RU168533U1

RU168533U1 - INSTALLATION FOR GROWING SINGLE CRYSTALS

Info

Publication number: RU168533U1
Application number: RU2016101786U
Authority: RU
Inventors: Виктор Евгеньевич Гинсар; Константин Сергеевич Титов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ЛАБОРАТОРИЯ ОПТИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛОВ"
Priority date: 2016-01-20
Filing date: 2016-01-20
Publication date: 2017-02-07

Abstract

Заявляемая полезная модель относится к установкам для выращивания монокристаллов из расплава, а более конкретно к установкам, функционирующим по методу Бриджмена. Установка может применяться для выращивания крупноразмерных монокристаллов бромида.The inventive utility model relates to plants for growing single crystals from a melt, and more particularly to plants operating according to the Bridgman method. The installation can be used for growing large-sized single crystals of bromide.

Задачей настоящей полезной модели является создание установки с управляемым по радиусу тепловым потоком. Контроль и управление радиальными тепловыми потоками позволяют сформировать выгнутую в сторону расплава изотерму кристаллизации, при которой разрастание происходит из центра к периферии и можно производить селекцию зародышей в варианте спонтанного зародышеобразования или разращивать затравочный кристалл, установленный на оси рабочего объема. Варьируя осевой (ориентированный в вертикальном направлении) и радиальный (от оси к периферии) градиенты температуры можно определить область оптимальных режимов работы нагревателей, при которых кристалл растет без дефектов и с постоянной линейной скоростью.The objective of this utility model is to create a plant with a radially controlled heat flux. Monitoring and control of radial heat fluxes allows the formation of a crystallization isotherm curved towards the melt, in which proliferation occurs from the center to the periphery and nuclei can be selected in the variant of spontaneous nucleation or to grow a seed crystal mounted on the axis of the working volume. By varying the axial (oriented in the vertical direction) and radial (from the axis to the periphery) temperature gradients, it is possible to determine the region of the optimal operating modes of the heaters, in which the crystal grows without defects and with a constant linear speed.

Решение поставленной задачи и необходимый технический результат достигаются тем, что в установке для выращивания крупноразмерных монокристаллов из расплава используется специализированное термическое оборудование, в составе которого используются термические блоки, изготовленные с конфигурацией и размерами согласно предварительно выполненным расчетам по трехмерной математической задаче теплопроводности, а также система терморегулирования высокой точности, включающая прецизионные аналого-цифровые преобразователи сигналов термопар, блок компьютерной обработки цифровой информации и блок программного обеспечения, формирующего пакет команд управления многоканальным электроприводом термических блоков. Указанные технические и программные нововведения позволяют обеспечить стабильность динамики фронта кристаллизации и его формы в течение всего процесса кристаллизации материала. Кроме стабилизации нормальной скорости роста кристалла для повышения его однородности, термическое оборудование обладает дополнительной возможностью контролируемого конвективного перемешивания расплава. В данной термической установке есть возможность управления объемным распределением температуры и, следовательно, возможность формирования необходимого пространственного распределения теплового потока.The solution of the problem and the necessary technical result are achieved by the fact that the installation for growing large-sized single crystals from the melt uses specialized thermal equipment, which uses thermal blocks made with the configuration and dimensions according to previously performed calculations for the three-dimensional mathematical problem of thermal conductivity, as well as a thermal control system high accuracy, including precision analog-to-digital signal converters therm steam unit of computer processing of digital information and software blocks, forming a package management commands multichannel electric thermal units. These technical and software innovations make it possible to ensure the stability of the dynamics of the crystallization front and its shape throughout the entire process of crystallization of the material. In addition to stabilizing the normal crystal growth rate to increase its uniformity, thermal equipment has the additional ability of controlled convective mixing of the melt. In this thermal installation, it is possible to control the volumetric distribution of temperature and, therefore, the possibility of forming the necessary spatial distribution of the heat flux.

