CS252625B1

CS252625B1 - Method of raw material treatment for monocrystals development

Info

Publication number: CS252625B1
Application number: CS862791A
Authority: CS
Inventors: Bohumil Perner; Jiri Kvapil; Josef Kvapil; Helena Hilgerova
Original assignee: Bohumil Perner; Jiri Kvapil; Josef Kvapil; Helena Hilgerova
Priority date: 1986-04-17
Filing date: 1986-04-17
Publication date: 1987-09-17
Also published as: CS279186A1

Abstract

Způsob úpravy suroviny pro pěstování monokrystalů korundu, umožňující podstatné snížení opotřebení pěstovacích kelímků a dosažení vyšší jakosti vypěstovaných monokrystalů, kde cíle je dosaženo tím, že práškovitý oxid hlinitý se slisuje na válcovité výlisky, jejichž průměr je po konečném žíhání o 1 až 50 % menší než průměr kelímku a ty se vystaví teplotě 1 400 až 1 500 °C na vzduchu po dobu nejméně 2 h a poté teplotě 1 700 až 1 900 °C v atmosféře obsahující 50 až 100 obj. % vodíku a 50 až 0 obj. % argonu po dobu alespoň 2 h.Method of processing raw material for cultivation of single crystals of corundum, allowing essential Reducing the cultivation crucible wear a achieving higher quality of single crystals, where the goal is achieved by the alumina powder is compressed into cylindrical moldings whose diameter is final annealing 1 to 50% smaller than the crucible diameter and these are exposed to a temperature of 1400 to 1500 ° C in air for at least 2 h and then at room temperature 1,700 to 1,900 ° C in an atmosphere containing 50 to 100% by volume of hydrogen and 50 to 0% by volume argon for at least 2 h.

Description

Vynález se týká způsobu úpravy suroviny pro pěstováni monokrystalů korundu.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a process for treating raw material for the cultivation of corundum monocrystals.

Monokrystaly nabývají v posledních letech stále většího významu v elektronice, jako substráty pro monokrystalické polovodivé vrstvy, dále ve speciální optice, například pro zpracování laserových paprsků.In recent years, single crystals have become increasingly important in electronics, as substrates for monocrystalline semiconducting layers, and in special optics, for example for laser beam processing.

Pěstují se ve větších rozměrech různými metodami krystalizace z taveniny v molybdenových, wolframových nebo iridiových kelímcích a to ve vysokém vakuu nebo v atmosféře inertních plynů. Jeho výchozí suroviny se používá obvykle ěistého oxidu hlinitého slisovaného do tablet nebo výlisků sintrovaných na vzduchu při teplotě 1 400 až 1 500 °C. Hustota 3 3 výlisků je obvykle 1,7 až 2,0 g/cm , zatímco hustota taveniny je 3 g/cm . K naplnění kelímku taveninou je potřeba navršit výlisky nad úroveň kelímku, roztavit a toto se opakuje dva až třikráte než je kelímek připraven k pěstování.They are grown in larger dimensions by various methods of melt crystallization in molybdenum, tungsten or iridium crucibles under high vacuum or inert gas atmosphere. Its starting material is usually pure alumina compressed into tablets or moldings sintered in air at a temperature of 1400 to 1500 ° C. The density of the moldings is usually 1.7 to 2.0 g / cm, while the density of the melt is 3 g / cm. To fill the crucible with melt, it is necessary to pile the moldings above the crucible level, to melt, and this is repeated two to three times until the crucible is ready for cultivation.

