RU2600381C1 - Method for growing monocrystals of substances with density exceeding density of their melt - Google Patents

Method for growing monocrystals of substances with density exceeding density of their melt Download PDF

Info

Publication number
RU2600381C1
RU2600381C1 RU2015156494/05A RU2015156494A RU2600381C1 RU 2600381 C1 RU2600381 C1 RU 2600381C1 RU 2015156494/05 A RU2015156494/05 A RU 2015156494/05A RU 2015156494 A RU2015156494 A RU 2015156494A RU 2600381 C1 RU2600381 C1 RU 2600381C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
crystal
melt
density
radius
crucible
Prior art date
Application number
RU2015156494/05A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Игоревич Колесников
Иван Александрович Каплунов
Сергей Андреевич Третьяков
Кристина Александровна Морозова
Игорь Константинович Долгих
Михаил Альбертович Миняев
Ольга Юрьевна Колесникова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный университет"
Priority to RU2015156494/05A priority Critical patent/RU2600381C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2600381C1 publication Critical patent/RU2600381C1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/08Downward pulling
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/20Controlling or regulating
    • C30B15/22Stabilisation or shape controlling of the molten zone near the pulled crystal; Controlling the section of the crystal
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/16Oxides

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

FIELD: manufacturing technology.
SUBSTANCE: invention relates to growing monocrystals from a liquid melt using Czochralski's method. Growing a crystal with radius r is first performed using the Czochralski's method by drawing from fixed pot with radius R1, so that
Figure 00000013
where ρhd - density of the crystal, ρl - is density of the melt. Produced crystal is tore off the melt and cooled to room temperature in a growth chamber. Then, the growth chamber is opened, the pot is removed from the heater replaced with a pot of smaller radius R2, such that
Figure 00000014
thereafter the chamber is closed, temperature is raised to melting point, crystal is lowered to contact with the melt and the crystal is again grown by its permanent downward movement.
EFFECT: technical result is improved structural perfection of grown crystals due to reduction of residual mechanical stresses and reduction of density of dislocations.
1 cl, 6 dwg, 2 ex

Description

Изобретение относится к способам выращивания монокристаллов из расплава.The invention relates to methods for growing single crystals from a melt.

Известен способ Чохральского, заключающийся в вытягивании вверх из тигля с расплавом кристалла на вращающуюся затравку [Вильке К-Т. Выращивание кристаллов. Л.: Недра. 1977. С. 600; Современная кристаллография // Под ред. Б.К. Вайнштейна, А.А. Чернова, Л.А. Шувалова М.: Наука, 1980. Т. 3. 346 с.]. Данный способ применяется как для кристаллов, плотность которых ρтв больше, чем плотность их расплава ρж, например для кристаллов парателлурита [Мочалов И.В. Выращивание оптических кристаллов // СПб. 2012. С. 126. 37 с.], так и для кристаллов, плотность которых меньше, чем плотность их расплава, например для кристаллов германия [Колесников А.И., Каплунов И.А., Терентьев И.А. Дефекты различных размерностей в крупногабаритных монокристаллах парателлурита // Кристаллография. 2004. Т. 49. №2. С. 229-233]. Во всех известных патентах, технических документах и научных публикациях, связанных со способом Чохральского, в качестве направления для вытягивания указывается направление вертикально вверх. Только в единственном патенте РФ (RU №2491375, опубл. 27.08.2013) используется вытягивание под углом к вертикали. Известен также способ направленной кристаллизации (RU №2241792, опубл. 10.12.2004), при котором кристалл сначала вытягивается из расплава вверх по Чохральскому, а по достижении определенного диаметра перемещение вверх прекращается и кристалл растет в горизонтальной плоскости за счет понижения температуры до тех пор, пока не достигнет внутренних стенок тигля.The known Czochralski method, which consists in pulling upward from a crucible with a molten crystal onto a rotating seed [Wilke KT. Crystal growing. L .: Subsoil. 1977.S. 600; Modern crystallography // Ed. B.K. Weinstein, A.A. Chernova, L.A. Shuvalova M .: Nauka, 1980.V. 3. 346 p.]. This method is used for crystals whose density ρ TV is greater than the density of their melt ρ W , for example, for paratellurite crystals [Mochalov I.V. Growing optical crystals // St. Petersburg. 2012. P. 126. 37 pp.], And for crystals whose density is less than the density of their melt, for example, for germanium crystals [Kolesnikov AI, Kaplunov IA, Terentyev IA Defects of various dimensions in large-sized single crystals of paratellurite // Crystallography. 2004.V. 49. No. 2. S. 229-233]. In all well-known patents, technical documents and scientific publications related to the Czochralski method, the direction vertically is indicated as a direction for drawing. Only in a single patent of the Russian Federation (RU No. 2491375, publ. 08.27.2013) is used pulling at an angle to the vertical. There is also known a method of directional crystallization (RU No. 2241792, published December 10, 2004), in which the crystal is first pulled out of the melt upward along the Czochralski, and when a certain diameter is reached, the upward movement ceases and the crystal grows in the horizontal plane due to lowering the temperature until until it reaches the inner walls of the crucible.

