CS269171B1 - Způsob pěstování monokrystalů oxidových materiálu se sníženým obsa - Google Patents

Abstract

Způsob pěstování monokrystalů oxidových materiálů se sníženým obsahem optických a strukturních defektů tažením 2 tavenlny, zejména monokrystalů granátu a perovskitu, vhodných pro laserové výbrusy za pomoci automatického programovatelného zařízení pro kontrolu přírůstku hmotnosti krystalu tak, že objemové přírůstky monokrystalu dV, za čas ďT, během rozšiřování monokrystalů od zárodku do 70 až Ι00Χ největšího průměru se udržují podle vztahu: dV 1= 2 ll t 2| _3__ 2 sin ri (1) a po dosažení konečného průměru D jsou udržovány podle lineárního vztahu: dV2= ?ÍD2-vt df^ A sin kde dVj a dV^ jsou je čas v intervalu dosažení konečného úhel je vrcholový rozhraní krystal/ta až 180°; A je vrch ho rozšiřování mono až 90°, v Je nasta T- je čas v lnterv néno průměru krysta V. (2) objemové přírůstky;Vj od počátku tažení po průměru krystalu D; úhel kužele fázovéhg venlna v rozmezí 50° olový úhel kuželovitékrystalu v rozmezí 5 vená rychlost tažení; alu od dosažení konečlu 0 po ukončení růstu.

Description

Vynález se týká způsobu řízeného pěstování monokrystalů oxidových materiálů se sníženým obsahem strukturních a optických defektů tažením z taveniny, zejména monokrystalů granátu a perovskltu.

Pěstování monokrystalů uvedených typů oxidových materiálů tažením z jejich taveniny je průmyslově nejvíce užívanou metodou. Růst probíhá tak, že zárodek monokrystalu daného materiálu ve formě orientované tyčinky, rotující okolo své vertikální osy se nasadí při rovnovážné teplotě do taveniny a potom se vhodnou rychlostí táhne vzhůru. Přitom se snižuje teplota taveniny, takže dochází k postupnému rozšiřování monokrystalu až na konečný průměr, který je požadován a který se potom zachovává, - aby monokrystal měl tvar co nejvíce válcovitý. Spojení zárodku s monokrystalem a rychlost rozšiřování monokrystalu na konečný průměr, která může být definována vrcholovým úhlem kužele beta, mají velmi významný, vliv na jakost vypěstovaného monokrystalu. V místě spojení zárodku s monokrystalem vzniknou většinou strukturní defekty, které je třeba ve fázi rozšiřování monokrystalu eliminovat, aby nezasáhly do jeho válcové části. To se uskuteční postupným vykliňováním defektů kolmo na kuželovité fázové rozhraní, které se u většiny monokrystalů, zejména těch , které jsou propustné pro záření, vytvoří při, respektive po nasazení zárodku, v důsledku odvodu tepla zárodkem a později vytaženým monokrystalem. Tvar kuželovitého fázového rozhraní charakterizuje vrcholový úhel kužele alfa-, který závisí v zásadě na optických vlastnostech taveniny a monokrystalu, teplotě tavení, teplotních gradientech v tavenině a monokrystalu a rotační rychlosti monokrystalu. Za vhodných podmínek, zejména při vyšších rotačních rychlostech, dochází zpravidla po rozšíření monokrystalu na požadovaný průměr, respektive již při rozšíření na průměr požadovanému průměru válcové části blízký, k zvratu kuželovitého fázového rozhraní ha ploché, což je často spojeno s nekontrolovatelným vertikálním zrychlením růstu a vznikem strukturnich a optických defektů, které zhoršují jakost monokrystalu. Za jiných podmínek, zejména při nízkých rotačních rychlostech k zvratu nedochází a monokrystal zachovává po celou dobu, 1 ve válcové části, kuželovitě vypuklé fázové rozhraní. Úhel < se během růstu mění vlivem změn: odvodu tepla, teplotních gradientů a .proudění taveniny v důsledku růstu monokrystalu. » ' · · .

Z uvedeného vyplývá, že při růstu krystalů uvažovaných typů je objemová rychlost růstu zejména v nejchoulostivější počáteční fázi nestabilní, což vede ke vzniku a zachování strukturních defektů. Při manuální kontrole procesu lze jen při velké zkušenosti pracovníků zajistit růst kvalitních krystalů, protože změny fázového rozhraní pod hladinou taveniny nelze detekovat okem.