Je to způsobeno jednak uvedeným rozdílem v hustotách, jednak tím, že výlisky svým tvarem obvykle neumožňují dobře vyplnit prostor kelímku. Plnění kelímku tímto způsobem, kdy již částečně taveninou naplněný kelímek se doplňuje výlisky a znovu roztavuje, vede k tomu, že tavenina již ztuhlá v kelímku při následném ohřevu se roztahuje a vyfukuje stěny dolní části kelímku a jeho dno, což po čase vede k zničení kelímku. Kromě toho výlisky po žíhání na vzduchu na maximálně 1 500 °C jsou ještě značně pórovité a mají proto velký a sorpčně aktivní povrch, na kterém se absorbují při manipulaci různé plyny, především vlhkost a kyslík.This is due, on the one hand, to the difference in density and, on the other, to the fact that the shape of the moldings usually does not allow the crucible space to fill well. Filling the crucible in this way, where the crucible is partially filled with moldings and melted again, results in the melt already solidified in the crucible upon subsequent heating expanding and deflating the bottom of the crucible and its bottom, which over time leads to the crucible being destroyed . Furthermore, moldings after annealing in air at a maximum of 1500 ° C are still very porous and therefore have a large and sorptively active surface on which various gases, especially moisture and oxygen, are absorbed during handling.

Tyto se potom při ohřevu a ztavování uvolňují a koroduji stěny kelímku a topení, odkud přechází jemné částice kovu (wolframu, molybdenu) do taveniny a znečlštují ji. Potom je třeba prodloužit protavování o 4 až 6 h, aby se alespoň část kovových částic usadila na dně a stěnách kelímků. Zbylý kov ztěžuje nasazení zárodku a snižuje výtěžnost kvalitního podílu monokrystalu o 20 až 25 %.These are then released during heating and melting and corrode the crucible and heating walls, where the fine metal particles (tungsten, molybdenum) pass into the melt and pollute it. It is then necessary to extend the melting time by 4 to 6 hours so that at least a portion of the metal particles deposit on the bottom and walls of the crucibles. The remaining metal makes the embryo difficult to deploy and reduces the yield of the high-quality single crystal fraction by 20 to 25%.

Uvedené obtíže a nedostatky lze odstranit způsobem úpravy suroviny pro pěstování monokrystalů korundu podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že práškovitý oxid hlinitý se slisuje na válcovité výlisky, jejichž průměr je po konečném žíhání o 1 až 50 % menší než průměr kelímku a ty se vystaví teplotě 1 400 až 1 500 °C na vzduchu po dobu nejméně 2 h a poté se vystaví teplotě 1 700 až 1 900 °C v atmosféře obsahující 50 až 100 obj. % vodíku a 50 až 0 obj. % argonu po dobu alespoň 2 h.Said difficulties and drawbacks can be overcome by the process for treating the corundum monocrystalline raw material according to the invention, characterized in that the alumina powder is pressed into cylindrical compacts whose diameter, after final annealing, is 1 to 50% smaller than the crucible diameter. it is subjected to a temperature of 1,400 to 1,500 ° C in air for at least 2 h and then exposed to a temperature of 1,700 to 1,900 ° C in an atmosphere containing 50 to 100 vol% hydrogen and 50 to 0 vol% argon for at least 2 h .

Při žíháni v atmosféře vodíku a argonu dojde jednak ke zvýšení hustoty výlisků na 2 až 2,5 g/cm³, jednak k redukci a desaktivaci jeho provrchu, takže se podstatně omezí jeho sorpčni schopnost. Takto upravenými výlisky lze najednou vyplnit kelímek taveninou a tím odstranit ztavování a zároveň na minimum snížit obsah adsorbované vody a kyslíku ve výliscích, což ve svém důsledku vede k zamezeni předčasné deformace kelímku a znečištování taveniny kovovými korosními produkty.Annealing in an atmosphere of hydrogen and argon both increases the density of the moldings to 2 to 2.5 g / cm ³ and reduces and deactivates its surface, so that its sorption capacity is substantially reduced. Such treated moldings can simultaneously fill the crucible with melt, thereby eliminating melting and at the same time minimizing the adsorbed water and oxygen content of the moldings, which results in premature deformation of the crucible and contamination of the melt with metal corrosion products.

