RU2006537C1

RU2006537C1 - Method and apparatus for drawing crystals

Info

Publication number: RU2006537C1
Authority: RU
Inventors: М.Д. Любалин
Original assignee: Любалин Марк Дмитриевич
Priority date: 1990-06-15
Filing date: 1990-06-15
Publication date: 1994-01-30

Abstract

FIELD: crystal growing for making parts of gas turbine engines. SUBSTANCE: crucible for working melt is being loaded by a charge with alloying additives and flux. A crucible for making up material and a hopper for powdered making up material are also being loaded by charges. Air is being exhausted chambers with the crucibles; these chambers are being filled by compressed gas with pressure more, than an elasticity of the most volatile component of the charge; then the charge is being melt in the crucibles. A level of the making up solution is being set for providing closing of a weir up opening of a connecting pipeline by a float valve. The chamber with the working melt is being vacuumized, an optical system is being aligned to the level of the working melt in the crucible; a seed is being brought to contact with the melt for drawing a crystal. Volume of the melts in the crucibles is being sustained automatically. EFFECT: uniform gas inclusion free semiconductor crystals and oxide ceramics. 3 cl, 4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области выращивания кристаллов, конкретно к способам и устройствам для вытягивания из расплава беспористых однородных кристаллов, в том числе к способам и устройствам для формирования вытягиванием из расплава деталей газотурбинных двигателей в виде тел вращения (валы, диски). The invention relates to the field of crystal growth, and in particular to methods and devices for drawing non-porous homogeneous crystals from a melt, including methods and devices for forming parts of gas turbine engines by pulling from a melt in the form of bodies of revolution (shafts, disks).

Известны способы вытягивания из расплава кристаллов, состоящие в расплавлении исходного материала, приведении в контакт с расплавом затравки, регулирования температуры расплава и формировании на затравке кристалла, вытягивании затравки с кристаллом необходимой длины и диаметра (1). Known methods for drawing crystals from a melt, consisting in melting the starting material, bringing the seed into contact with the melt, controlling the temperature of the melt and forming a crystal on the seed, drawing the seed with the crystal of the required length and diameter (1).

Устройство для осуществления этого способа включает в себя герметичную камеру, нагреватель в камере, шток затравки с держателем, введенный в камеру, тигель, установленный в полости нагревателя, систему вакуумирования и заполнения камеры газом, приспособления для вытягивания штока затравки из камеры. A device for implementing this method includes a sealed chamber, a heater in the chamber, a seed rod with a holder inserted into the chamber, a crucible installed in the heater cavity, a vacuum and gas filling system with gas, and devices for pulling the seed rod from the chamber.

Недостатком этого способа и устройства для его осуществления является неоднородность состава по длине вытягиваемых кристаллов, возникающих из-за перераспределения между формируемой твердой фазой и расплавом основных компонентов кристаллизуемого вещества, а также легирующих и фоновых примесей. The disadvantage of this method and device for its implementation is the heterogeneity of the composition along the length of the elongated crystals, arising due to the redistribution between the formed solid phase and the melt of the main components of the crystallized substance, as well as alloying and background impurities.

Для повышения степени однородности кристаллов используют программируемое изменение в процессе вытягивания скорости роста или частоты вращения кристалла (2). To increase the degree of crystal homogeneity, a programmed change is used in the process of stretching the growth rate or crystal rotation frequency (2).

Устройство для осуществления этого способа включает в себя камеру с нагревателем, тигель для расплава, затравку и приспособление для ее вытягивания и вращения, системы регулирования параметров процесса, включая программаторы для изменения в процессе кристаллизации по заданным законам скорости вытягивания и частоты вращения затравки с формируемым на ней кристаллом. A device for implementing this method includes a chamber with a heater, a crucible for melt, a seed and a device for stretching and rotating it, a system for controlling process parameters, including programmers for changing the speed of drawing and the speed of rotation of the seed with it formed on it according to the given laws a crystal.