Недостатком всех указанных вариантов реализации способа Чохральского является то, что при вытягивании вверх кристалл перемещается в более холодную область пространства, чем область вблизи фронта кристаллизации. Вследствие этого вертикальный (осевой) температурный градиент ∇T, во-первых, достаточно велик (в любых нагревательных системах, в том числе в системах с дополнительными верхними нагревателями, его значения находятся на уровне не менее 10 К·см-1), а во-вторых, по мере вытягивания вертикальный температурный градиент, особенно вблизи верхнего торца кристалла (в его затравочной части), увеличивается неравномерно. Это препятствует получению малодислокационных и бездислокационных кристаллов из-за невыполнения известного [Современная кристаллография // Под ред. Б.К. Вайнштейна, А.А. Чернова, Л.А. Шувалова М.: Наука, 1980. Т. 3. 346 с.] условия ∇T=const.The disadvantage of all these options for implementing the Czochralski method is that when pulled up, the crystal moves to a colder region of space than the region near the crystallization front. As a result of this, the vertical (axial) temperature gradient ∇T is, firstly, quite large (in any heating systems, including systems with additional top heaters, its values are at least 10 K cm -1 ), and in secondly, as the stretch takes place, the vertical temperature gradient, especially near the upper end of the crystal (in its seed part), increases unevenly. This prevents the production of low-dislocation and dislocation-free crystals due to the failure to fulfill the known [Modern Crystallography // Ed. B.K. Weinstein, A.A. Chernova, L.A. Shuvalova M .: Nauka, 1980. V. 3. 346 p.] Conditions ∇T = const.

В наиболее близком к заявляемому известном из уровня техники способе получения монокристаллов с плотностью, большей плотности расплава, применяется способ выращивания монокристаллов парателлурита из расплава по Чохральскому из неподвижного тигля с программированием скоростей вытягивания и вращения затравки, отличающийся тем, что после выхода на требуемый диаметр вытягивание цилиндрической части кристалла осуществляют при скоростях вращения, соответствующих диапазону чисел Рейнольдса Re=100-150, рассчитанных согласно формуле Re=ω·r(R-r)/ν, где ω - скорость вращения затравки (с-1); R - радиус тигля (см); r - радиус кристалла (см); ν - кинематическая вязкость расплава (см2·с-1), при которых на поверхности расплава наблюдается устойчивая система двух обращающихся вокруг кристалла диаметрально противоположных конвективных ячеек переохлажденного расплава более темного цвета, чем остальная поверхность расплава (RU 2338816 С1, опубл. 20.11.2008).In the closest to the claimed prior art method for producing single crystals with a density higher than the melt density, a method for growing paratellurite single crystals from a Czochralski melt from a fixed crucible is used with programming the speed of drawing and rotation of the seed, characterized in that after reaching the required diameter the cylindrical drawing parts of the crystal are carried out at rotational speeds corresponding to the range of Reynolds numbers Re = 100-150, calculated according to the formula Re = ω · r (Rr) / ν, where ω is the speed of rotation of the seed (s -1 ); R is the radius of the crucible (cm); r is the radius of the crystal (cm); ν is the kinematic viscosity of the melt (cm 2 · s -1 ), at which a stable system of two diametrically opposed convective cells of a supercooled melt turning around the crystal is darker in color than the rest of the melt surface (RU 2338816 C1, publ. 20.11.2008 )

