CS264935B1 - Způsob úpravy růstových podmínek a pěstování safíru modifikovanou Kyropoulovou metodou - Google Patents

Abstract

Způsob úpravy růstových podmínek a pěstování safíru modifikovanou Kyropoulovou metodou ve vakuu o zbytkovém tlaku plynů 200 až 10"^ Pa za použití wolframových nebo molybdenových kelímků v odporové peci s wolframovým topným systémem izolovaným soustavou wolframových a molybdenových plechových stínících elementů, spočívající v tom, že úpravou vzájemné polohy topení, kelímku a stínění dosáhne takový průběh teploty, aby pokles teploty od dna k hornímu okraji kelímku činil 3,0 až 11,5 °C/cm. Při takto upravených podmínkách se v kelímku roztaví surový AI2O3, ze kterého se pěstuje na zárodku krystal tak, že při prvních 5 až 20 % jeho délky se dosáhne průměru odpovídajícího 3 až 18 % vnitřního průměru kelímku za rychlosti tažení 2 až 8 mm/h, další část krystalu o délce odpovídající 6 až 15 % jeho celkové délky, ve které krystal dosáhne průměru 40 až 65 % vnitřního průměru kelímku, se táhne rychlostí 0,5 až 2 mm/h a hlavní válcová část krystalu, dosahující 65 až 95 % vnitřního průměru kelímku se táhne rychlostí 0 až 1 mm/h. Rychlost sestupu teploty v peci se pohybuje v mezích 0,8 až 7 °C/h. Získají se krystaly safíru vysoce kvalitní po stránce strukturní a optické o průměru, který se blíží téměř průměru použitého kelímku.

Description

Předmětem vynálezu je způsob úpravy růstových podmínek a postup pěstování monokrystalů safíru (A^O^) Kyropoulovou metodou na zárodku z taveniny, obsažené v kelímku z wolframu, molybdenu nebo jejích slitin.

Monokrystaly safíru nacházejí v posledním desetiletí stále větší použití ve výzkumu i výrobě náročných zařízení a přístrojů. Využívají se vynikající vlastnosti mechanické, elektrické, optické, teplotní vodivost a vhodná struktura některých řezů pro růst vrstev polovodičů (křemík, A^IIIB^V), a v nejposlednější době i supravodičů na bázi oxidových materiálů. Pro uvedené aplikace jsou často potřeba desky o průměru 50 až 100 mm, o vysoké optické a strukturní dokonalosti. Původní Verneuilova metoda růstu safíru nesplňuje požadavky na kvalitu ani rozměry krystalů. Bylo proto ve světě vyvinuto několik metod, které více nebo méně splňují nové požadavky na safír kladené. Jsou to zejména tyto metody:

1. Horizontální směrová krystalizáce, kdy tavenina tuhne v molybdenové lodičce ve vakuu. Krystaly mají tvar desek cca 100x150 mm, silných 15 až 25 mm. Je obtížné dodržet monokrystaličnost, protože od dotyku krystalu a stěn lodičky mohou generovat poruchy a bločná struktura. Lodička vydrží pouze jeden cyklus růstu.

2. Metoda tepelného výměníku (HEM). Tavenina je obsažena v Mokelímku s kuželovité zašpičatělým dnem, které je umístěno na tepelném výměníku, chlazeném průtokem helia. Růstu se dosahuje zvyšováním průtoku helia. Vzhledem ke kontaktu stěn kelímku s krystalem mohou vznikat obdobné vady jako u prvé metody. Předností je možnost růstu krystalů velkých průměrů.

3. Czochralskiho metoda je nejvíce rozšířena. Krystaly jsou taženy z taveniny v iridiovém kelímku v atmosféře dusíku. Kelímkový materiál je velmi drahý a kelímky musí být rozměrné, protože lze pěstovat krystaly o průměru maximálně polovičním než je průměr kelímku. Krystaly mají ale na rozdíl od předchozích dvou metod vysokou strukturní a optickou jakost.