Однако с помощью указанных выше приемов не удается усреднить по длине кристаллов концентрацию всех сегрегирующих при вытягивании компонентов расплава. Кроме того, изменение основных параметров роста может отрицательно повлиять на микроструктуру вытягиваемых кристаллов, на характер распределения точечных дефектов и их скоплений. However, using the above methods, it is not possible to average over the length of the crystals the concentration of all melt components segregating during drawing. In addition, a change in the main growth parameters can adversely affect the microstructure of elongated crystals and the distribution pattern of point defects and their clusters.

Этого недостатка лишены способы вытягивания с подпиткой, например, по пат. США N4410494. Более близким решением, принятым за прототип при разработке нового способа и устройства, является [3] . Согласно способу-прототипу выращивание кристалла на затравку из расплава в тигле осуществляют при оптическом контроле и автоматическом поддержании уровня рабочего расплава путем подачи в него подпитывающего расплава под избыточным давлением газа, который пополняют твердым подпитывающим материалом. This drawback lacks the methods of drawing with makeup, for example, according to US Pat. U.S. N4410494. A closer solution adopted as a prototype in the development of a new method and device is [3]. According to the prototype method, crystal growth from the melt in the crucible is carried out under optical control and the level of the working melt is automatically maintained by feeding a recharge melt under excessive gas pressure, which is replenished with a solid recharge material.

Устройство-прототип [3] содержит камеру роста с тиглем для рабочего расплава, сообщающуюся с ней при помощи соединительного трубопровода камеру подпитки с тиглем для подпитывающего расплава, над которым размещен бункер для твердого подпитывающего материала, систему вакуумирования и подачи газа в камеры, оптическую систему контроля и автоматического поддержания уровня рабочего расплава. The prototype device [3] contains a growth chamber with a crucible for working melt, a recharge chamber with a crucible for feeding melt communicating with it via a connecting pipe, over which a hopper for solid feed material, a vacuum and gas supply system to the chambers, an optical control system are placed and automatically maintain the level of the working melt.

Недостатком устройства и способа-прототипа является наличие газовых включений в кристалле при проведении процессов при избыточном давлении газа или нестехиометрии и неоднородности в кристаллах веществ с легколетучими компонентами в случае их вытягивания в глубоком вакууме. The disadvantage of the device and the prototype method is the presence of gas inclusions in the crystal during processes under excessive gas pressure or non-stoichiometry and inhomogeneity in the crystals of substances with volatile components in the case of their drawing in a deep vacuum.

Целью изобретения является получение однородных без газовых включений кристаллов, содержащих летучие компоненты. The aim of the invention is to obtain homogeneous without gas inclusions crystals containing volatile components.

Цель достигается тем, что пространство над рабочим расплавом вакуумируют, а над подпитывающим расплавом поддерживают избыточное давление в течение всего процесса вытягивания, превышающее равновесную в точке плавления кристалла упругость паров компонентов расплава; уровень подпитывающего расплава в процессе вытягивания поддерживают постоянным в автоматическом режиме синхронно с поддержанием уровня рабочего расплава; в качестве твердого подпитывающего материала используют порошкообразный материал. The goal is achieved in that the space above the working melt is evacuated, and over pressure during the entire drawing process is maintained above the feed melt, exceeding the vapor pressure of the components of the melt, which is equilibrium at the melting point of the crystal; the level of the feed melt during the drawing process is kept constant in automatic mode simultaneously with maintaining the level of the working melt; as a solid feed material, a powder material is used.

Устройство вытягивания для достижения поставленной цели содержит клапан с перепускным каналом на соединительном трубопроводе, а системы контроля и поддеpжания рабочего уровня расплава содержат дополнительный элемент, соединенный с бункером для твердого подпитывающего материала; клапан соединительного трубопровода выполнен в виде поплавка и размещен в тигле для подпитывающего расплава. A drawing device to achieve this goal comprises a valve with a bypass channel on the connecting pipe, and the control and maintenance systems for the working level of the melt contain an additional element connected to a hopper for solid feed material; the connecting pipe valve is made in the form of a float and placed in a crucible for feeding melt.

