RU2404298C2 - Способ выращивания тугоплавких монокристаллов - Google Patents
Способ выращивания тугоплавких монокристаллов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2404298C2 RU2404298C2 RU2008132276/05A RU2008132276A RU2404298C2 RU 2404298 C2 RU2404298 C2 RU 2404298C2 RU 2008132276/05 A RU2008132276/05 A RU 2008132276/05A RU 2008132276 A RU2008132276 A RU 2008132276A RU 2404298 C2 RU2404298 C2 RU 2404298C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- crystals
- crystal
- single crystal
- grown
- hour
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
Изобретение относится к технологии выращивания тугоплавких монокристаллов из расплава с использованием затравочного кристалла, в частности кристаллов лейкосапфира, рубина. Кристаллы выращивают методом Киропулоса с оптимальным режимом отжига, который проводят при снижении температуры выращенного монокристалла до 1200°С со скоростью 10-15°С/час и последующем охлаждении до комнатной температуры со скоростью 60°С/час. Технический результат изобретения заключается в получении крупногабаритных монокристаллов, менее напряженных во всем объеме и пригодных для механической обработки с целью получения пластин кристаллов нулевой ориентации. 1 ил.
Description
Изобретение относится к технологии выращивания тугоплавких монокристаллов из расплава с использованием затравочного кристалла, в частности кристаллов лейкосапфира, рубина.
При выращивании крупных монокристаллов сапфира или рубина из большого объема расплава чаще всего применяют методы Киропулоса, Чохральского, относящиеся к тигельным методам выращивания из расплава.
Методом Киропулоса выращивают сапфиры диаметром более 350 мм и весом более 80 кг. Соотношение диаметра к высоте монокристалла может меняться в интервале 3:1-1:3 (См. Добровинская Е.Р., Литвинов Л.А., Пищик В.В. Энциклопедия сапфира. Харьков, Институт монокристаллов, 2004, с.231).
Монокристаллический сапфир наиболее часто используется для изготовления подложек с ориентацией (0001). Самая рациональная резка объемных кристаллов на тонкие пластины будет в случае, когда оптическая ось (0001) параллельна оси кристалла цилиндрической формы диаметром, близким к требуемому диаметру заготовки изделия. Это так называемые кристаллы нулевой ориентации (См. Рубашев М.А., Бердов Г.И., Гаврилов В.Н. и др. Термостойкие диэлектрики и их спаи с металлом в новой технике. М., Атомиздат, 1980, с.123).
Однако получение таких объемных кристаллов методом Киропулоса является технологической проблемой. При выращивании кристаллов нулевой ориентации по технологическим режимам, применяемым для кристаллов 90°-ориентации, когда пластины вырезают перпендикулярно оси кристалла, кристаллы нулевой ориентации оказываются блочными и сильнонапряженными, что ограничивает их дальнейшее применение.
Рассмотрим проблему получения объемных монокристаллов сапфира методом Киропулоса в кристаллохимическом аспекте. Кристаллическая решетка Al2O3 образована ионами Al3+ и О-2. Если анионы О-2 изобразить в виде шаров, то кристаллическую решетку можно представить в виде их гексагональной плотнейшей упаковки. Катионы Al3+ располагаются в октаэдрических пустотах между плотноупакованными анионами О-2, заполняя 2/3 пустот. Октаэдрическая пустота окружена шестью шарами, если радиус каждого из них принять за единицу, то в пустоте размещается шар радиусом 0,41. Соотношение ионных радиусов О-2 и Al3+ (1,40 Å и 0,57 Å) позволяет катионам располагаться в пустотах упаковки анионов, исказив решетку, при этом не выходя за пределы устойчивости октаэдрической позиции.
Кристаллическая решетка сапфира очень сильно вытянута вдоль оптической оси «С». Соотношение с/а, где «с» и «а» - параметры одной ячейки сапфира, при комнатной температуре составляет 2,7. С ростом температуры параметры решетки сапфира возрастают (см. вышеупомянутый источник «Энциклопедия сапфира», с.19). Когда рост кристалла происходит в направлении оси (0001), то в условиях вертикального градиента температуры тепловое поле наиболее сильно воздействует на кристаллическую структуру. Если рассматривать напряжения в кристаллах как состояние кристаллической структуры, в которой ее параметры отличны от равновесных для данной температуры (см. вышеупомянутый источник «Термостойкие диэлектрики и их спаи с металлом в новой технике», с.124), то для их снижения необходимо увеличивать время отжига при высокой температуре.