Modifikace růstové metody Kyropoulovy a úprava růstových podmínek dle tohoto vynálezu spojuje přednosti obou posledně jmenovaných metod a eliminují jejich nedostatky. Je takto možno pěstovat monokrystaly safíru z relativně levných kelímkových materiálu (W, Mo), přičemž střední průměr válcové části krystalu dosahuje 80 až 90 % vnitřního průměru kelímku a protože krystal neroste v dotyku s kelímkovým materiálem, jako v prvních dvou metodách, odpadají defekty, které jsou tímto způsobem často generovány. (Bločná struktura, zvýšená hustota dislokací).

Způsobem čile tohoto vynálezu se postupuje tak, že v prázdném kelímku, umístěném souose v odporovém topném systému z wolframových topných článků, stíněném ze stran, zdola i zhora soustavou stínění z molybdenových a wolframových plechů se pomocí termočlánku W-WRe proměří teplotní gradient podél vertikály, rovnoběžné s osou kelímku, vzdálené od ní o 0,7 až 0,9násobek vnitřního průměru kelímku. Teplota dna se při měření nastaví v rozmezí 2 050 až

180 °C. Poloha kelímku v topení a stínění horní části kelímku se upraví tak, aby pokles teploty směrem od dna k hornímu okraji kelímku činil 3,0 až 11,5 °C/cm. Protože při pěstování krystalu postupně dochází vlivem vysokých teplot k nestejnoměrným deformacím stínících plechů a k nárůstům těkavých složek na chladnějších· místech, (zejména v otvorech horního stínění), je nutné po několika pokusech proměřit znovu teplotní gradient a provést potřebné úpravy, aby byly dodrženy požadované hodnoty.

Vlastní pěstování se provádí tak, že se v kelímku roztaví surový oxid hlinitý ve vakuu -4 o zbytkovém tlaku plynu 200 až 10 Pa, přičemž jako zbytkový plyn múze být přítomen Argon, helium nebo vodík nebo jejich směs. Z taveniny se na safírovém zárodku pěstuje krystal tak. že prvních 5 až 20 % z jeho celkové délky, pří které dosáhne průměru odpovídajícího až 18 % vztaženého průměru kelímku, se táhne rychlostí 2 až 8 mm/h. Protože kelímky nejsou obecně válcového tvaru, ale používají se spíše kelímky konicky se mírně zužující směrem

CS 264 935 Bl ke dnu bere se jako vztažný - průměr měřený v polovině vnitřní výsky kelímku. V této fázi růstu dojde k vyklínění strukturních poruch, vznikajících ve spoji zárodku s krystalem do vnější části krystalu a tím k jejich eliminaci. Další část krystalu o délce odpovídající 6 až 15 % jeho celkové délky, kdy krystal dosáhne průměru odpovídajícího 40 až 65 % vztaženého průměru se táhne rychlostí 0,5 až 2 mm/h. Tato část krystalu tvoří jeho přechodnou zónu. Následující hlavní válcová část krystalu, dosahující průměr 65 až 95 % vztaženého průměru se táhne rychlostí 0 až 1 mm/h. Vlastního růstu se kromě tažení krystalu do chladnější zóny dosahuje především sestupem teploty topného systému, který se kontroluje termočlánkem nebo optickým pyrometrem na topném elementu ve střední části jeho výšky. Rychlost sestupu teploty se nastaví v mezích 0,8 až 7 °C/h a je obecně nepřímo úměrná rychlosti tažení. Vzhledem k nastavenému teplotnímu gradientu posunuje se při snižování celkové teploty isotherma tuhnutí taveniny od horní části kelímku směrem ke dnu a krystal narůstá tímto směrem. Při celém procesu krystal rotuje rychlostí 0,5 až 5 ot/min.

Popsaným způsobem lze efektivně vypěstovat krystaly safíru o vysoké strukturní a optické dokonalosti a současně i velkého průměru, vhodné pro zhotovení nejnáročnějších výrobků.

Příklad 1

Ve vakuové peci s odporovým topným systémem složeným z osmi paralelně zapojených do kruhu uspořádaných wolframových elementů, tvaru obráceného ”U o celkové délce topné zóny 180 mm a průměru 150 mm byl umístěn wolframový kelímek s vnitřním průměrem u horního okraje 110 mm vnitřní výška byla 130 mm. Kelímek se směrem ke dnu kuželovité zužuje s úkosem stěny 2°. TloušEka stěn i dna je 12 mm. Umístěním kelímku tak, že jeho horní okraj přesahoval úroveň horního okraje topného systému o 25 mra bylo dosaženo při měření W-WRe termočlánkem podél vertikály vzdálené 40 mm od osy kelímku směrem k jeho stěně při teplotě dna 2 120 °C poklesu teploty směrem k hornímu okraji v mezích 5 až 8 °C/cm. Ve vakuu 10 Pa bylo v kelímku roztaveno 2,8 kg surového oxidu hlinitého. Teplota topného systému byla měřena optickým radiačním pyrometrem zaměřeným na topný element.