Вышеперечисленные новые элементы способа и устройства позволяют получать однородные без газовых включений кристаллы веществ разных классов с летучими компонентами, таких как полупроводники и оксидные керамические материалы. The above-mentioned new elements of the method and device allow to obtain crystals of substances of different classes with volatile components, such as semiconductors and oxide ceramic materials, homogeneous without gas inclusions.

Проведение процесса вытягивания в вакууме способствует устранению газовых включений в кристалле. Объем рабочего расплава, а значит и время его пребывания в вакууме сводится к минимуму, что сводит к минимуму и потери легколетучих компонентов рабочего расплава. Над материалом жидкой подпитки создается и поддерживается избыточное давление компрессионного газа, подавляющее испарение легколетучих компонентов из этого материала, если давление газа превышает равновесную при точке плавления кристалла упругость паров компонентов расплава не менее, чем на 30% . Этот предел установлен экспериментально и обусловлен тем, что жидкий материал подпитки приходится несколько перегревать относительно точки плавления. Верхний предел превышения давления почти совпадает с нижним и специально не контролируется. Сильно увеличивать этот предел нецелесообразно, так как к существенному уменьшению испарения это не приводит, а бесполезные потери тепла за счет теплопроводности и конвекции газа возрастают. The process of drawing in vacuum helps to eliminate gas inclusions in the crystal. The volume of the working melt, and hence the time it is in vacuum, is minimized, which minimizes the loss of volatile components of the working melt. An overpressure of the compression gas is created and maintained above the liquid feed material, which suppresses the evaporation of volatile components from this material, if the gas pressure exceeds the vapor pressure of the melt components equilibrium at the melting point by at least 30%. This limit is established experimentally and is due to the fact that the liquid make-up material has to be slightly overheated relative to the melting point. The upper limit of excess pressure almost coincides with the lower and is not specifically controlled. Strongly increasing this limit is impractical, since this does not lead to a significant reduction in evaporation, and useless heat losses due to heat conduction and gas convection increase.

Стабилизация объема рабочего расплава приводит к повышению однородности кристалла и уменьшению вероятности захвата кристаллом газовых включений. Кроме того, стабилизация объема позволяет произвести точный расчет исходных данных для приготовления расплавов с учетом потерь на испарение. Стабилизация объема материала жидкофазной подпитки способствует устойчивому управлению процессом получения кристалла. Stabilization of the volume of the working melt leads to an increase in the uniformity of the crystal and a decrease in the probability of capture of gas inclusions by the crystal. In addition, volume stabilization allows accurate calculation of the initial data for the preparation of melts, taking into account evaporation losses. The stabilization of the volume of the liquid-phase feed material contributes to the sustainable control of the crystal production process.

Ее восполнение по мере расходования твердофазной подпиткой ведет почти к полному предотвращению уноса легколетучих компонентов, гомогенизации подпитки, существенному уменьшению энергии на расплавление исходной шихты. Применение порошкообразной шихты в качестве твердофазной подпитки упрощает процесс вытягивания и устройство для реализации этого процесса. Its replenishment as it is consumed by solid-phase recharge leads to almost complete prevention of entrainment of volatile components, homogenization of recharge, and a significant decrease in the energy for the initial charge to melt. The use of a powdered charge as a solid-phase feed simplifies the process of drawing and a device for implementing this process.

Применение жидкостной герметизации рабочего расплава и жидкого материала подпитки с помощью оксида бора способствует повышению однородности монокристаллов арсенидов III группы. The use of liquid sealing of the working melt and liquid feed material using boron oxide increases the uniformity of group III arsenides single crystals.

Применение соединительного трубопровода с клапаном в виде поплавка, установленного в полости тигля для жидкого материала подпитки, и с перепускным отверстием позволяет надежно разделить пространство, из котоpого газ эвакуирован, и пространство, заполненное газом. Поплавок может быть легко загружен необходимой массой, обеспечивающей заданный перепад давлений в этих пространствах. The use of a connecting pipeline with a valve in the form of a float installed in the crucible cavity for liquid make-up material, and with a bypass hole allows you to reliably separate the space from which the gas is evacuated and the space filled with gas. The float can be easily loaded with the necessary mass, providing a given pressure drop in these spaces.