Применение способа приводит к частичному распаду образовавшихся дефектов структуры кристалла, к снижению механических напряжений в материале и к улучшению его структурного качества в целом. Однако и для прототипа характерен недостаток, общий для всех вариантов способа Чохральского - перемещение растущего кристалла вверх - в холодную зону с большими неравномерными температурными градиентами, приводящими к повышению концентраций различных дефектов структуры материала.The application of the method leads to a partial decomposition of the formed defects in the crystal structure, to a reduction in mechanical stresses in the material, and to an improvement in its structural quality as a whole. However, the prototype is characterized by a drawback common to all variants of the Czochralski method — moving the growing crystal upward — into the cold zone with large non-uniform temperature gradients, leading to an increase in the concentration of various defects in the material structure.

Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в улучшении условий выращивания кристаллов из тигля с расплавом и, как следствие, улучшении их структурного качества.The problem to which the claimed technical solution is directed is to improve the conditions for growing crystals from a crucible with a melt and, as a result, improve their structural quality.

Данная задача достигается за счет того, что в способе выращивания монокристаллов веществ, имеющих плотность, превышающую плотность их расплава, включающем предварительное вытягивание кристалла радиусом r способом Чохральского из неподвижного тигля радиусом R1, таким, что

Figure 00000001
, где ρтв - плотность кристалла, ρж - плотность расплава, полученный кристалл после охлаждения, извлечения из печи и установки другого тигля с меньшим радиусом R2, таким, что
Figure 00000002
, используется в качестве затравки при выращивании из этого тигля кристалла радиусом r путем его постоянного перемещения вниз.This problem is achieved due to the fact that in the method of growing single crystals of substances having a density higher than the density of their melt, including preliminary drawing a crystal of radius r by the Czochralski method from a stationary crucible of radius R 1 , such that
Figure 00000001
, where ρ tv is the density of the crystal, ρ f is the melt density, the obtained crystal after cooling, extraction from the furnace and installation of another crucible with a smaller radius R 2 such that
Figure 00000002
, is used as a seed when growing a crystal of radius r from this crucible by constantly moving it down.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является улучшение структурного совершенства выращиваемых кристаллов за счет снижения в них остаточных механических напряжений и уменьшения плотности дислокаций.The technical result provided by the given set of features is to improve the structural perfection of the grown crystals by reducing the residual mechanical stresses in them and reducing the density of dislocations.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 представлена схема реализации классического способа Чохральского в аналогах и прототипе.In FIG. 1 shows a diagram of the implementation of the classical Czochralski method in analogues and prototype.

На фиг. 2 представлена схема реализации предлагаемого способа выращивания кристалла закритического радиуса путем опускания его вниз.In FIG. 2 presents a diagram of the implementation of the proposed method of growing a crystal of supercritical radius by lowering it down.

На фиг. 3 представлен кристалл парателлурита диаметром d=71 мм, вытягиваемый вверх способом Чохральского из тигля диаметром D=100 мм.In FIG. Figure 3 shows a paratellurite crystal with a diameter of d = 71 mm, pulled upward by the Czochralski method from a crucible with a diameter of D = 100 mm.

На фиг. 4 представлен монокристалл парателлурита диаметром d=71 мм, выращенный классическим способом Чохральского из тигля диаметром D=100 мм.In FIG. Figure 4 shows a paratellurite single crystal with a diameter of d = 71 mm, grown by the classical Czochralski method from a crucible with a diameter of D = 100 mm.