Eliminace strukturních defektů, vzniklých v oblasti spojení zárodku s krystale· a zamezení generace dalších defektů v případě změny tvaru fázového rozhraní z kuželovitého na ploché se zajistí Způsobem řízeného pěstování tažením z taveniny, jehož podstata spočívá v tom, že objemové přírůstky monokrystalu dV^ za čas dť^ během rozšiřování monokrystalu od zárodku do 70 až 100% největšího průměru 0 jsou udržovány podle vztahu áíi n . . t,² ;

dt.ž ' ^£ • ^2 ⁽²⁾ a po dosažení konečného průměru 0 jsou přírůstky udržovány podle lineárního vztahu —2 = 7 . D² . ^vt ^d^2 4 . sin í

- 2 - CS 269 171 Bl kde dV₁ a dV'₂ jsou objemové přírůstky, je čas v Intervalu od počátku tažení po dosažení 0 = D, úhel4je vrcholový úhel kužele fázového rozhraní krystal/tavenina a je v rozmezí 50° až 180°. 6 je vrcholový úhel kuželovitého rozšiřování monokrystalu a je v rozmezí 5° až 90°.

v_t je rychlost tažení,^ je čas v intervalu od dosažení é = D po ukončení růstu a D je konečný průměr monokrystalu.

Protože růst krystalu probíhá z části pod hladinou taveniny a nelze jej tedy dokonale kontrolovat opticky at už manuálně nebo zobrazením rostoucího krystalu, například promítáním pomocí objektivu nebo televizní kamerou, provádí se automatické řízení růstu krystalu podle, uvedených vztahů tak, že se krystal pěstuje na zařízení, umožňujícím kontrolu přírůstku hmotnosti krystalu během růstu, jaké je ku příkladu popsáno v čs. autorském osvědčení č. 248 696, do jehož programu se zadají parametry, zvolené podle druhu pěstovaného materiálu, a to: rychlost růstu (v^), doba rozšiřování od zárodku na průměr váloové části (^) a úhel Λ , který se obvykle zahrne do celkové konstanty ve vztazích:

(1): ---sin 4 . (2): .....-V............

. 4 . sin —

Úhelβ ve vztahu (1) je určen zadáním V_t aT*. Dále je zadána měrná hmotnost daného materiálu $, která převádí hodnotu změny hmotnosti, zjišťovanou výše uvedeným zařízením na kontrolovanou změnu objemovou.

.. ·.. ....Uvedené zařízení udržuje sledovaný parametr objemové změny v toleranci 4 5%, což postačuje' pro růst krystalů s nízkým obsahem strukturních poruch.

Příklad 1 z molybdenového kelímku, umístěného, v peci s wolframovým odporovým topným systémem byl v ochranné atmosféře, sestávající z argonu a vodíku pěstován z taveniny Y₃A1^0j2 obsahující 4 hmot.% NdgO^ a 0,01 hmot.* Ce^Oj na zárodku 6 x 6 x 50 mm, orientovaném ve směru £111] monokrystal yttritohlinitého granátu, aktivovaného neody- mém, určený pro přípravu laserových tyčí. Zárodek rotoval rychlostí 30 ot/min a byl tažen rychlostí 1,5 mm/h pomocí tažičky, vybavené automatickou regulací rychlosti růstu monokrystalu na principu kontroly změn hmotnosti taženého monokrystalu (přírůstky hmotnosti odpovídají přírůstkům: objemovým, násobeným měrnou hmotností daného monokrystalu). Vlivem vlastnosti taveniny a monokrystalu a teplotních gradientů v pěstovací oblasti monokrystalu, formulovalo se fázové rozhraní krystal/tavenina jako kuželovité vypouklé směrem do taveniny s vrcholovým úhlem kužele £ = 85°. Na regulátoru růstu byla zvolena lineární rychlost tažení v_fc = 1,5 mm/h, měrná hmotnost= 4,16 g/cm\ doba rozšíření^ = 20 na žádaný průměr válcové části D = 35 mm, což odpovídá maximálnímu úhlu rozšíření/):: 60°. V důsledku zvyšujícího se odvodu tepla rostoucím monokrystalem a zárodkem, které se vysunovaly do chladnější zóny, docházelo postupně k narůstání monokrystalu směrem do taveniny, takže skutečná rychlost růst v^ překračovala zejména v prvních 10 hodinách rychlost tažení, ale regulátor objemové rychlosti udržoval tuto hodnotu odpovídající vztahu (1). Tím současně upravoval okamžitou hodnotu úhlu/J na 20° až 30°. V oblasti dosaženého průměru D = 18 až 30 mm poklesla rychlost růstu na rychlost odpovídající v. nastavené, takže regulátor upravil hod_ v notu úhlu/)na 50 až 40 . Po dosažení průměru 30 mm, v tomto případě kritického, došlo postupně ke zvratu kuželovitého na ploché fázové rozhraní, tj úhel£se změnil z 85° na 180°, především dorůstáním vnější oblasti monokrystalu směrem do taveniny, okamžitá rychlost růstu opět stoupla, což se projevilo téměř zastavením růstu průměru na dobu 4 hod., tj že úhel/^se v této fázi snížil na hodnotu 5 až 10°. Po vytvoření plochého fázového rozhraní dorostl monokrystal na konečný průměr D = 35 mm pod úhledm β = 50 až 55°.

