RU1228526C - Способ выращивани монокристаллов сложных оксидов из расплава и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

1. Способ выращивани  монокрис- таллой сложных оксидов из расплава, включающий затравливание монокристалла на ориентированную затравку, ее разрапщвание до заданного диаметра при регулировании мощности нагревател , выт гивание монокристалла с последуюпрш перемещением его в камеру охлаждени  в услови х посто нного осевого градиента температуры , равного 15-50 град/см и охлаждение до комнатной температуры , отличающийс  тем, что, с целью улучшени  качества монокристаллов лантангаллиевого силиката различной ориентации, на границе раздела кристалл-расплав обеспечивают осевой градиент температуры , равный 75-120 град/см, перемещение монокристалла в камеру охлаждени  осуществл ют со скоростью 8-14 мм/ч, выдерживают в ней 2-3 ч и охлаждение в интервале температур 700-850 К ведут со скоростью 25-30 град/ч, а в остальном интервале температур - со скоростью 50- 60 град/ч. 2. Устройство дл  вьфащивани  монокристаллов сложных оксидов из расплава, включающее камеру роста с тиглем дл  расплава, снабженную индукционным нагревателем, камеру охлаждени , размещенную над ней, внутри которой установлены керамический и платиновый зкраны, а снаружи - один из витков индукционного нагревател , отличающеес  тем, что, с целью улучшени  качества монокристаллов лантангаллиевого силиката различной ориентации, между камерами установлены два коаксиальных кольца, в верхней части которых выполнено не менее чеч-ьфех симметричньгх прорезей шириной основани  0,72-0,75 и высотой 0,4- 0,5 высоты колец, внешнее кольцо выполнено с возможностью вращени  и имеет высоту 0,15-0,35 диаметра тигл , а внутреннее кольцо имеет высоту 0,2 - 0,4 диаметра тигл , на нем установлен керамический разрезной диск толщиной 0,1-0,-2 диаметра тигл  с центральным отверстием диаметром 0,4-0,7 диаметра тигл , в камере охлаждени  установлен дополнительно керамический экран .с внутренним диаметром, равным диаметру центрального отверсти  диска, и высотой, равной высоте платинового зкрана, высота и диаметр которого соответственно равны 2,0-2,5 и 0,75-1,0 диаметра тигл , в наружю ю о© О1 ю О)

Description

ном керамическом экране выполнено не менее четырех симметричньгх про- рс ей, ширина которых рапна 0,2-0,3, а высота - 0,25-0,35 высоты плати1

Изобретение относитс  к области выращивани  монокристаллов сложных оксидов из расплава, в частности лантангаллиевого силиката методом Чохральского, и может быть использовано в химической и электронной промыпшенност х.

Целью изобретени   вл етс  улучшение качества монокристаллов лантангаллиевого силиката различной ориентации.

На чертеже представлено предложенное устройство,

В таблице приведены показатели оптического качества и структ фного совершенства монокристаллов лантангаллиевого силиката, вьграеценньгх по способу-аналогу, способу-прототипу и по предлагаемому способу при различных режимах вдоль направлений, перпендикул рных оптической оси Z

Предлагав способ включает следующую последовательность операций

расплавл ют сырье в тигле ,

обеспечивают осевой градиент температуры на границе раздела твердой ;И жидкой фаз равным 75-120 град/см с помощью коаксиальных колец;

осуществл ют затравливание крис- твлла на ориентированную затравку;

разращивают затравку до заданного диаметра при регулировании мощности нагревател  и выт гивают кристалл;

перемещают выращенный монокристалл в камеру охлаждени  со скоростью 8-1А мм/ч, выдерживают в ней 2-3 ч;

после чего кристалл охлаждают до комнатной темйературы со скорост JO -eO град/ч, а в области температур 700-850 К - со скоростью 25- 30 град/ч.

Устройство дл  реализации предлагаемого способа включает камеру I роста с тиглем 2 внутри, снабженную и дуки ионным нагревателем 3, верхни

нового экрана, а виток индукционного н гревател  камеры охлаждени  расположен на рассто нии 0,6-1,0 jOHaMBT- pa тигл ,

виток которого удалрн от соседнего витка на рассто ние 0,6-1,0 диаметра тигл  2. Тигель 2 установлен в теппоизолирукщую систему, состо щую из керамических экранов А и 5. Между тиглем 2 и экраном 4 находитс  мелкозерниста  засыпка 6. Камера 7 охлаждени  размещена над камерой роста 1, снаружи охвачена витком, индукционного нагревател  3, содержит систему теплоизолирующих керамических экранов 8 и 9 и платиновый экран 10, высота и диаметр которого соответственно равны 2,0-2,5 и 0,75-1,0

диаметра тигл  2. В наружном по отношению к платиновому керамическом экране 8 выполнены симметрично не менее четырех прорезей 11, ширина которых равны 0,2-0,3, а высота

0,25-0,35 Е1ысота платинового экрана 10, Между камерой 1 роста и камерой 7 охлаждени  установлены два коаксиальные кольца: внутреннее кольцо 12 высотой 0,2-0,4 диаметра тигл  и