Установка состоит из вертикального цилиндрического многозонного печного устройства, тигельного устройства и подставки, на которую устанавливается тигельное устройство. Кроме того, в установке печное устройство разделено на три автономные части и состоит из сводового нагревателя, выполненного в виде цилиндрического высокотеплопроводящего блока с равномерным по объему выделением тепловой энергии, бокового нагревателя как элемента многозонного печного устройства, подового нагревателя, выполненного в виде нескольких (минимально трех) вертикальных трубчатых теплопроводов, разделенных по горизонтали теплоизоляторами, при этом в верхней части каждого теплопровода находится нагреватель, а нижняя часть каждого теплопровода снабжена медным рассеивателем тепловой энергии, съем которой осуществляется с помощью воздушного вентилятора. В ходе выращивания монокристалла тигельное устройство устанавливается на торец блока подового нагревателя, кроме того, отношение диаметра тигельного устройства к его высоте равно 2,5-5.

The installation consists of a vertical cylindrical multi-zone furnace device, a crucible device and a stand on which the crucible device is installed. In addition, in the installation, the furnace device is divided into three autonomous parts and consists of a vault heater made in the form of a cylindrical highly heat-conducting block with a uniform release of thermal energy, a side heater as an element of a multi-zone furnace device, a hearth heater made in the form of several (at least three ) vertical tubular heat pipes, horizontally separated by heat insulators, while in the upper part of each heat pipe there is a heater, and the lower part to zhdogo copper heat conductor is provided with a lens the thermal energy removal is carried out by an air fan. During the growth of a single crystal, the crucible device is installed on the end face of the hearth heater block, in addition, the ratio of the diameter of the crucible device to its height is 2.5-5.

Description

В настоящее время кристаллы этого материала, обладающие полупроводниковыми свойствами, начинают широко использоваться в оптических и электронных технологиях. В частности, монокристаллические соединения бромида, применяемого для производства оборудования для линейной оптики, не требующие особых условий эксплуатации (соединения бромида при контакте с влажным воздухом не теряют свои оптические свойства, а также механическую прочность). Таким образом, потенциальная потребность промышленности в высококачественных крупноразмерных монокристаллах бромида весьма высока.Currently, crystals of this material with semiconductor properties are beginning to be widely used in optical and electronic technologies. In particular, single-crystal bromide compounds used for the production of equipment for linear optics that do not require special operating conditions (bromide compounds in contact with moist air do not lose their optical properties, as well as mechanical strength). Thus, the potential industry demand for high-quality large-sized single crystals of bromide is very high.

Широкая применимость метода Бриджмена связана с технической простотой его реализации. Тигель (в вертикальном варианте) или лодочка (в горизонтальном), заполненные рабочим веществом, помещаются в термическую установку и нагреваются до температуры, превышающей точку плавления рабочего вещества. Затем тигель (лодочку) охлаждают так, чтобы изотермическая поверхность, близкая к точке плавления рабочего вещества (фронт кристаллизации), перемещалась от одного конца тигля (лодочки) до другого через весь расплав. При охлаждении рабочее вещество из расплавленного состояния превращается в твердое, и, по окончании процесса, получают слиток. Если выбранные условия подходят для данного рабочего вещества и геометрических размеров тигля (лодочки), то слиток можно получить в монокристаллическом виде. С целью повышения воспроизводимости монокристаллического роста при использовании метода часто применяются затравочные кристаллы с нужной ориентацией. В этом случае исходное положение тигля в печи должно быть таким, чтобы часть монокристаллической затравки находилась ниже температуры плавления.The wide applicability of the Bridgman method is associated with the technical simplicity of its implementation. A crucible (in the vertical version) or a boat (in horizontal) filled with a working substance are placed in a thermal installation and heated to a temperature exceeding the melting point of the working substance. Then the crucible (boat) is cooled so that an isothermal surface close to the melting point of the working substance (crystallization front) moves from one end of the crucible (boat) to the other through the entire melt. Upon cooling, the working substance from the molten state turns into solid, and, upon completion of the process, an ingot is obtained. If the selected conditions are suitable for a given working substance and the geometric dimensions of the crucible (boat), then the ingot can be obtained in a single-crystal form. In order to increase the reproducibility of single-crystal growth using the method, seed crystals with the desired orientation are often used. In this case, the initial position of the crucible in the furnace should be such that part of the single-crystal seed is below the melting temperature.