На фиг. 5 представлен монокристалл парателлурита диаметром d=71 мм, выращиваемый согласно изобретению путем опускания вниз в тигель диаметром D=75 мм.In FIG. 5 shows a single crystal of paratellurite with a diameter of d = 71 mm, grown according to the invention by lowering into a crucible with a diameter of D = 75 mm.

На фиг. 6 представлен монокристалл парателлурита диаметром d=71 мм, выращиваемый согласно изобретению путем опускания вниз в тигель диаметром D=75 мм.In FIG. 6 shows a single crystal of paratellurite with a diameter of d = 71 mm, grown according to the invention by lowering into a crucible with a diameter of D = 75 mm.

Для достижения указанной цели по отношению к кристаллам веществ, у которых плотность твердой фазы ρтв больше, чем плотность жидкой фазы (расплава) ρж, предлагается не вытягивание вверх, как это осуществляется в классическом способе Чохральского, а перемещение кристалла в обратном направлении - вниз, которое можно также определить как "вдавливание" кристалла в расплав. Такая возможность объясняется следующим образом.To achieve this goal with respect to crystals of substances in which the density of the solid phase ρ TV is higher than the density of the liquid phase (melt) ρ W , it is proposed not to pull upwards, as is done in the classical Czochralski method, but move the crystal in the opposite direction - down , which can also be defined as the “indentation” of a crystal into a melt. This possibility is explained as follows.

При вытягивании из тигля с расплавом вверх (фиг. 1) истинная скорость роста в вертикальном направлении Vист не равна скорости вытягивания Vв кристалла за счет понижения уровня расплава и всегда больше нее Vист>Vв. Соотношение между этими скоростями выводится из условия баланса масс.When pulled from the crucible the melt upward (FIG. 1) true growth rate in the vertical direction V ist is not equal to the drawing speed V in the crystal by lowering the level of the melt, and it is always greater than V ist> V in. The ratio between these speeds is derived from the condition of mass balance.

Масса образовавшейся новой твердой фазы (кристалла) при вытягивании за некоторое время τ (на фиг. 1 соответствует заштрихованному объему с постоянной скоростью Vв) должна равняться массе объема убывшего расплава в тигле, определяемого разностью между начальными и конечными уровнями жидкой фазы.The mass of the formed new solid phase (crystal) during stretching for some time τ (in Fig. 1 corresponds to the shaded volume with a constant velocity V c ) should be equal to the mass of the volume of the decreased melt in the crucible, determined by the difference between the initial and final levels of the liquid phase.

Figure 00000003
Figure 00000003

где Sкр=πr2 - площадь сечения кристалла, r - радиус кристалла, Sт=πR2 - площадь поверхности расплава в тигле, R - радиус тигля, Vр - скорость опускания расплава относительно стенок тигля. Поскольку эта скорость равна разности между истиной скоростью роста и скоростью вытягивания, т.е. Vр=Vист-Vв, подставляя эту разность в уравнение (1) и сокращая обе его части на время τ и π, получаем уравнение для истинной скорости роста Vист:where S cr = πr 2 is the cross-sectional area of the crystal, r is the radius of the crystal, S t = πR 2 is the surface area of the melt in the crucible, R is the radius of the crucible, V p is the rate of lowering of the melt relative to the walls of the crucible. Since this speed is equal to the difference between the true growth rate and the drawing speed, i.e. V p = V East -V in , substituting this difference in equation (1) and reducing both its parts by the time τ and π, we obtain the equation for the true growth rate V East :

Figure 00000004
Figure 00000004

Из уравнения (2) следуют важные технические выводы. Для кристаллов веществ, у которых плотность расплава ρж больше плотности твердой фазы ρтв, при малых, стремящихся к нулю радиусах кристаллов r→0, Vист→Vв, скорость роста практически равна скорости вытягивания Vист≈Vв. При разращивании кристалла до стенок тигля (r→R) истинная скорость увеличивается до конечной величины с максимальным значением

Figure 00000005
. Так, для кристаллов германия (ρж=5,61 г/см3, ρтв=5,3 г/см3) скорость роста оказывается в 20 раз больше скорости вытягивания.From equation (2), important technical conclusions follow. For crystals of the substances in which the melt density greater than the density ρ x ρ tv solids at low, tending to zero radii crystals 0 r →, V → V ist into a growth rate substantially equal to the drawing speed V ist into ≈V. When a crystal grows to the crucible walls (r → R), the true velocity increases to a finite value with a maximum value
Figure 00000005
. So, for germanium crystals (ρ l = 5.61 g / cm 3 , ρ tv = 5.3 g / cm 3 ), the growth rate is 20 times higher than the drawing speed.