CS 269 171 81

Celková skutečná doba rozšíření byla 36 hod. Protože objemová rychlost růstu nikdy nepřekročila hodnoty, určené ve vztahu (1), byla rozšiřující se část monokrystalu prakticky bez šedosti a jiných optických defektů a ani v oblasti změny kuželovitého fázového rozhraní na ploché nedošlo ke vzniku strukturních poruch, takže i další válcová část monokrystalu byla bez optických a strukturních defektů a byla použitelná pro přípravy laserových výbrusů. Růst krystalu ve válcové části probíhal podle vztahu (Z).

Příklad 2

Z wolframového kelímku, umístěného v peci s wolframovým odporovým topným systémem byl v ochranné atmosféře, tvořené argonem a vodíkem pěstován z taveniny YALO^, obsahující 1,25 hmot.* Md^Oj a 0,07 hmot.* Cr^O^ monokrystal yttrltého perovskltu aktivovaného neodymem a chromém pro laserové tyče. Rychlost tažení byla 4 mm/h., rotace 10 ot/min. Fázové rozhraní krystal/tavenlna dané růstovými podmínkami se formovalo jako kuželovité vypuklé směrem do taveniny s vrcholovým úhlem kuželeZ = 62°. Na regulátoru rychlosti růstu byla zvolena rychlost tažení v^ = 4,0 mm/h, doba rozšíření 8 h na žádaný průměr válcové části 0 a 36 mm. To odpovídalo úhlu rozšíření 0 = 62°. V důsledku vysoké optické propustnosti, tohoto materiálu, rostl během tažení značně odvod tepla monokrystalem a zárodkem a úměrně k tomu 1 zarůstání monokrystalu pod hladinu taveniny, takže skutečná růstová rychlost překračovala zejména v prvých 6 hodinách nastavenou hodnotu, ale regulátor objemové růstové rychlosti ji urdržoval na hodnotách, odpovídajících vztahu (1). Tím současně upravoval okamžitý úhelna hodnoty 10 až 25°. Růstová rychlost dosáhla maxima při průměru monokrystalu 21 mm, potom plynule klesala až db průměru monokrystalu 36 mm, kdy se ustálila na nastavené hodnotě 4 mm/h, což se projevilo postupným růstem úhlu β až do hodnoty 50°. Po dosažení konečné hodnoty průměru D 36 mm byl tažen monokrystal válcového tvaru o délce 120 mm a jeho růst řízen podle vztahu (1). V dolní části se monokrystal mírně zplošťoval vlivem růstové anizotrople, ale plocha jeho průřezu zůstávala konstantní. Tvar fázového rozhraní zůstal vlivem nízkých otáček zachován po celou dobu pěstování. .

Získaný monokrystal měl opticky čistou jak rozšřiřující se, tak i válcovou část a nevyskytly se v něm ani pro tento druh materiálu typické časté defekty dvojčatění. Pouze v ose monokrystalu byla patrná zóna 3x6 mm, sledující středové fasety. Ostatní části monokrystalu byly využity pro zhotovení laserových výbrusů.

Claims (3)

1. PŘEDMĚT VYNALEZU

   Způsob pěstování monokrystalů oxidových materiálů se sníženým obsahem strukturních a optických defektů, taženým z taveniny, vyznačující se tím,' že objemové přírůstky monokrystalu dV^ za čas během rozšiřování monokrystalu od zárodku do 70 až 100 X největšího průměru se udržují podle vztahu
2. 2? . v ³ . t ² A ¹ 9 2 £ sin ·=— (1) a po dosažení konečného průměru D jsou udržovány podle lineárního vztahu:

   ^dV2 ₌ ť, D² . v
3. 4 sin (2) kde dVj a dV₂ jsou objemové přírůstky: je čas v intervalu od počátku tažení po dosažení konečného průměru krystalu D; úhel Λ je vrcholový úhel kužele fázového rozhraní krystal/tavenlna, v rozmezí 50° až 100°