К числу недостатков метода можно отнести его невысокую производительность. Также к недостаткам данного метода можно отнести тот факт, что возможна разгерметизация ампулы с выращиваемым веществом, которая может привести к взрывному процессу. Несмотря на недостатки, этот метод направленной кристаллизации часто используется для научно-исследовательских работ с малоизученными материалами, в лабораторной практике, и практически незаменим для выращивания монокристаллов разлагающихся многокомпонентных соединений в промышленном производстве.The disadvantages of the method include its low productivity. The disadvantages of this method include the fact that it is possible to depressurise an ampoule with a grown substance, which can lead to an explosive process. Despite the shortcomings, this method of directional crystallization is often used for research work with poorly studied materials, in laboratory practice, and is practically indispensable for growing single crystals of decomposable multicomponent compounds in industrial production.

Один из вариантов метода Бриджмена реализован с использованием многозонных модульных термических установок. Трубчатая печь (Патент СССР №1830132, дата приоритета 22.01.1991). Трубчатая печь с рабочей камерой, образованной последовательным рядом соосных нагревательных модулей, каждый из которых содержит концентрически расположенные кольцевой нагреватель и внешнее теплоизолирующее кольцо, и по крайней мере один промежуточный модуль, включающий теплопроводящую шайбу, концевые теплоизоляторы ряда модулей, термодатчики с изолированными электровыводами и блок управления нагревателями, печь содержит теплопроводы рабочей камеры и термодатчиков, расположенные в области нагревателей. В настоящее время на установках такого типа выполняются работы по получению монокристаллов ZnGeP₂ высокого оптического качества и повышенной однородности.One of the variants of the Bridgman method is implemented using multi-zone modular thermal installations. Tube furnace (USSR Patent No. 1830132, priority date 01/22/1991). A tube furnace with a working chamber formed by a series of coaxial heating modules, each of which contains a concentrically arranged ring heater and an external heat-insulating ring, and at least one intermediate module, including a heat-conducting washer, end heat-insulators of a number of modules, temperature sensors with insulated electrical leads and a control unit heaters, the furnace contains heat conductors of the working chamber and temperature sensors located in the area of the heaters. Currently, installations of this type are carrying out work on the production of ZnGeP ₂ single crystals _of high optical quality and increased uniformity.

Еще одним вариантом реализации метода Бриджмена является способ направленной кристаллизации Method for directional solidification of single crystals (Патент US 5047113, дата приоритета 23.08.1989).Another embodiment of the Bridgman method is a method for directional crystallization of Method for directional solidification of single crystals (Patent US 5047113, priority date 08/23/1989).

Недостатками известных установок, выбранных в качестве аналогов настоящей полезной модели, является то, что они работают в рамках идеологии теплопроводящей «физической струны», математически описываемой одномерной моделью. Но для случаев с невысокими значениями отношения длины кристалла к его диаметру, одномерная модель теплопереноса в системе «расплав - кристалл» перестает быть адекватной реальным процессам. Для управления распределениями температуры, что эквивалентно формированию формы границы раздела фаз, следует использовать трехмерную. Указанный недостаток усиливается тем больше, чем ниже теплопроводность кристаллизуемого материала. Таким образом, получение монокристаллов материала с низкой теплопроводностью и с большим диаметром, в частности монокристаллы бромида рубидия-свинца, представляет серьезную техническую задачу.The disadvantages of the known installations, selected as analogues of this utility model, is that they work within the framework of the ideology of the heat-conducting “physical string” mathematically described by a one-dimensional model. But for cases with low values of the ratio of the length of the crystal to its diameter, the one-dimensional model of heat transfer in the "melt-crystal" system ceases to be adequate to real processes. To control the temperature distribution, which is equivalent to the formation of the shape of the phase boundary, you should use three-dimensional. The specified disadvantage is enhanced the more, the lower the thermal conductivity of the crystallized material. Thus, obtaining single crystals of a material with low thermal conductivity and with a large diameter, in particular single crystals of rubidium-lead bromide, is a serious technical problem.