Применение бесконтактного контроля уровня расплава и электрическое управление механизмом подачи порошкообразной подпитки позволяет использовать их для широкого класса веществ, в том числе тугоплавких. The use of non-contact control of the melt level and the electrical control of the powder feed mechanism allows them to be used for a wide class of substances, including refractory ones.

На фиг. 1 представлена схема установки для вытягивания; на фиг. 2 - конструкция клапанного узла трубопровода, соединяющего жидкофазную подпитку с рабочим расплавом; на фиг. 3 - схема положения деталей клапанного узла перед началом процесса вытягивания. In FIG. 1 shows a diagram of an installation for drawing; in FIG. 2 - design of the valve assembly of the pipeline connecting the liquid-phase make-up to the working melt; in FIG. 3 is a diagram of the position of parts of the valve assembly before starting the drawing process.

Способ реализуется с помощью устройства, которое состоит из камеры 1, соединенной с системой вакуумирования и газонаполнения (на чертежах не показана). В камере помещен нагреватель 2, боковой экран 3, тигель 4 для рабочего расплава 5. В камеру введен держатель 6 затравки, снабженный механизмом вертикальных перемещений и вращений (не показаны). Над основной установлена дополнительная камера 7 подпитки с нагревателем 8, окружающим тигель 9 для подпитывающего материала 10. Соединительный трубопровод 11 проходит через дно тигля 9, крышку камеры 1 и снабжен клапаном в виде поплавка 12 и перепускным отверстием 13, а также дроссельным отверстием 14. В камеру 7 введен патрубок 15 бункера 16 с порошкообразной подпиткой, механизм 17 для подачи которой включается по сигналу блока с фоторезистором 18, вырабатываемому с помощью оптической системы 19, отслеживающей уровень рабочего расплава в тигле 4. Показаны также экран 20 с волногасителем 21 и герметизирующая жидкость 22 над рабочим расплавом и подпитывающим материалом, затравка 23. The method is implemented using a device that consists of a chamber 1 connected to a vacuum and gas filling system (not shown in the drawings). A heater 2, a side screen 3, a crucible 4 for a working melt 5 are placed in the chamber. A seed holder 6 equipped with a mechanism of vertical movements and rotations (not shown) is introduced into the chamber. Above the main one there is an additional feed chamber 7 with a heater 8 surrounding the crucible 9 for the feed material 10. The connecting pipe 11 passes through the bottom of the crucible 9, the lid of the chamber 1 and is equipped with a valve in the form of a float 12 and a bypass hole 13, as well as a throttle hole 14. B the chamber 7 introduced the pipe 15 of the hopper 16 with a powder charge, the mechanism 17 for supplying which is switched on by a signal from a block with a photoresistor 18 generated by an optical system 19 that monitors the level of the working melt in the crucible 4. Pok Azan is also a screen 20 with a wave extinguisher 21 and a sealing liquid 22 above the working melt and feed material, the seed 23.

Процесс, реализующий предложенный способ, осуществляют следующим образом. The process that implements the proposed method is as follows.

Загружают тигель 4 исходной шихтой, состоящей из кристаллизуемого вещества с легирующими примесями и из флюса для приготовления герметизирующего слоя жидкости над рабочим расплавом, если необходимо получить монокристалл соединения, разлагающегося при точке плавления. Загружают шихтой и флюсом тигель 9 и бункер 16, причем состав шихты отличается от состава материала для приготовления рабочего расплава с учетом сегрегационных явлений и различной скорости испарения компонентов шихты - основных и примесных добавок. The crucible 4 is loaded with an initial charge consisting of a crystallizable substance with alloying impurities and a flux for preparing a sealing layer of liquid above the working melt, if it is necessary to obtain a single crystal of a compound that decomposes at the melting point. The crucible 9 and the hopper 16 are loaded with the charge and flux, and the composition of the charge differs from the composition of the material for preparing the working melt, taking into account segregation phenomena and different evaporation rates of the charge components — basic and impurity additives.