Po nasatení safírového zárodku rozměrů 6x6x40 mm byla tažena rychlostí 5 mm/h první část krystalu o celkové délce 20 mni. Teplota topení se snižovala rychlostí 1,2 °C/h. Krystal rotoval 4 ot/min. Krystal se pomalu rozšířil od průměru zárodku na průměr 12 mm. V další fázi bylo tažení zpomaleno na 1,5 mm/h a sestup teploty zrychlen na 3,1 °C/h po vytažení dalších 15 mm délky krystalu bylo dosaženo průměru 45 mm. Dále bylo tažení zpomaleno na 0,5 mm/h a rychlost sestupu teploty zvýšena na 5 °C/h. Tímto postupem byla dokončena krystalizace veškeré taveniny v kelímku. Krystal v hlavní válcové Části měl průměr 75 až 85 mm a to v délce 82 mm a neobsahoval zde žádné strukturní ani optické defekty.

Příklad 2

Ve shodné peci se stejným teplotním gradientem, ale s použitím kelímku z Mo a vakua se zbytkovým tlakem argonu 50 Pa bylo po roztavení suroviny postupnováno takto: Po nasazení zárodku byla první část krystalu tažena rychlostí 4 mm/h po délce 15 mm. Teplota topení se snižovala rychlostí 1,5 °C/h. Krystal rotoval 2 ot/min a rozšířil se od průměru zárodku na průměr 15 mm. V další fázi bylo tažení zpomaleno na 1 mm/h, sestup teploty zrychlen na 4 °C/h. Po vytažení 12 mm délky se dosáhlo ó krystalu 55 mm. Ve třetí fázi růstu bylo tažení zastaveno (rychlost =0), rychlost sestupu teploty zvýšena na 5 °C/h a takto dokončena krystalizace veškeré taveniny v kelímku. Krystal v hlavní válcové části měl průměr 80 až 92 mm a to po délce 70 mm a byl bez strukturních a optických defektů.

Claims (3)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   Způsob úpravy růstových podmínek a pěstování safíru modifikovanou Kyropoulovou metodou ve vakuu o zbytkovém tlaku plynů 200 až 10 Pa za použití wolframových, molybdenových nebo ze slitin těchto kovů zhotovených kelímků, umístěných souose ve wolframovém odporovém topení, stíněném ze všech stran molybdenovým a wolframovým plechem vyznačený tím, že v prostřed! určeném pro pěstování, se úpravou vzájemné polohy topení, kelímku a stínících plechů dosáhne takový průběh teploty v prázdném kelímku, aby při teplotě dna kelímku 2 080 až 2 200 °C pokles teploty směrem od dna k hornímu okraji kelímku, měřený po vertikále ve vzdálenosti od osy kelímku odpovídající 0,7 až 0,9 násobku jeho vnitřního poloměru činil 3,0 až 11,5 °C/cm, načež se při takto upravených podmínkách v kelímku roztaví oxid hlinitý, ze kterého se na zárodku pěstuje krystal tak, že prvních 5 až 20 % z celkové délky krystalu, při které se dosáhne průměru odpovídajícího 3 až 18 í vnitřního průměru kelímku měřeného v polovině jeho výšky táhne rychlostí 2 až 8 mm/h, další část krystalu o délce odpovídající
2. 6 až 15 % jeho celkové délky, ve které krystal dosáhne průměru odpovídajícího 40 až 65 % průměru kelímku se táhne rychlostí 0,5 až 2 mm/h a hlavní válcová část krystalu, dosahující 65 až 95 % průměru kelímku se táhne rychlostí 0 až 1 mm/h, přičemž rychlost sestupu teploty topení měřeno ve střední části jeho výšky se při celém procesu pohybuje v mezích 0,8 až
3. 7 °C/h.