В приведенном источнике «Энциклопедия сапфира» на сс.408, 409 высказаны утверждения, что в сапфире объемные напряжения релаксируют при достаточно высоких температурах (около 2000 К). Причем релаксация происходит в первые часы отжига. Также при высокотемпературном отжиге с уменьшением внутренних напряжений в сапфире изменяется плотность одиночных дислокаций, протяженность границ блоков и углы их разориентации.
При этом скорость протекания процессов аннигиляции, полигонизации и «россыпи» дислокационных границ в существенной степени зависит от температуры, и чем ближе Тотж. к Тпл., тем выше скорость.
В этом же источнике литературы на с.427 указано, что предыдущий экспериментальный опыт показывает неоднозначность влияния термообработки на структурное совершенство и механические характеристики сапфира.
За прототип предлагаемого изобретения принят «Способ выращивания тугоплавких монокристаллов», защищенный патентом РФ №2056463, опубл. 20.03.1996 по индексам МПК С30В 15/00, С30В 29/20. Данное техническое решение относится к технологии получения монокристаллов типа сапфир, рубин, гранат методом Киропулоса (в прототипе ошибочно - Чохральского) и включает вакуумную плавку исходной шихты, внесение затравки, вытягивание монокристалла при одновременном охлаждении расплава со скоростью 0,5-2,0°С/ч, а охлаждение монокристалла осуществляют со скоростью 25-50°С/ч.
В приведенном способе уделяется внимание режиму операции отжига, о котором сообщается как достаточно оптимальном для получения монокристалла без появления в нем напряжений. При этом утверждается, что более медленные скорости не приводят к заметному улучшению качеств кристалла, а только удлиняют процесс.
Однако в прототипе не описаны технологические режимы для получения кристаллов нулевой ориентации. Такие кристаллы требуют более мягкого режима отжига.
Задача настоящего изобретения заключается в получении объемных монокристаллов, менее напряженных и пригодных для механической обработки с целью получения пластин кристаллов нулевой ориентации.
Технический результат достигнут опытным путем, в результате которого установлено, что снижение скорости уменьшения температуры отжига в несколько раз на начальной стадии, т.е. при наиболее высоких температурах, по сравнению с известным методом позволяет вырастить безблочные кристаллы нулевой ориентации.
Задача решается в способе выращивания тугоплавких монокристаллов, включающем вакуумную плавку исходной шихты, внесение затравки, кристаллизацию расплава до образования монокристалла максимально возможного размера из данного объема расплава и последующий отжиг выращенного монокристалла, в котором в отличие от прототипа отжиг проводят при снижении температуры до 1200°С со скоростью 10-15°С/час, а последующее охлаждение монокристалла происходит со скоростью 60°С/час.
На чертеже схематично изображен выращенный кристалл в виде були с изображением кристаллографической решетки одной ячейки кристалла, где 1 - внешний контур були кристалла, 2 - гексагональная ячейка кристаллической структуры, 3 - геометрическая ось кристалла, которая совпадает с оптической кристаллографической осью «С» с кристаллографическим индексом (0001) для кристаллов нулевой ориентации, 4 - ось «а», являющаяся осью, перпендикулярной оси «С», имеющая кристаллографический индекс
Конкретный пример реализации способа. Выращивание монокристалла лейкосапфира проводят в электропечах типа С3ВН-150 или «Омега». В качестве шихты используют бой кристаллов, выращенных методом Вернейля, или предварительно спеченный порошок. Печь вакуумируют до 10-5 мм рт.ст. и включают нагрев до расплавления шихты, что контролируется визуально. Затравку опускают до поверхности расплава, имеющего температуру кристаллизации (для лейкосапфира - 2030°С). На начальной стадии процесса подъем затравки ведут со скоростью 0,3-0,5 мм/час в течение 20 часов, а затем увеличивают скорость до 0,5-1,0 мм/час. Одновременно с подъемом растущего кристалла включают снижение температуры со скоростью 0,5-2,0°С в час. Процесс роста кристалла заканчивается, когда весь расплав закристаллизуется на затравку. Выключают подъем выращенного кристалла и задают автоматический режим снижения его температуры во время отжига, который проводят следующим образом: снижение температуры до 1200°С проводят со скоростью 10-15°С/час, а последующее охлаждение до комнатной температуры осуществляют со скоростью 60°С/час.