Задачей настоящей полезной модели является преодоление указанных недостатков, в частности создание установки с управляемым по радиусу тепловым потоком. Контроль и управление радиальными тепловыми потоками позволяют сформировать выгнутую в сторону расплава изотерму кристаллизации, при которой разрастание происходит из центра к периферии и можно производить селекцию зародышей в варианте спонтанного зародышеобразования или разращивать затравочный кристалл, установленный на оси рабочего объема. Варьируя осевой (транслируемый от периферии в центральную область расплава) и радиальный градиенты температуры можно определить область оптимальных режимов работы нагревателей, при которых кристалл растет без дефектов и с постоянной линейной скоростью.The objective of this utility model is to overcome these drawbacks, in particular, to create a plant with a radially controlled heat flux. Monitoring and control of radial heat fluxes allows the formation of a crystallization isotherm curved towards the melt, in which proliferation occurs from the center to the periphery and nuclei can be selected in the variant of spontaneous nucleation or to grow a seed crystal mounted on the axis of the working volume. By varying the axial (translating from the periphery to the central region of the melt) and radial temperature gradients, it is possible to determine the region of optimal operating modes of the heaters, in which the crystal grows without defects and with a constant linear velocity.

Решение поставленной задачи и необходимый технический результат достигаются тем, что кроме стандартных блоков узлов и элементов (конструкционных, корпусных, механических, электропривода) в установке для выращивания крупноразмерных монокристаллов из расплава используются нестандартные, а именно: специализированные термические блоки, изготовленные с конфигурацией и размерами согласно предварительно выполненным расчетам по трехмерной математической задаче теплопроводности; система терморегулирования высокой точности, включающая прецизионные аналого-цифровые преобразователи сигналов термопар, блок компьютерной обработки цифровой информации и блок программного обеспечения, формирующего пакет команд управления многоканальным электроприводом термических блоков, а также уникальные по своей форме ампулы для выращивания монокристаллов, в которых высота тигельного устройства относится к ее диаметру как 2,5 к 5.The solution of the problem and the necessary technical result are achieved by the fact that in addition to the standard blocks of nodes and elements (structural, housing, mechanical, electric drive) in the installation for growing large-sized single crystals from the melt, non-standard ones are used, namely: specialized thermal blocks made with the configuration and dimensions according to pre-performed calculations for the three-dimensional mathematical problem of thermal conductivity; a high-precision thermal control system, including precision analog-to-digital converters of thermocouple signals, a computer block for digital information processing and a software block that generates a package of control commands for multi-channel electric drive of thermal blocks, as well as unique ampoules for growing single crystals in which the height of the crucible device is to its diameter as 2.5 to 5.

Нестандартные элементы установки позволяют контролировать стабильность и форму фронта кристаллизации, а также управлять его динамикой в течение всего процесса кристаллизации материала. Кроме стабилизации скорости роста кристалла нормальной к поверхности фронта кристаллизации, для повышения однородности выращиваемых кристаллов термическая установка обладает дополнительно возможностью контролируемого конвективного перемешивания расплава. В данной термической установке есть возможность управления объемным распределением температуры и, следовательно, возможность формирования необходимого пространственного распределения теплового потока.Non-standard elements of the installation allow you to control the stability and shape of the crystallization front, as well as control its dynamics during the entire process of crystallization of the material. In addition to stabilizing the crystal growth rate normal to the surface of the crystallization front, in order to increase the uniformity of the grown crystals, the thermal installation also has the possibility of controlled convective mixing of the melt. In this thermal installation, it is possible to control the volumetric distribution of temperature and, therefore, the possibility of forming the necessary spatial distribution of the heat flux.