Для кристаллов веществ, у которых плотность расплава ρж меньше плотности твердой фазы ρтв, при малых, стремящихся к нулю радиусах кристаллов r→0, скорость роста также практически равна скорости вытягивания Vист≈Vв. Однако при увеличении радиуса кристалла до критического значения

Figure 00000006
истинная скорость роста согласно уравнению (2) должна стремиться к бесконечности. Поэтому никакое дальнейшее уменьшение мощности нагревательной системы не позволит получить кристалл с радиусом r>rкр, что и наблюдается на практике.For crystals of the substances in which the melt density less than the density ρ x ρ tv solids at low, tending to zero radii r 0 → crystal growth rate is also substantially equal to V ist ≈V drawing speed. However, as the radius of the crystal increases to a critical value
Figure 00000006
the true growth rate according to equation (2) should tend to infinity. Therefore, no further decrease in the power of the heating system will make it possible to obtain a crystal with a radius r> r cr , which is observed in practice.

Например, из тигля радиусом R=5 см невозможно вытянуть по Чохральскому кристалл парателлурита (ρж=5 г/см3, ρтв=6,02 г/см3) с радиусом более rк=4,47 см. Такая возможность обеспечивается применением предлагаемого изобретения.For example, a paratellurite crystal (ρ w = 5 g / cm 3 , ρ tv = 6.02 g / cm 3 ) with a radius greater than r k = 4.47 cm cannot be pulled out from a crucible with a radius of R = 5 cm according to Czochralski application of the invention.

Пусть необходимо вырастить из расплава в тигле с радиусом R длинный кристалл с радиусом r, который больше критического радиуса rк для данного тигля: rк<r<R. Тогда сначала из другого тигля с радиусом R1, большим, чем радиус R, выращивается небольшой кристалл в виде диска с требуемым радиусом r, который меньше критического радиуса для большего тигля. После отрыва от расплава и охлаждения полученный дискообразный кристалл требуемого радиуса r используется как затравочный кристалл для выращивания длинного кристалла. Для этого вместо тигля с радиусом R1 в нагревательную систему устанавливается тигель меньшего радиуса R2, производится расплавление вещества в тигле, к поверхности образовавшегося расплава подводится и опускается дискообразный кристалл, после чего производится выращивание кристалла путем постоянного опускания его, что показано на фиг. 2. Истинная скорость роста кристалла Vист связана со скоростью опускания (вдавливания) кристалла Vв зависимостью, вытекающей из равенства масс выросшей части кристалла и убывшего объема расплава mтв=mж Let it be necessary to grow from a melt in a crucible with a radius R a long crystal with a radius r that is greater than the critical radius r k for a given crucible: r k <r <R. Then, first, from another crucible with a radius R 1 greater than the radius R, a small crystal is grown in the form of a disk with the required radius r, which is smaller than the critical radius for a larger crucible. After separation from the melt and cooling, the resulting disk-shaped crystal of the required radius r is used as a seed crystal for growing a long crystal. To do this, instead of a crucible with a radius R 1 , a crucible of a smaller radius R 2 is installed in the heating system, the substance is melted in the crucible, a disk-shaped crystal is brought to the surface of the formed melt, and then the crystal is grown by constantly lowering it, as shown in FIG. 2. The true crystal growth rate V ist is associated with the lowering (indentation) rate of crystal V in the dependence resulting from the equality of the masses of the grown part of the crystal and the decreased melt volume m tv = m w