внешнее кольцо 13 высотой 0,15-0,35 диаметра тигл , выполненное с возможностью врацени , Б верхней части указанных колец выполнены не менее четьфех симметричных прорезей 14 щириной основани  0,72-0,75 и высотой 0,4-0,5 высоты колец. На внутреннее кольцо 12 установлен керамический разрезной диск 15 толщиной 0,1-0,2 диаметра тигл  с центральным отверстием 16, диаметр которого составл ет 0,4-0,7 диаметра тигл . Внутрен- ний диаметр керамического экрана 9 равен диаметру отверсти  керамического разрезного диска 15, а высота

равна высоте платинового экрана 10. Система теплоизолирующих экранов камеры 7 охлаждени  закрыта сверху ке- рамической разрезной крьплкой 17 с отверстием по центру дл  перемещени 

штока 18, на котором кретгитс  затра- : вочный кристалл 19, На чсртежр. приведен также выращенный монсжрнсталп

выт гивани  2 мм/ч и скорости вращени  20 сб/мин, поддержийа  диаметр посто нным.

При длине монокристалла 65 мм рост его цилиндрической части прекращают , так как оголенные стенки тигл  2 начинают оказывать существенное вли ние на тепловой баланс, на фронт кристаллизации. Незначителным повьшением температуры расплава (на 5 к) начинают рост нижнего конуса монокрийталла до последующего его отрьгоа от расплава. После завершени  роста отключают привод вращени  штока 18 (на чертеже не показан ) и увеличивают скорость выт гивани  монокристалла 20 до 12 мм/ч поддержива  ее посто нной до полного перемещени  выращенного монокристалла 20 в камеру 7 охлаждени  через отверстие 16 в керамическом диске 15, после чего привод выт ги- вакадего механизма отключают. В ка мере 7 охлаждени  монокристалл 20 выдерживают 2 ч, затем охлаждают до комнатной температуры со скоростью 50 К/ч, а в области температур , в которой существует аномали  термического расширеии  кристаллов лантангаллирвого силиката (850-700 K)j со скоростью 30 К/ч,

При этом платиновый экран 10, крышка 17 и керамические экраны 8, 9., прорези 11 , выполненные в экране 8, а также удаленный верхний виток, на указанное рассто ние обеспечивают выравнивание теплового пол  в камере 7 охлаждени , по- вьппают ее инерционность при дении и обеспечивают линейный температурный градиент по длине кристалла в области аномалии термического расширени  3 град/см.

Дл  сравнительной оценки качества монокристаллов лантангаллие- вого силиката, вьфащенных по способам-аналогам и предложенному (см. таблицу), измер ли диаметр и длину кристаллов: блочность и разориента- цию блоков (методом рентгено-струк- турного анализа); угол аномальной двуосности 2, характеризующий изменение обыкновенного и необыкновенного показателей преломлени  кристалла прежде всего из-за остаточных термических напр жений в периферийных и центральных участках кристалла (оптическим методом с помощью- пол5 ризационного микроскопа: sin 2V SAn /An , т-де -0,01 2 ( / 0,63 мкм) - естественное двулучепреломление: S Дп - изменение двулучепреломлени ; определ ли визуально наличие трещин. Первоначально растили монокристаллы лантангаллневого силиката по режимам и в устройстве, приведенным iB.tn. Вьфастить монокристаллы наиболее трудных ориентации LnJo и lOTo диаметром более 4 мм, длиной

более 15 мм и свободные от трещин и блочности не удалось. Из них невозможно было изготовить образцы удовлетворительного качества.

Использовав приемы аналога 21

удалось увеличить размеры выращиваемых кристаллов таких же ориентации , однако из-за трещин и блочности изготовить образцы удовлетрори- тельного оптического качества и иэмерить их параметры было невозможно .

Техническое решение СЗ выбрано в качестве прототипа по максимальному количеству обецих признаков. Выращивать же монокристаллы лантангал- лиевого силиката п соответствии с этим техническим решением из-за асимметрии теплового пол  не представл етс  возможным. Поэтому в

таблице приведено сравнение предлагаемого способа со способами-аналогами 1 и 2.

В таблице приведен только один из основных параметров - градиент температуры на границе раздела твердой .и жидкой фаз.

5

0

Вьфащивание монокристаллов лантан- i галлиевого силиката предложенным способом при градиентах температур на границе раздела фаз расплав - крис- .талл ниже 70 град/см и вьтпе 120 град/см позволчет увеличить размеры монокристапльв, но блоки и тре- щи1Ш в них имеютс  го всей /цтине. При градиентах 75 град/см и 120 град./см наблюдаетс  уко51ьшение блочности, а единичные тренинь имеютс  только в нижней частт мсшокрис- , талла (нижний конус), onTH4f: Koe качество улучшаетс .