Из камер эвакуируют воздух, заполняют их компрессионным газом, давление которого рассчитывают заведомо большим, чем упругость наиболее легколетучего компонента шихты. Air is evacuated from the chambers, filled with compression gas, the pressure of which is calculated to be obviously greater than the elasticity of the most volatile component of the charge.

Затем расплавляют шихту в обоих тиглях. При этом уровень расплава и флюса (22) в тигле 9 устанавливают так, что перепускное отверстие 13 соединительного трубопровода перекрыто поплавком 12 (фиг. 3). Вакуумируют пространство камеры 1 с рабочим расплавом 5. Визируют оптическую систему 19 на линию раздела жидкости со стенкой тигля 4. Дополняют тигель 9 из бункера 16 подпиткой до установления в этом тигле уровня, показанного на фиг. 1. В контакт с рабочим расплавом приводят затравку, регулируют температуру нагревателя 2 и вытягивают с заданной скоростью кристалл заданного диаметра. В процессе вытягивания объем расплава в тиглях поддерживают автоматически. Когда его уровень в тигле 4 падает ниже установленного значения, вырабатывается сигнал на подачу порошка из бункера в тигель 9 с материалом 10 жидкой подпитки. При этом клапан (12) всплывает и открывает перепускное отверстие 13 в соединительном трубопроводе 11, через который расплав поступает в рабочий тигель 4, восполняя рабочий расплав, расходуемый на формирование вытягиваемого кристалла. Дросселирующее отверстие 14 в трубопроводе 11 формирует капли и предотвращает зарастание стенок соединительного трубопровода подпитывающим материалом. Then the mixture is melted in both crucibles. At the same time, the level of the melt and flux (22) in the crucible 9 is set so that the bypass hole 13 of the connecting pipe is blocked by the float 12 (Fig. 3). The space of the chamber 1 with the working melt 5 is evacuated. The optical system 19 is sighted at the liquid dividing line with the crucible wall 4. The crucible 9 is refilled from the hopper 16 with feed until the level shown in FIG. 1. Seed is brought into contact with the working melt, the temperature of heater 2 is controlled, and a crystal of a given diameter is pulled at a given speed. During the drawing process, the melt volume in the crucibles is maintained automatically. When its level in the crucible 4 drops below the set value, a signal is generated to supply the powder from the hopper to the crucible 9 with the liquid feed material 10. When this valve (12) pops up and opens the bypass hole 13 in the connecting pipe 11, through which the melt enters the working crucible 4, replenishing the working melt, spent on the formation of the drawn crystal. The throttling hole 14 in the pipe 11 forms droplets and prevents the walls of the connecting pipe from overgrowing with the feed material.

П р и м е р 1. В тигель диаметром 120 мм загружают 1100 г арсенида галлия и 100 г лигатуры арсенид-галлиевой с добавкой Те в концентрации 1 мас. % (т. е. 1 г Те в 100 г лигатуры) для обеспечения концентрации 5˙ 10¹⁷ ат/см³ доноров в кристалле, вытягиваемом из рабочего расплава. В этот же тигель загружают 280 г оксида бора.PRI me R 1. In a crucible with a diameter of 120 mm load 1100 g of gallium arsenide and 100 g of gallium arsenide ligature with the addition of Te in a concentration of 1 wt. % (i.e., 1 g of Te per 100 g of ligature) to provide a concentration of 5˙10 ¹⁷ at / cm ^{3 of} donors in the crystal drawn from the working melt. 280 g of boron oxide are charged into the same crucible.