Figure 00000007
Figure 00000007

В отличие от случая, когда радиус кристалла меньше критического радиуса rк, при вдавливании кристалла со скоростью Vв, истинная скорость роста равна не сумме, а разности скорости убыли расплава Vр и скорости вдавливания Vв;In contrast to the case when the radius of the crystal is less than the critical radius r k , when indenting the crystal at a speed of V c , the true growth rate is not the sum, but the difference between the rate of decrease of the melt V p and the speed of indentation V c ;

Vист=Vр-Vв, откуда следует (после сокращения обеих частей (3) на πr:V East = V p -V in , whence it follows (after reducing both parts of (3) by πr:

Figure 00000008
Figure 00000008

Формула (4) отличается от (2) только знаком слагаемых в знаменателе. Из (4) следует, что при уменьшении радиуса r кристалла до значения rк истинная скорость роста Vист стремится к бесконечности, а при увеличении радиуса кристалла r до значения R, т.е. при приближении кристалла к стенкам тигля, она стремится к конечному значению Vист=Vвρж/(ρтвж). Например, для кристаллов парателлурита Vист≈Vв·5,25, т.е. в 5,25 раз больше скорости вдавливания. При таком способе кристалл все время опускается в освобождающееся от расплава пространство тигля, т.е. в более теплую область ростового пространства с меньшими температурными градиентами, чем при классическом вытягивании по Чохральскому, когда кристалл поднимается в холодную область. Это обеспечивает улучшение структурного совершенства выращиваемых кристаллов за счет снижения в них остаточных механических напряжений и уменьшения плотности дислокаций.Formula (4) differs from (2) only in the sign of the terms in the denominator. From (4) it follows that with a decrease in the radius r of the crystal to a value of r k, the true growth rate V ist tends to infinity, and with an increase in the radius of a crystal r to a value of R, i.e. when the crystal approaches the walls of the crucible, it tends to a final value of V source = V in ρ W / (ρ TVW ). For example, for crystals paratellurite V ist into ≈V · 5.25, i.e. 5.25 times the indentation speed. With this method, the crystal is constantly lowered into the crucible space freed from the melt, i.e. into a warmer region of the growth space with lower temperature gradients than with the classical extension according to Czochralski, when the crystal rises into the cold region. This provides an improvement in the structural perfection of the grown crystals by reducing the residual mechanical stresses in them and reducing the density of dislocations.

Примеры реализации заявляемого способа при выращивании монокристалла парателлурита (α-TeO2) с плотностью твердой фазы 6,0 г/см3 и плотностью расплава 5,0 г/см3.Examples of the implementation of the proposed method when growing a single crystal of paratellurite (α-TeO 2 ) with a density of the solid phase of 6.0 g / cm 3 and a melt density of 5.0 g / cm 3 .

Пример 1. Монокристалл парателлурита без применения изобретения, полученный обычным способом Чохральского (согласно RU №2338816, опубл. 20.10.2008 г.):Example 1. A single crystal of paratellurite without the use of the invention, obtained in the usual Czochralski method (according to RU No. 2338816, publ. 20.10.2008):

- диаметр тигля - 100 мм;- crucible diameter - 100 mm;

- диаметр - 71 мм; высота - 54 мм;- diameter - 71 mm; height - 54 mm;

- направление роста - [110];- growth direction - [110];

- скорость вращения - 13 об/мин;- rotation speed - 13 rpm;

- скорость вытягивания - 0,25 мм/ч;- pulling speed - 0.25 mm / h;

- истинная вертикальная скорость роста - 0,63 мм/ч;- true vertical growth rate - 0.63 mm / h;

- средняя плотность дислокаций - 12000 см-2.- the average density of dislocations is 12000 cm -2 .

Пример 2. Монокристалл с применением изобретения.Example 2. A single crystal using the invention.

