CS265100B1

CS265100B1 - Dewice for high-melting oxidic monocrystals from melt growth

Info

Publication number: CS265100B1
Application number: CS88442A
Authority: CS
Inventors: Bohumil Ing Csc Perner; Jiri Ing Drsc Kvapil; Josef Ing Csc Kvapil; Miroslav Holas
Original assignee: Perner Bohumil; Kvapil Jiri; Kvapil Josef; Miroslav Holas
Priority date: 1988-01-25
Filing date: 1988-01-25
Publication date: 1989-09-12
Also published as: CS44288A1

Abstract

Zařízení pro pěstování vysokotajících oxidových monokrystalů z taveniny, zejména vhodné pro safír, jehož konstrukční řešení topného a stínícího uzlu optimalizuje teplotní režim v růstové zóně tím, že kelímek vyčnívá nad topný systém, okolo něhož je souose umístěno válcové stínění, nad topením je vodorovné stínění a celý prostor kelímku a topení je zastíněn soustavou vodorovných stínících přepážek, opatřených v ose otvorem pro umístění zárodku.A device for growing high-melting oxide single crystals from a melt, especially suitable for sapphire, whose design of the heating and shielding node optimizes the temperature regime in the growth zone by the crucible projecting above the heating system, around which a cylindrical shielding is coaxially placed, there is a horizontal shielding above the heater and the entire space of the crucible and heater is shaded by a system of horizontal shielding partitions, provided with an opening in the axis for placing the nucleus.

Description

Vynález se týká zařízení pro růst oxidových monokrystalů s vysokým bodem tání, u kterých je absorpce zářivé energie v krystalu výrazně nižší než v tavenině.The present invention relates to an apparatus for the growth of high melting point oxide single crystals in which the absorption of radiant energy in the crystal is significantly lower than in the melt.

Pěstování monokrystalů oxidových materiálů s bodem tání, nad 1500°C je velmi náročný technický problém, vyžadující obecně řešení materiálových a konstrukčních otázek, vysoké čistoty vstupních surovin a citlivých a dlouhodobě stabilních systémů regulace teploty.The cultivation of monocrystals of oxide materials with a melting point above 1500 ° C is a very demanding technical problem requiring generally solving of material and constructional issues, high purity of feedstocks and sensitive and long-term stable temperature control systems.

Zvlášt obtížné je pěstování těch typů monokrystalů, které se vyznačují velmi nízkým stupněm absorpce zářivé energie v tuhé fázi, jako je tomu např. u korundů a některých typůYAlO^ a Y-jAl^O^, v závislosti na jejich dotaci dalšími elementy.It is particularly difficult to grow those types of single crystals that have a very low degree of solid energy absorption of radiant energy, such as corundum and some types of YAlO4 and Y-Al2O4, depending on their doping by other elements.

Při růstu krystalů je nutné vytvořit dostatečně velký teplotní gradient na fázovém rozhraní tavenina-krystal, aby nedocházelo ke vzniku dendritického růstu, a tím i tvorbě optických defektů ve krystalech. Dostatečný teplotní gradient se vytváří tehdy, zajistíme-li přiměřený odvod tepla vedením v krystalu. Tento odvod je na druhé strany zejména u krystalů větších rozměrů, limitován možností vzniku pnutí a prasklin, jako důsledek velkého teplotního gradientu ve hmotě krystalu. Teplotní gradient na fázovém rozhraní se tedy snižuje se snižující se absorpcí zářivé energie v krystalu, která je daná charakterem pěstovaného materiálu, a dále se snižuje se stoupající rychlostí proudění taveniny, jak se zvětšuje koeficient přestupu tepla z taveniny do krystalu. Proudění taveniny vzrůstá v závislosti na teplotním gradientu v tavenině a ten vzniká jednak přestupem tepla vedením a absorpcí zářivé složky ve vrstvě taveniny přiléhající k teplejší stěně kelímky což je opět v podstatě těžko ovlivnitelný faktor, ale také ztrátami tepla vedením a zářením z hladiny do okolního prostředí. Tento faktor lze ovlivnit vhodným konstrukčním řešením růstového prostoru. Konstrukce běžně používané pro růst krystalů tažením z taveniny na zárodku vyhovují dobře pro růst krystalů s dostatečně vysokou absorpcí zářivé energie v krystalu, neboí tento faktor zvyšuje teplotní gradient na fázovém rozhraní, avšak u krystalů s nízkoiDuring crystal growth, it is necessary to create a sufficiently large temperature gradient at the melt-crystal interface to avoid dendritic growth and thus to create optical defects in the crystals. A sufficient temperature gradient is generated by providing adequate heat dissipation in the crystal. On the other hand, this discharge is limited, in particular, for crystals of larger sizes, limited by the possibility of stress and crack formation as a result of a large temperature gradient in the crystal mass. Thus, the temperature gradient at the phase boundary decreases with decreasing absorption of radiant energy in the crystal due to the nature of the cultivated material, and further decreases with increasing melt flow rate as the heat transfer coefficient from the melt to the crystal increases. The flow of the melt increases as a function of the temperature gradient in the melt, and this is due to the heat transfer and conduction of the radiant component in the melt layer adjacent to the warmer crucible wall. . This factor can be influenced by a suitable design of the growth space. The structures commonly used for melt-to-seed growth are well suited for crystal growth with sufficiently high absorption of radiant energy in the crystal, since this factor increases the temperature gradient at the interface, but for low-crystal