В камере 7 загружают тигель диаметром 50 мм 150 г арсенида галлия, легированного теллуром до концентрации 5˙ 10¹⁷ ат/см³, и 80 г оксида бора. Измельченным арсенидом галлия, легированным теллуром, загружает также бункер 16. Вес загрузки в бункер 5 кг. Герметизируют камеры с загруженной шихтой. Эвакуируют из них воздух. Заполняют камеры и бункер аргоном до давления 1,2 н/см², превышающего на ≈ 30,5% давление паров мышьяка над расплавленным арсенидом галлия (0,92 н/см²) и на 100% давление паров теллура (0,6 н/см²) при температуре плавления галлия. Расплавляют шихту и флюс в обоих тиглях. Вакуумируют камеру с рабочим расплавом. Дополняют из бункера тигель до заданного уровня. Визируют оптическую часть устройства поддержания уровня на линию раздела жидкости со стенкой тигля для рабочего расплава.In the chamber 7, a crucible with a diameter of 50 mm is loaded with 150 g of gallium arsenide doped with tellurium to a concentration of 5 × 10 ¹⁷ at / cm ³ and 80 g of boron oxide. The chopped gallium arsenide doped with tellurium also loads the hopper 16. The load weight in the hopper is 5 kg. Seal cameras with a loaded charge. Evacuate air from them. The chambers and the hopper are filled with argon to a pressure of 1.2 n / cm ² , which exceeds ≈ 30.5% of the vapor pressure of arsenic over molten gallium arsenide (0.92 n / cm ² ) and 100% of the vapor pressure of tellurium (0.6 n / cm ² ) at the melting point of gallium. The mixture and flux are melted in both crucibles. Vacuum the chamber with the working melt. Complement the crucible from the hopper to a predetermined level. The optical part of the level maintaining device is sighted at the liquid interface with the crucible wall for the working melt.

Производят затравливание и вытягивание из рабочего расплава при его автоматической подпитке монокристалла диаметром 60 мм и длиной ≈300 мм. По всей длине монокристалла легирующая примесь распределена равномерно и соответствует концентрации (5±0,5) ˙ 10¹⁷ ат/см³. Газовых включений в кристалле нет.Seeding and drawing out of the working melt are carried out during its automatic feeding of a single crystal with a diameter of 60 mm and a length of ≈300 mm. Along the entire length of the single crystal, the dopant is uniformly distributed and corresponds to a concentration of (5 ± 0.5) ˙ 10 ¹⁷ at / cm ³ . There are no gas inclusions in the crystal.

П р и м е р 2. Все условия проведения процесса выращивания монокристалла GaAs диаметром 60 мм такие же, как в примере 1, за исключением того, что вакуумируют как камеру с рабочим расплавом, так и камеру с материалом подпитки и бункер. Обеспечивают при этом перепад давлений 0,3 н/см². Из-за уноса мышьяка и потери стехиометрии только участок слитка длиной 800 мм сохраняет монокристальную структуру, остальное - поликристалл. Распределение Те по длине слитка из-за улетучивания этой примеси неравномерное.PRI me R 2. All the conditions for the process of growing a GaAs single crystal with a diameter of 60 mm are the same as in example 1, except that both the chamber with the working melt and the chamber with the feed material and the hopper are evacuated. At the same time, a pressure drop of 0.3 n / cm ^{2 is} provided. Due to the entrainment of arsenic and the loss of stoichiometry, only a portion of an ingot 800 mm long retains a single crystal structure, the rest is a polycrystal. The distribution of Te along the length of the ingot is uneven due to the volatilization of this impurity.

П р и м е р 3. Условия проведения процесса, как в примере 1, за исключением того, что всюду, в том числе в камере с рабочим расплавом устанавливают избыточное давление аргона. В камере подпиточной и бункере давление 2 н/см²; в рабочей камере - 1,2 н/см². Выращивают монокристалл длиной ≈ 300 мм, диаметром 60 мм с равномерным распределением Те. При разрезке монокристалла на пластины обнаружены многочисленные газовые поры.PRI me R 3. The conditions of the process, as in example 1, except that everywhere, including in the chamber with a working melt establish an excess pressure of argon. In the make-up chamber and hopper, the pressure is 2 n / cm ² ; in the working chamber - 1.2 n / cm ² . A single crystal is grown with a length of ≈ 300 mm and a diameter of 60 mm with a uniform distribution of Te. When cutting a single crystal into plates, numerous gas pores were discovered.