На фиг. 1 представлена схема установки для выращивания монокристаллов.In FIG. 1 shows a diagram of a plant for growing single crystals.

Из фиг. 1 видно, что в установке вертикальное цилиндрическое многозонное печное устройство разделено на три автономные части и состоит из сводового нагревателя, выполненного в виде цилиндрического высокотеплопроводящего блока с равномерным по объему выделением тепловой энергии, бокового нагревателя как элемента многозонного печного устройства, подового нагревателя, выполненного в виде, по меньшей мере, трех вертикальных трубчатых теплопроводов, разделенных по горизонтали теплоизоляторами, при этом в верхней части каждого теплопровода находится нагреватель, а нижняя часть каждого теплопровода снабжена медным рассеивателем тепловой энергии, съем которой осуществляется с помощью воздушного вентилятора. Вкупе блок подового нагревателя (включая теплопроводы, теплоизоляторы и нагреватели) используется в качестве подставки, на которую устанавливается кварцевая ампула.From FIG. 1 it can be seen that in the installation the vertical cylindrical multi-zone furnace device is divided into three autonomous parts and consists of a vault heater made in the form of a cylindrical highly heat-conducting block with a uniform release of thermal energy in volume, a side heater as an element of a multi-zone furnace device, a hearth heater, made in the form at least three vertical tubular heat pipes separated horizontally by heat insulators, while in the upper part of each heat pipe there is GSI heater, and the lower portion of each copper heat conductor is provided with the scatterer heat removal which is performed by an air blower. Together, a hearth heater block (including heat pipes, heat insulators and heaters) is used as a stand on which a quartz ampoule is mounted.

Выращиваемый материал RbPb₂Br₅ загружается в кварцевый тигель (9), откачивается воздух до 10^-4 мм рт.ст., отпаивается. Отпаянный тигель (9) с загрузкой устанавливается в установку, согласно фиг. 1. С помощью сводового нагревателя 1, бокового нагревателя 2 и подовых нагревателей 3-5 установка изотермически разогревается до температуры T_max, при которой загрузка плавится. После выхода установки в стационарный режим, в течение нескольких часов проводится выдержка, при которой осуществляется гомогенизация расплава. Далее температура нагревателей 1-5 понижается до тех пор, пока температура подовых нагревателей 3-5 не опустится до значений на 2-3°С выше температуры начала кристаллизации расплава. На этой стадии снижения температуры в рабочем пространстве установки температура сводового нагревателя 1 и бокового нагревателя 2 фиксируется при достижении значений на 80-100°С выше точки плавления загрузки.The grown material RbPb ₂ Br _{5 is} loaded into a quartz crucible (9), air is pumped out up to 10 ^-4 mm Hg, soldered. The sealed crucible (9) with loading is installed in the installation, according to FIG. 1. Using the vault heater 1, side heater 2 and hearth heaters 3-5, the installation is isothermally heated to a temperature T _max at which the load melts. After the unit enters stationary mode, an exposure is carried out for several hours, during which the melt is homogenized. Further, the temperature of heaters 1-5 decreases until the temperature of the bottom heaters 3-5 drops to values 2-3 ° C higher than the temperature of the onset of crystallization of the melt. At this stage of reducing the temperature in the working space of the installation, the temperature of the vault heater 1 and the side heater 2 is fixed when the values reach 80-100 ° C above the melting point of the load.