а) Сначала из тигля диаметром 100 мм обычным способом Чохральского (согласно патенту на изобретение РФ №2338816 от 20 ноября 2008 г.) выращен кристалл парателлурита:a) First, a paratellurite crystal was grown from a crucible with a diameter of 100 mm in the usual Czochralski method (according to the patent for the invention of the Russian Federation No. 2338816 of November 20, 2008):

- диаметр - 71 мм; высота 19 мм;- diameter - 71 mm; height 19 mm;

- направление роста - [110];- growth direction - [110];

- скорость вращения - 13 об/мин;- rotation speed - 13 rpm;

- скорость вытягивания - 0,25 мм/ч;- pulling speed - 0.25 mm / h;

- истинная вертикальная скорость роста - 0,63 мм/ч.- true vertical growth rate - 0.63 mm / h.

Процесс вытягивания кристалла-затравки диаметром d=71 мм, использованного далее для выращивания в тигле диаметром D=75 мм, представлен на фиг. 3.The process of drawing a seed crystal with a diameter of d = 71 mm, used further for growing in a crucible with a diameter of D = 75 mm, is shown in FIG. 3.

Выращенный обычным способом Чохральского кристалл диаметром 71 мм, использованный далее в качестве затравки, представлен на фиг. 4.A crystal grown in the usual Czochralski method with a diameter of 71 mm, used hereinafter as a seed, is shown in FIG. four.

б) Полученный кристалл диаметром 71 мм после охлаждения и отжига был помещен в камеру той же установки для выращивания, но с установленным тиглем диаметром не 100 мм, а 75 мм, для которого диаметр 75 мм является закритическим, где выращивался путем не вытягивания, а вдавливания в расплав.b) The obtained crystal with a diameter of 71 mm after cooling and annealing was placed in a chamber of the same setup for growing, but with a crucible with a diameter of not 100 mm, but 75 mm, for which the diameter of 75 mm is supercritical, where it was grown by extrusion rather than extrusion into the melt.

Параметры процесса и кристалла:Process and crystal parameters:

- направление роста - [110];- growth direction - [110];

- скорость вращения - 8 об/мин;- rotation speed - 8 rpm;

- скорость вдавливания (опускания штока с кристаллом вниз) - 0,048 мм/ч;- indentation speed (lowering the rod with the crystal down) - 0.048 mm / h;

- истинная вертикальная скорость роста - 0,63 мм/ч;- true vertical growth rate - 0.63 mm / h;

- средняя плотность дислокаций - 5600 см-2.- the average density of dislocations is 5600 cm -2 .

Процесс вдавливания кристалла в расплав представлен на фиг. 5.The process of pressing a crystal into a melt is shown in FIG. 5.

Выращенный предлагаемым способом кристалл парателлурита представлен на фиг. 6.The paratellurite crystal grown by the proposed method is shown in FIG. 6.

Применение способа позволило существенно снизить плотность дислокаций в монокристаллах парателлурита, применяемых в оптике, акустооптике, лазерной технике и ядерной физике (в качестве материала для детектирования актов двойного бета-распада). Представленный способ выращивания пригоден к внедрению в промышленное производство на любых установках для вытягивания способом Чохральского при получении монокристаллов веществ, у которых плотность твердой фазы больше плотности расплава.The application of the method made it possible to significantly reduce the density of dislocations in paratellurite single crystals used in optics, acousto-optics, laser technology and nuclear physics (as a material for detecting double beta decay events). The presented method of growing is suitable for introduction into industrial production on any plants for drawing by the Czochralski method in the preparation of single crystals of substances in which the density of the solid phase is higher than the density of the melt.

Claims (1)

Способ выращивания монокристаллов веществ, имеющих плотность, превышающую плотность их расплава, включающий предварительное вытягивание кристалла радиусом r способом Чохральского из неподвижного тигля радиусом R1, таким, что
Figure 00000009
где ρтв - плотность кристалла, ρж - плотность расплава, отличающийся тем, что полученный кристалл после охлаждения, извлечения из печи и установки другого тигля с меньшим радиусом R2, таким, что
Figure 00000010
используется в качестве затравки при выращивании из этого тигля кристалла радиусом r путем его постоянного перемещения вниз.
A method of growing single crystals of substances having a density exceeding the density of their melt, including preliminary drawing a crystal of radius r by the Czochralski method from a stationary crucible of radius R 1 such that
Figure 00000009
where ρ TV is the density of the crystal, ρ W is the density of the melt, characterized in that the obtained crystal after cooling, removing from the furnace and installing another crucible with a smaller radius R 2 such that
Figure 00000010
It is used as a seed for growing a crystal of radius r from this crucible by constantly moving it down.
RU2015156494/05A 2015-12-29 2015-12-29 Method for growing monocrystals of substances with density exceeding density of their melt RU2600381C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015156494/05A RU2600381C1 (en) 2015-12-29 2015-12-29 Method for growing monocrystals of substances with density exceeding density of their melt