20, перемещенньп в камеру 7 ох-пажде ни . Шток 18 соединен с механизмом выт гивани  и вращени , которые на чертеже не обозначены,

В конкретном устройстве, тигель имел высоту и диаметр, рав1гые 50 мм и толщину стенок 3 мм. Тигель 2 помещенный в керамические экраны 4 5 из окиси алюмини , устан вливали в индуктор 3 так, чтобы его верхн   кромка находилась на уровне последнего из витков 3.

Индукционный нагреватель 3 с внешним диаметром 120 мм выполнен из медной трубки диаметром 15 мм и состо л из шести витков, верхний из которых бьш удален от соседнего из витков на рассто ние 50 мм (1,0 диаметра тигл  2). Высота экрана 5 равна 80 ьш, внешний диаметр 90 мм. Керамическое кольцо 12 из окиси алюмини  имело высоту и диаметр соответственно 15 и 75 мм (0,3 и ,5 диаметра тигл ), а кольцо 13 также из окиси алюмини  I4 и 85 мм соответственно 0,28 и 1 ,7 диаметра тигл  2. В обоих кольцах выполнено симметрично по четьфе треугольные прорези высотой и шириной основани  соответственно 7,5 и П мм (0,5 и 0,73 высоты кольца 12)

Диаметр разрезного керамического диска 15 из окиси алюмини  равен 00 мм, а толщина - 8 мм (2 и 0,16 диаметра тигл ), диаметр внутреннего отверсти  в нем 34 мм (0.68 диаметра тигл ).

Платиновьй экран 10 имеет высоту 110 мм (2,2 диаметра тигл  2) и диаметр 50 мм (1 диаметр тигл ). Внутренний диаметр керамического экрана 9 из окиси алюмини  равен 34 мм, толщина стенки 4 мм.

Внутренние диаметры камеры 7 охлаждени  и керамического экрйна 8, выполненные из окиси алюмини , равны соответственно 75 и 60 мм при толщине стенок 4 мм.

Керамическа  крышка 17, вьтол- ненна  также из окиси алюмини , имеет толщину 8 мм, диаметр 00 мм, диаметр отверсти  в ней равен 10 мм. На платиновый шток 18 укрепл ют затравочный кристалл 19, ориентированный рдоль оптической оси С0001, или перпендикул рно ей вдоль осей С112 0 и tlOVoJ.

285264

По предлагаемому способу и на предлагаемом устройстве бьшн проне- дены г ыращивлни  монокристаллов лантангагшиевого ct-шиката триго- J нальной сингонии (пространственна  группа симметрии Р32 ), обладаю ццх низкой теплопроводностью. Расплавы этих монокристаллов, как показали наши эксперименты, переохлаждаютс  JO на несколько дес тков градусов.

Дл  вьфапщвани  монокристаллов использовалась шихта, синтезированна  твердофазным методом из окислов - лантана, галли  и кремни , вз тых в 15 стехиометрическом соотношении. Шихту наплавл ли в платиновый тигель 2, установленный в системе теплоизолирующих экранов 4,5с мелкозернистой засьткой 6, расположенных в камере 20 I роста, до уровн  на 2-3 мм ниже его верхней кромки. Направление ших- 1гы и процесс роста вели в воздушной атмосфере на установке с индукционным нагревом Донец-1. 25 После направлени  шихты, которое осуществл ют увеличением по заданной программе, подаваемой на индукционный нагреватель 3 электрической мощности (температура плаплени  лантак- JQ галлиевого силиката равна 1743110 К), расплав выдерживают ч при незначительном перегреве (на 20 градусов) дп  гомогенизации.

Враща  кольцо 13 относительно кольца 12, добиваютс  такого взаимного расположени  отверстий 14, выйолнен ных в этих кольцах, которое обеспечивает осевой градиент температуры на границе раздела твердой и жидкой фа- вы (граница расплав - кристалл) равным 80 град./см. В камере 7 охлаждени  при этих услови х обеспечиваетс  т€ мпературный градиент вдоль ее оси, равный 30 град./см.

Величины температурного градиента контролируют с помощью платипо-родие- вой термопары (на чертеже не показана ) .

Затем к поверхности расплгюл мед-35

50

ленно подвод т затравочный кр1;сталл

19, осуществл ют его контакт с расплавом и разращивают .до задаино,--о диаметра (25 мм) при регулиронпи и мощности индукционного нагрево гел  3. 55 Выт гивание монокристалла 20 вы- ра1ЦИ-ван1ш осуществл ют со (н:тью 2 мм/ч.,Последующий рост монокристалла 20 ведут при посто нно

При градиенте температуры вьше 75 град/см и ниже 120 град/см единичные трепшны, как правило, отсут77

А

у//т

ствуют,а разориентаци  отдельных микроблоков не превытает25-40угл.с,оптическое качество кристаллов улучшаетс  ,

-/8

VyW/zm

Vx

20 7

m

-

Составитель w. Шабалин Техред И.Попович Корректор м. Самборска 

Заказ 1096Тираж ; Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий И 3035, Москва, Ж-35, Раушска  наб,, д. 4/5

Производственно-полиграфическое предпри тие, г . Ужгород, ул. Проектна , 4