- 2. 265 100 absorpcí zářivé energie dochází u běžné konstruovaných.aparatur ke vzniku nízkých teplotních gradientů a tím také k růstu opticky defektních krystalů.By absorbing radiant energy, low temperature gradients are produced in conventional engineered apparatuses, and thus optically defective crystals grow.

Zmíněný nedostatek při pěstování monokrystalů oxidových materiálů s vysokým bodem tán-í a nízkou absorpcí zářivé energie v kryétalu růstem na zárodku z taveniny v kelímku odstraňuje zařízení konstruované podle, tohoto vynálezu, sestávající ze souose uspořádaného nosiče zárodku, kelímku, elektrického odporového topného tělesa, vytvořeného z jednoho nebo několika do kruhu sestavených článků, obklopených tepelným stíněním, jehož podstata spočívá v tom, že upravuje poměr ztrát tepla z hladiny taveniny a z rostoucího krystalu, tím také poměr teplotních gradientů v tavenině a v krystalu, a to takovým způsobem., že horní okraj kelímku (2) leží o 6 až 30% jeho vnějšího průměru nad horním okrajem topného systému (1), stíněného 5 až 20 plechovými válci (4), z nichž 1 až 5 válců přesahuje horní okraj topného systému (1) o 3 až 20 %, ostatní válce o 20 až 80% průměru topného systému a v prostoru mezi kelímkem (2) nad topným systémem (1) jsou umístěny 1 až 3 vodorovné stínící přepážky (3) a v prostoru nad kelímkem (2) a topným systémem (1) je umístěno 3 až 20 vodorovných stínících přepážek (5), opatřených v ose otvory pro umístění zárodku pozorování a hlavní odvod tepla z taveniny a krystalu, jejíchž průměr je roven 15 až 50% vnějšího průměru kelímku (2). V případě potřeby může být tvar otvoru modifikován dodatečným výřezem v okraji kruhového otvoru, umožňujícím lepší pozorování zejména v počáteční fázi růstu. První z těchto přepážek leží nad horním okrajem kelímku (2) ve výši 4 až 23%, a poslední ve výši 26 až 77%_zvztaženo na vnější průměr kelímku.Said deficiency in the cultivation of single melting crystals of high melting point oxide materials and low absorption of radiant energy in the crystal by growth on the embryo of the melt in the crucible removes the apparatus constructed according to the invention consisting of coaxially arranged embryo, crucible from one or more ring-assembled cells surrounded by a thermal shield, which consists in adjusting the ratio of heat loss from the melt level and the growing crystal, thereby also the ratio of temperature gradients in the melt and in the crystal in such a way that the upper the rim of the crucible (2) lies 6 to 30% of its outer diameter above the upper edge of the heating system (1), shielded by 5 to 20 sheet metal rolls (4), of which 1 to 5 rollers overlap the upper edge of the heating system (1) by 3 to 20%, other cylinders 20 to 80% of the diameter of the heating system and in the space 1 to 3 horizontal shielding baffles (3) are located between the crucible (2) above the heating system (1) and 3 to 20 horizontal shielding baffles (5) are provided in the space above the crucible (2) and the heating system (1); in-line the apertures for the placement of the observation nucleus and the main heat dissipation from the melt and the crystal, the diameter of which is equal to 15 to 50% of the outer diameter of the crucible (2). If desired, the shape of the aperture may be modified by an additional cut-out in the edge of the circular aperture, allowing better observation, especially in the initial growth phase. The first of these baffles lies above the upper edge of the crucible (2) at 4 to 23%, and the last at 26 to 77% _of the outer diameter of the crucible.