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015156494/05A RU2600381C1 (en) 2015-12-29 2015-12-29 Method for growing monocrystals of substances with density exceeding density of their melt

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2600381C1 true RU2600381C1 (en) 2016-10-20

Family

ID=57138507

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015156494/05A RU2600381C1 (en) 2015-12-29 2015-12-29 Method for growing monocrystals of substances with density exceeding density of their melt

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2600381C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2241792C1 (en) * 2003-06-30 2004-12-10 ООО МНПП "Кристалл" Single crystal growing process
RU2338816C1 (en) * 2007-04-03 2008-11-20 ГОУ ВПО Тверской государственный университет Czochralski's method of growing paratellurite monocrystals from liquid melt
EP2415912B1 (en) * 2009-04-03 2014-07-09 Research and Development Center, Shanghai Institute of Ceramics High-purity tellurium dioxide single crystal and manufacturing method thereof

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2241792C1 (en) * 2003-06-30 2004-12-10 ООО МНПП "Кристалл" Single crystal growing process
RU2338816C1 (en) * 2007-04-03 2008-11-20 ГОУ ВПО Тверской государственный университет Czochralski's method of growing paratellurite monocrystals from liquid melt
EP2415912B1 (en) * 2009-04-03 2014-07-09 Research and Development Center, Shanghai Institute of Ceramics High-purity tellurium dioxide single crystal and manufacturing method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104278321B (en) Silicon single crystal and method for manufacture thereof
US7344596B2 (en) System and method for crystal growing
WO2020039553A1 (en) Method for growing silicon single crystal
TW201800625A (en) Single crystal silicon manufacturing method
US20220205136A1 (en) Crystal growth method and crystal growth apparatus
JP2009057270A (en) Method of raising silicon single crystal
TWI635199B (en) Manufacturing method of single crystal silicon
RU2600381C1 (en) Method for growing monocrystals of substances with density exceeding density of their melt
CN103088409A (en) Apparatus for vertical pulling growth of CdZnTe monocrystals, and method thereof
RU2491375C1 (en) Method of growing profiled monocrystals of germanium from liquor
JP5131285B2 (en) Silicon single crystal growth apparatus and quartz crucible
JP2018002490A (en) Production method of silicon single crystal
JP6597857B1 (en) Heat shielding member, single crystal pulling apparatus and single crystal manufacturing method
KR102104072B1 (en) Method and apparatus for silicon single crystal growth
Goriletsky et al. Production of preset quality large Na (I)(Tl) single crystals for detectors used in medical instrument building
RU2381305C1 (en) METHOD OF GROWING GERMANIUM MONOCRYSTALS WITH DIAMETRE OF UP TO 150 mm USING OTF METHOD
RU2565701C1 (en) Method of growing germanium monocrystals
JP3812573B2 (en) Semiconductor crystal growth method
WO2022254885A1 (en) Method for producing silicon monocrystal
JP6583196B2 (en) Method and apparatus for producing silicon single crystal
KR101962175B1 (en) A method for forming a molten liquid for growing a crystal ingot
JP6414161B2 (en) Method and apparatus for producing silicon single crystal
CN108495955B (en) Furnace for crystallizing ingots from oxygen-rich semiconductor materials
RU2631810C1 (en) Method for growing single crystals of profiled radial germanium
RU2626637C1 (en) Method for growing high-temperature monocrystals by sinelnikov-dziov&#39;s method

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE

Effective date: 20170120

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20201230