П р и м е р 4. В тигель диаметром 120 мм и глубиной 12 мм загружают 550 г кускового материала из плавленного блока оксидов следующего состава; мас. % : Al₂O₃ 49,0; ZrO₂ 46,9; Y₂O₃ 4,1. Этот состав несколько отличается от эвтектического и рассчитан с учетом коэффициента распределения 1,08 Y₂O₃ в ZrO₂ между жидкой и твердой фазами.PRI me R 4. Into a crucible with a diameter of 120 mm and a depth of 12 mm load 550 g of bulk material from a fused block of oxides of the following composition; wt. %: Al ₂ O ₃ 49.0; ZrO ₂ 46.9; Y ₂ O ₃ 4.1. This composition is somewhat different from the eutectic and is calculated taking into account the distribution coefficient of 1.08 Y ₂ O ₃ in ZrO ₂ between the liquid and solid phases.

В камере 7 загружают тигель диаметром 50 мм и глубиной 15 мм материалом состава, мас. % : Al₂O₃ 49,1; ZrO₂ 46,4; Y₂O₃ 4,5; загружают порошком такого же состава бункер. Состав рассчитан с учетом скорости испарения с поверхности расплава оксидов: 3,1˙ 10^-7 см² с Al₂O₃ и 2,4 ˙ 10^-7 г/см² с Y₂O₃.In the chamber 7, a crucible with a diameter of 50 mm and a depth of 15 mm is loaded with a composition material, wt. %: Al ₂ O ₃ 49.1; ZrO ₂ 46.4; Y ₂ O ₃ 4,5; load a powder of the same composition into the hopper. The composition was calculated taking into account the rate of evaporation from the surface of the melt of oxides: 3.1 · 10 ^-7 cm ² with Al ₂ O ₃ and 2.4 ˙ 10 ^-7 g / cm ² with Y ₂ O ₃ .

Герметизируют камеры с шихтой. Эвакуируют из них воздух. Заполняют камеры и бункер аргоном до давления 0,5 н/см², существенно превышающее давление самого легколетучего оксида - Al₂O₃ (≈ 0,05 н/см²).Seal the chamber with the charge. Evacuate air from them. The chambers and the hopper are filled with argon to a pressure of 0.5 n / cm ² , significantly exceeding the pressure of the most volatile oxide - Al ₂ O ₃ (≈ 0.05 n / cm ² ).

Расплавляют шихту в обоих тиглях. Снова вакуумируют камеру с рабочим расплавом. Визируют оптическую часть устройства поддержания уровня на линию раздела жидкости со стенкой тигля для рабочего расплава. Производят затравливание и вытягивание из рабочего расплава при его подпитке цилиндрического слитка диаметром 60 мм и длиной около 300 мм (вес 4215 г). На поперечных шлифах и верхней, средней и нижней частях слитка обнаружена однородная эвтектическая структура без газовых пузырей со средним составом оксидов, мас. % : Al₂O₃ 49,04± 0,2; ZrO₂ 46,55 ±0,17; Y₂O₃ 4,45 ±0,25.The mixture is melted in both crucibles. Vacuum the working melt chamber again. The optical part of the level maintaining device is sighted at the liquid interface with the crucible wall for the working melt. Seed and draw from the working melt when it is fed with a cylindrical ingot with a diameter of 60 mm and a length of about 300 mm (weight 4215 g). On transverse sections and the upper, middle and lower parts of the ingot, a homogeneous eutectic structure without gas bubbles with an average composition of oxides, wt. %: Al ₂ O ₃ 49.04 ± 0.2; ZrO ₂ 46.55 ± 0.17; Y ₂ O ₃ 4.45 ± 0.25.

Прочность всех образцов, вырезанных из этих частей слитка и испытанных на изгиб, не менее 32 кг/мм².The strength of all samples cut from these parts of the ingot and tested for bending, not less than 32 kg / mm ² .