Příklad 1Example 1

Z práškovitého oxidu hlinitého byly v pryžové formě o průměru 125 mm a výšce 200 mm isostaticky za tlaku 120 MPa vylisovány výlisky válcovitého tvaru. Výlisky byly vystaveny teplotě 1 450 °C po dobu 3 h v superkantalové peci na vzduchu. Poté byly přeneseny do pece s wolframovým topením a vystaveny v atmosféře, sestávající z 60 obj. % vodíku a 40 obj. % argonu teplotě 1 850 °C po dobu 3 h. Výlisky měly průměr 80 mm a výšku 120 mm a váhu 1 500 g, což odpovídá hustotě cca 2,5 g/cm . Dva takové výlisky postavené na sebe do wolframového kelímku o vnitřních rozměrech, průměr 105 mm, výška 130 mm, tvořily celkovou vsázku 3 000 g, která po roztaveni vyplnila taveninou kelímek, takže po třech hodinách protavení mohl být nasazen zárodek a Kyropoulosovou metodou pěstován monokrystal safíru o průměru 90 mm a váze 3 000 g. Z tohoto monokrystalu bylo možno 78 % jeho hmoty využít pro výrobu vysoce jakostních substrátů.Moldings of cylindrical shape were pressed out of the alumina powder in a rubber mold with a diameter of 125 mm and a height of 200 mm at a pressure of 120 MPa. The moldings were exposed to a temperature of 1450 ° C for 3 h in a supercantal oven in air. They were then transferred to a tungsten heating furnace and exposed to an atmosphere of 60 vol.% Hydrogen and 40 vol.% Argon at a temperature of 1850 ° C for 3 h. , which corresponds to a density of about 2.5 g / cm. Two such moldings placed on top of each other in a tungsten crucible of internal dimensions, diameter 105 mm, height 130 mm, constituted a total charge of 3,000 g, which after melting filled the crucible so that the embryo could be seeded after three hours of melting. With a diameter of 90 mm and a weight of 3000 g. From this single crystal 78% of its mass could be used for the production of high-quality substrates.

Příklad 2Example 2

Bylo postupováno obdobně jako v příkladu 1 s tím rozdílem, že výlisek byl lisován do formy o průměru 65 mm a výšce 520 mm. Výlisek po záhřevu na 1 500 °C na vzduchu po dobu 2 h a dalším zahřívání na teplotu 1 700 °C v atmosféře, tvořené toliko vodíkem po dobu 4 h měl rozměry, průměr 40 mm a výšku 330 mm. Výlisek vážil 1 000 g, což odpovídá 3 hustotě 2,5 g/cm . Jediný tento výlisek vyplnil wolframový kelímek o vnitřních rozměrech, průměr 80 mm a výška 90 mm taveninou a po 3 h protavení bylo možno začít s pěstováním monokrystalu safíru. Vypěstovaný monokrystal měl průměr 65 mm a váhu 1 000 g a byl z 80 % využitelný k zhotovení jakostních optických elementů.The procedure was analogous to Example 1 except that the compact was pressed into a mold having a diameter of 65 mm and a height of 520 mm. The molding after heating to 1500 ° C in air for 2 h and further heating to 1700 ° C in an atmosphere consisting solely of hydrogen for 4 h had dimensions, a diameter of 40 mm and a height of 330 mm. The molding weighed 1000 g, which corresponds to a density of 2.5 g / cm 3. The only molding was filled with a tungsten crucible of internal dimensions, diameter 80 mm and height 90 mm by the melt, and after 3 hours melting it was possible to start growing a single sapphire crystal. The cultivated single crystal had a diameter of 65 mm and a weight of 1000 g and was 80% usable for the production of quality optical elements.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

Process for treating raw material for the cultivation of corundum single crystals, characterized in that the powdered alumina is pressed into cylindrical compacts whose diameter, after final annealing, is between 1 and 50 times smaller than the crucible diameter and these are exposed to temperatures of 1,400 to 500 ° C in air for at least 2 h and then exposed to a temperature of 1 700 to 1 900 ° C in an atmosphere containing 50 to 100 vol% hydrogen and 50 to 0 vol% argon for at least 2 hours.