pěstování monokrystalů z tavenin kovových oxidů, jednak jednosložkových, jednak vícesložkových, tažením z rotačně symetrického kelímku, vyznačený tím, že teplotní režim se upraví tak, aby izoterma maximální teploty, měřeno při 80 až 120 % pěstovacího příkonu na vnitřní válcové stěně prázdného kelímku, ležela při jednosložkových taveninách ve vzdálenosti 0,2 až 20 % a při vícesložkových taveninách ve vzdálenosti 20 až 40 % vnitřní výšky kelímku od jeho dna a gradient teploty směrem k hornímu okraji kelímku byl 5 až 15 °C/on a směrem k dolnímu okraji kelímku 1 až 4 °C/cm.