П р и м е р 5. Условия проведения процесса, как в примере 4, но при вытягивании вакуумированы обе камеры - рабочая и подпиточная. На образцах, вырезанных из средней и нижней частей слитка, выращенного в этом процессе, обнаружены неоднородности микроструктуры - крупные межколонийные пространства, а на нижнем срезе и дендриты ZrO₂. Прочность образцов в верхней части слитка ≈ 30 кг/мм², в средней < 24 кг/мм², в нижней < 20 кг/мм².PRI me R 5. The conditions of the process, as in example 4, but when pulling evacuated both chambers - working and make-up. On the samples cut from the middle and lower parts of the ingot grown in this process, microstructure inhomogeneities — large intercolonial spaces — were found, and ZrO ₂ dendrites were found on the lower section. The strength of the samples in the upper part of the ingot is ≈ 30 kg / mm ² , in the middle <24 kg / mm ² , in the lower <20 kg / mm ² .

П р и м е р 6. Условие проведение процесса как в примере 4, но в процессе выращивания поддерживается избыточное давление аргона 0,5 н/см² над расплавами в обоих тиглях - рабочем и подпиточнoм. В выращенном слитке обнаружены газовые поры. Прочность образцов, вырезанных из любой части слитка, не превышает 17 кг/мм².Example 6. The condition is to carry out the process as in example 4, but during the growing process, an argon overpressure of 0.5 n / cm ² above the melts in both crucibles, working and feed, is maintained. Gas pores were found in the grown ingot. The strength of the samples cut from any part of the ingot does not exceed 17 kg / mm ² .

Технико-экономическая эффективность предложенного изобретения заключается в том, что оно позволяет получить однородные без газовых включений кристаллы веществ разных классов, таких, как, например, полупроводники и оксидная керамика. The technical and economic efficiency of the proposed invention lies in the fact that it allows to obtain crystals of substances of different classes, homogeneous without gas inclusions, such as, for example, semiconductors and oxide ceramics.

(56) 1. К. - Т. Вильке. Выращивание кристаллов. Л. : Недра, 1977, с. 335-336. (56) 1. K. - T. Wilke. Crystal growing. L.: Nedra, 1977, p. 335-336.

2. Романенко В. Н. Управление составом полупроводниковых кристаллов. М. : Металлургия, 1976, с. 266-275. 2. Romanenko V. N. Management of the composition of semiconductor crystals. M.: Metallurgy, 1976, p. 266-275.

3. Патент США N 4036595, кл. B 01 J 17/18, 1977. 3. US patent N 4036595, cl. B 01 J 17/18, 1977.

Claims

1. A method of drawing crystals, including growing a crystal from the melt from the melt in the crucible under optical control and automatically maintaining the level of the working melt by supplying a recharge melt under excessive gas pressure, which is replenished with a solid recharge material, characterized in that, in order to obtain uniform crystals without gas inclusions containing volatile components, the space above the working melt is evacuated, and overpressure is maintained over the feed melt during The entire process of drawing exceeds the vapor pressure of the components of the melt, equilibrium at the melting point of the crystal.

2. The method according to p. 1, characterized in that the level of the rechargeable melt during the drawing process is kept constant in automatic mode simultaneously with maintaining the level of the working melt.

3. The method according to p. 1, characterized in that as a solid feeding material using a powdery material.

4. A device for drawing crystals containing a growth chamber with a crucible for the working melt, a recharge chamber with a crucible for replenishing the melt communicating with it via a connecting pipe, over which a hopper for solid recharge material, a vacuum and gas supply system to the chambers, an optical system are placed control and automatic maintenance of the level of the working melt, characterized in that, in order to obtain homogeneous crystals without gas inclusions containing volatile components, a connecting second conduit provided with a valve and a passageway, a control system and maintaining the working level of the melt comprise an additional member coupled to the hopper for the make-up of solid material.

5. The device according to p. 4, characterized in that the valve of the connecting pipe is made in the form of a float and placed in a crucible for feeding melt.