Takto konstruované zařízení umožňuje vytvoření podmínek pro nasazení zárodku (6), jehož hmota je ve srovnání s krystalem (8) malá, ale tím, že zárodek je chráněn stíněním (5), před ohřevem z vnějších částí hladiny taveniny (7) vaniká v něm dostatečný gradient teploty. Po nárůstu krystalu na cca polovinu, jeho konečného průměru se velmi sníží ztráty tepla zářením z vnějších částí hladiny taveniny, čímž klesne její proudění a vytvoří se vyšší gradient teploty na fázovém rozhraní růstu. Tak jsou zaručeny podmínky pro vypěstování opticky a strukturně kvalitního krystalu (8)The device constructed in this way makes it possible to create conditions for the deployment of a seed (6) whose mass is small compared to the crystal (8), but by protecting the seed from shielding (5) from heating from the outer parts of the melt level (7). sufficient temperature gradient. After the crystal has grown to about half its final diameter, the heat loss from radiation from the outside of the melt is greatly reduced, thereby decreasing its flow and creating a higher temperature gradient at the growth interface. This guarantees the conditions for the cultivation of an optically and structurally quality crystal (8)

- 3 265 100- 3,265 100

PřikladlHe did

Na zařízení podle vynálezu byly pěstovány monokrystaly safíru ve vakuu. Zařízení sestávalo z wolframového kelímku o vnějším průměru 130 mm, tlouštce stěny 10 mm a výšce 140 mm, kolem kterého bylo sestaveno do kruhu o 0 150 mm odporové topné těleso z osmi paralelně zapojených topných smyček ve tvaru obráceného U, jejichž horní okraj ležel 10 mm pod horním okrajem kelímku. Okolo topení byly 2 wolframové stínící válce, které přesahovaly horní okraj topení o 5 mm a 10 molybdenových stínících válců, které přesahovaly horní okraj topení o 80 mm. Na prvních dvou válcích leželo v prostoru nad topením wolframové mezikruží o vni >. ní světlosti 131 mm. Nad kelímkem a topením bylo sestaveno 12 ro noběžných vodorovných stínících přepážek (5), s otvory uprostřed o 0 25 mm, přičemž první přepážka byla 15 mm a poslední 69 mm na, horním okrajem kelímku.Sapphire single crystals were grown on the apparatus of the invention under vacuum. The device consisted of a tungsten crucible with an outer diameter of 130 mm, a wall thickness of 10 mm and a height of 140 mm, around which a 0 150 mm resistive heating element was assembled from eight parallel-connected inverted U-shaped heating loops. below the top of the crucible. Around the heater were 2 tungsten shielding rollers that overlap the upper edge of the heater by 5 mm and 10 molybdenum shielding rollers that overlap the upper edge of the heater by 80 mm. On the first two cylinders lay in the space above the heater tungsten annulus about the inside. diameter 131 mm. Above the crucible and heater, 12 rugged horizontal shielding baffles (5) were assembled, with holes in the middle of 0 25 mm, the first baffle being 15 mm and the last 69 mm at the top of the crucible.

Na tomto zařízení byly pěstovány monokrystaly safíru o 0 85 mm A hmotnosti 2,8 kg, přičemž 80% objemu krystalu bylo bez optických a strukturních vad.Sapphire single crystals of 0 85 mm A weighing 2.8 kg were grown on this apparatus, with 80% of the crystal volume free of optical and structural defects.

Příklad 2Example 2

Na stejném zařízený s tím rozdílem, že místo wolframu byl všude použit molybder^ místo vakua ochranná atmosféra ze směsi 80' helia a 20% vodíku a otvory v přepážkách (5) byly zvětšeny na 40 mm,byly pěstovány monokrystaly YAIO^ s obsahem 1 vah.% Nd20pro laserové účely. Byly vypěstovány krystaly o 0 60 mm a hmotnosti 2 kg, u nichž bylo 60% objemu opticky čistého materiálu, použitelného pro laserové výbrusy.On the same apparatus, except that molybder was used instead of tungsten instead of vacuum, a protective atmosphere of 80% helium and 20% hydrogen and the openings in the baffles (5) were increased to 40 mm, YAIO single crystals containing 1 weight were grown. % Nd20 for laser purposes. Crystals of 0 60 mm and a weight of 2 kg were grown with 60% by volume of optically pure material usable for laser cuts.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

265 100

Apparatus for growing single crystals of high-melting oxide materials on a molten embryo, consisting of an axially symmetrically arranged embryo, crucible, electric resistance heater formed from one or more ring-assembled cells surrounded by thermal shielding, characterized in that the top of the crucible ( 2) lies 6 to 30% of its outer diameter above the upper edge of the heating system (1), around which 5 to 25 shielding metal rollers (4) are coaxially positioned, of which 1 to 5 inner rollers overlap the upper edge of the heating system (1) o 3 to 20% other cylinders o 20 to 80% of the heating system diameter, 1 to 3 horizontal shielding screens (3) with gaps equal to 2 to 10 are located in the space between the crucible (2) and above the heating system (1) of their thickness and in the space above the crucible (2) and the heating system (1) there are placed 3 to 20 horizontal shields The first bulkhead is located above the upper edge of the crucible (2) at a rate of 4 to 23% and the last at a rate of 26 to 77%, based on openings 15 to 50% of the outside diameter of the crucible (2). to the outside diameter of the crucible (3).