Полученный монокристалл высотой 160 мм толщиной около 80 мм в среднем диаметре по высоте, весом 4,5 кг, исследовали на наличие блочности с помощью поляриметра. Исследования показали отсутствие блочности.
В результате разрезки монокристалла вдоль оси нулевой ориентации получены пластины лейкосапфира диаметром 65 мм для изготовления безблочных подложек, линз или окон, применяемых в электронной, оптической и химической промышленности.
Claims (1)
- Способ выращивания тугоплавких монокристаллов, включающий вакуумную плавку исходной шихты, внесение затравки, кристаллизацию расплава до образования монокристалла максимально возможного размера из данного объема расплава и последующий отжиг выращенного монокристалла, отличающийся тем, что отжиг проводят при снижении температуры до 1200°С со скоростью 10-15°С/ч, а последующее охлаждение монокристалла проводят со скоростью 60°С/ч.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008132276/05A RU2404298C2 (ru) | 2008-07-31 | 2008-07-31 | Способ выращивания тугоплавких монокристаллов |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008132276/05A RU2404298C2 (ru) | 2008-07-31 | 2008-07-31 | Способ выращивания тугоплавких монокристаллов |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2008132276A RU2008132276A (ru) | 2010-02-10 |
RU2404298C2 true RU2404298C2 (ru) | 2010-11-20 |
Family
ID=42123523
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008132276/05A RU2404298C2 (ru) | 2008-07-31 | 2008-07-31 | Способ выращивания тугоплавких монокристаллов |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2404298C2 (ru) |
-
2008
- 2008-07-31 RU RU2008132276/05A patent/RU2404298C2/ru not_active IP Right Cessation
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2008132276A (ru) | 2010-02-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5633732B2 (ja) | サファイア単結晶の製造方法およびサファイア単結晶の製造装置 | |
RU2543882C2 (ru) | Устройство для выращивания монокристалла сапфира | |
US20170183792A1 (en) | Apparatus for forming single crystal sapphire | |
JP5434801B2 (ja) | SiC単結晶の製造方法 | |
CN103608497A (zh) | SiC单晶及其制造方法 | |
WO2021020539A1 (ja) | ScAlMgO4単結晶及びその作成方法並びに自立基板 | |
JP5729135B2 (ja) | サファイアシードおよびその製造方法、ならびにサファイア単結晶の製造方法 | |
JP6547360B2 (ja) | CaMgZr置換型ガドリニウム・ガリウム・ガーネット(SGGG)単結晶の育成方法およびSGGG単結晶基板の製造方法 | |
JP2014214078A (ja) | 結晶成長方法 | |
JP4930166B2 (ja) | 酸化アルミニウム単結晶の製造方法 | |
RU2701915C1 (ru) | Способ получения кристаллов Co3Sn2S2 | |
JP7394332B2 (ja) | 鉄ガリウム合金の単結晶インゴットの育成方法およびその加工方法、鉄ガリウム合金の単結晶インゴット | |
RU2404298C2 (ru) | Способ выращивания тугоплавких монокристаллов | |
CN110453283A (zh) | 一种封盖式引晶的导模法生长封口蓝宝石管的模具和方法 | |
KR101292703B1 (ko) | 단결정 성장장치 | |
JP7310339B2 (ja) | ニオブ酸リチウム単結晶の育成方法 | |
JP6172013B2 (ja) | Gsgg単結晶の製造方法と酸化物ガーネット単結晶膜の製造方法 | |
CN108221052B (zh) | 一种制备大尺寸Zn4B6O13单晶的方法 | |
KR20190075411A (ko) | 리니지 결함을 제거할 수 있는 도가니부재, 이를 이용한 고품질 사파이어 단결정 성장장치 및 그 방법 | |
Kusuma et al. | The Growth and Growth Mechanism of Congruent LiNbO 3 Single Crystals by Czochralski Method | |
JP2016132599A (ja) | サファイア単結晶製造装置、及びサファイア単結晶の製造方法 | |
RU2261295C1 (ru) | Способ выращивания монокристаллов германия | |
KR20130119583A (ko) | 단결정 성장 방법 | |
JPH04187585A (ja) | 結晶成長装置 | |
JP2012001393A (ja) | 単結晶インゴットおよびその育成方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110801 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20120920 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140801 |