Следующая стадия процесса - формирование поверхности раздела «кристалл - расплав» осуществляется путем охлаждения подового нагревателя 3 до температуры ниже точки кристаллизации. Для последующего разращивания кристалла снижение температуры подового нагревателя 3 сопровождается понижением температуры подового нагревателя 4, которое включается, когда разница температур ΔТ₃₄ между подовыми нагревателями 3 и 4 достигает заранее заданного значения (≈10°С). Начало охлаждения подового нагревателя 5 определяется по аналогии с подовым нагревателем 4.The next stage of the process — the formation of the “crystal - melt” interface, is carried out by cooling the hearth heater 3 to a temperature below the crystallization point. For subsequent crystal growth, a decrease in the temperature of the hearth heater 3 is accompanied by a decrease in the temperature of the hearth heater 4, which turns on when the temperature difference ΔT ₃₄ between the hearth heaters 3 and 4 reaches a predetermined value (≈10 ° C). The start of cooling the bottom heater 5 is determined by analogy with the bottom heater 4.

Аналогичное действие осуществляется относительно подового нагревателя 5. Охлаждение бокового нагревателя 2 и одновременно сводового нагревателя 1 начинают проводить при достижении подовым нагревателем 3 температуры на 23-25°С ниже точки кристаллизации. Охлаждение нагревателей 1-5 установки осуществляется пока температура сводового нагревателя 1 не достигнет значений ниже точки кристаллизации. При этом режиме весь расплав закристаллизован и установка выключается.A similar action is carried out with respect to the hearth heater 5. Cooling of the side heater 2 and simultaneously of the arch heater 1 is started when the hearth heater 3 reaches a temperature 23-25 ° C below the crystallization point. The heaters 1-5 of the installation are cooled until the temperature of the master heater 1 reaches values below the crystallization point. In this mode, the entire melt is crystallized and the unit turns off.

Следует отметить, что эффективное понижение температуры на нагревателях печной установки, практически на всех этапах технологического процесса, происходит благодаря принудительному воздушному охлаждению теплопроводов 7-9.It should be noted that an effective temperature decrease on the heaters of the furnace installation, practically at all stages of the technological process, occurs due to forced air cooling of the heat pipes 7-9.

Для сконструированной и изготовленной термической установки проведено компьютерное моделирование стационарных распределений температуры, из которых определены положение и форма изотерм кристаллизации соединения RbPb₂Br₅.For the designed and manufactured thermal installation, computer simulation of stationary temperature distributions was carried out, from which the position and shape of the crystallization isotherms of the RbPb ₂ Br ₅ compound were determined.

Расчетные данные по изотермам кристаллизации показывают, что в полезной модели возможна реализация ростового процесса в условиях выгнутого в сторону расплава фронта кристаллизации, что является необходимым для получения бездефектных кристаллов.The calculated data on crystallization isotherms show that in a utility model it is possible to realize a growth process under conditions of a crystallization front curved towards the melt, which is necessary to obtain defect-free crystals.

В настоящее время на установке проводятся работы, связанные с экспериментальным определением оптимальных режимов кристаллизации соединения RbPb₂Br₅ - важного для прикладной оптики материала.Currently, work is underway at the facility to experimentally determine the optimal crystallization conditions for the RbPb ₂ Br ₅ compound, an important material for applied optics.

Claims

Installation for growing single crystals of bromides, consisting of a vertical cylindrical multi-zone furnace device, a crucible device and a stand on which a crucible device is installed, characterized in that the furnace device is divided into three autonomous parts and consists of a vault heater made in the form of a cylindrical highly heat-conducting block with a uniform release of thermal energy in volume, a side heater as an element of a multi-zone furnace device, hearth heating a heater made in the form of at least three vertical tubular heat pipes, horizontally separated by heat insulators, with a heater at the top of each heat pipe, and the lower part of each heat pipe equipped with a copper thermal energy diffuser, which is removed using an air fan, during the growing of the single crystal, the crucible device is mounted on the end face of the hearth heater block, which is used as a stand, in addition, the ratio of the height gel device to its diameter is 2.5-5.