RU2626637C1 - Method for growing high-temperature monocrystals by sinelnikov-dziov's method - Google Patents

Method for growing high-temperature monocrystals by sinelnikov-dziov's method Download PDF

Info

Publication number
RU2626637C1
RU2626637C1 RU2016129890A RU2016129890A RU2626637C1 RU 2626637 C1 RU2626637 C1 RU 2626637C1 RU 2016129890 A RU2016129890 A RU 2016129890A RU 2016129890 A RU2016129890 A RU 2016129890A RU 2626637 C1 RU2626637 C1 RU 2626637C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
former
single crystal
growth
crucible
initial charge
Prior art date
Application number
RU2016129890A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Борис Михайлович Синельников
Давид Таймуразович Дзиов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма "ЭКСИТОН"
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 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма "ЭКСИТОН" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма "ЭКСИТОН"
Priority to RU2016129890A priority Critical patent/RU2626637C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2626637C1 publication Critical patent/RU2626637C1/en

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-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
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/007—Pulling on a substrate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-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
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/02—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method adding crystallising materials or reactants forming it in situ to the melt
    • C30B15/04—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method adding crystallising materials or reactants forming it in situ to the melt adding doping materials, e.g. for n-p-junction
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-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
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/34—Edge-defined film-fed crystal-growth using dies or slits
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-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
    • C30B17/00—Single-crystal growth onto a seed which remains in the melt during growth, e.g. Nacken-Kyropoulos method
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-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
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/16—Oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-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
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/16—Oxides
    • C30B29/18—Quartz
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-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
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/16—Oxides
    • C30B29/22—Complex oxides
    • C30B29/26—Complex oxides with formula BMe2O4, wherein B is Mg, Ni, Co, Al, Zn, or Cd and Me is Fe, Ga, Sc, Cr, Co, or Al
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A44—HABERDASHERY; JEWELLERY
    • A44C—PERSONAL ADORNMENTS, e.g. JEWELLERY; COINS
    • A44C17/00—Gems or the like
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/02—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of crystals, e.g. rock-salt, semi-conductors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/16—Solid materials
    • H01S3/163—Solid materials characterised by a crystal matrix
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/16—Solid materials
    • H01S3/163—Solid materials characterised by a crystal matrix
    • H01S3/1631—Solid materials characterised by a crystal matrix aluminate
    • H01S3/1636—Al2O3 (Sapphire)
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/16—Solid materials
    • H01S3/163—Solid materials characterised by a crystal matrix
    • H01S3/164—Solid materials characterised by a crystal matrix garnet
    • H01S3/1643—YAG

Landscapes

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

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: method involves melting the initial charge in the crucible and the subsequent growth of the single crystal with a seed while cooling the melt and then cooling the grown single crystal, while the crucible is made of a refractory material with a melting point above 2300°C the formulator with convection in the bottom and discharge in the side parts of the slits, the polycrystalline material or polycrystal obtained by melting in a cold crucible or fragments of a single crystal of the corresponding oxide is used as the initial charge, and the growth of single crystals is carried out at a rate from 0.5 to 4 mm/H.
EFFECT: improving the quality of grown single crystals, the variety of forms obtained while reducing material and time costs, the possibility of growing single crystals both doped and without impurities.
16 cl, 9 ex

Description

Изобретение относится к выращиванию высококачественных высокотемпературных монокристаллов, например, таких как лейкосапфир алюмоиттриевый гранат, рутил и другие, как легированных, так и без присутствия примесей, и может быть использовано в лазерной технике, ювелирной и оптических отраслях промышленности.The invention relates to the cultivation of high-quality high-temperature single crystals, for example, such as leucosapphire yttrium aluminum garnet, rutile and others, both doped and without the presence of impurities, and can be used in laser technology, jewelry and optical industries.

Известны различные способы выращивания высокотемпературных монокристаллов, таких как алюмоиттриевый гранат и лейкосапфир. Например, известен «Способ выращивания алюмоиттриевого граната, легированного ванадием» по патенту РФ №2501892 на изобретение (МПК С30В 11/04, С30В 29/28). Данный способ осуществляется методом Бриджмена-Стокбаргера. Способ выращивания алюмоиттриевого граната, легированного ванадием, включает выращивание кристалла методом вертикальной направленной кристаллизации в молибденовом тигле в восстановительной атмосфере аргона с водородом, в котором используют шихту, обеспечивающую содержание ванадия в выращенном кристалле от 1 до 5 ат. %, при этом состав навески определен из общей формулы Y3Al5(1-0,01x)V0,05xO12, где х - ат. % ванадия в октаэдрических и тетраэдрических позициях решетки кристалла. Но указанный аналог имеет ряд недостатков, в частности, довольно усложненный контроль процесса затравливания, малые размеры и низкое качество выращиваемых кристаллов, обусловленное тем, что в процессе роста тигель, он же формообразователь, перемещается относительно нагревателя, растущий монокристалл перемещается в холодную зону, но при этом находится в соприкосновении с расплавом, что обуславливает высокий градиент температур и как следствие ведет к образованию дефектов и возникновению внутренних напряжений. В то же время растущий монокристалл соприкасается с формообразователем, прилипая к нему. Вследствие разных коэффициентов теплового расширения металла и монокристалла при остывании формообразователь сжимает монокристалл, приводя к образованию в нем большого (104 см-2 и более) количества дефектов, а также к образованию микротрещин. По указанным причинам получаемые монокристаллы довольно низкого качества, что выражается в присутствии структурных и иных дефектов в выращиваемых кристаллах.Various methods are known for growing high temperature single crystals, such as yttrium aluminum garnet and leucosapphire. For example, the “Method for growing vanadium doped aluminum yttrium garnet” is known according to the patent of the Russian Federation No. 2501892 for the invention (IPC С30В 11/04, С30В 29/28). This method is carried out by the Bridgman-Stockbarger method. A method of growing vanadium doped aluminum yttrium garnet involves growing a crystal by vertical directed crystallization in a molybdenum crucible in a reducing atmosphere of argon with hydrogen, in which a charge is used that provides a vanadium content in the grown crystal from 1 to 5 at. %, while the composition of the sample is determined from the general formula Y 3 Al 5 (1-0.01x) V 0.05x O 12 , where x is at. % vanadium in the octahedral and tetrahedral positions of the crystal lattice. But this analogue has a number of drawbacks, in particular, rather complicated control of the seeding process, small size and low quality of the grown crystals, due to the fact that during the growth process the crucible, which is also the former, moves relative to the heater, the growing single crystal moves to the cold zone, but at This is in contact with the melt, which leads to a high temperature gradient and, as a result, leads to the formation of defects and the appearance of internal stresses. At the same time, the growing single crystal is in contact with the former, adhering to it. Due to different coefficients of thermal expansion of the metal and the single crystal during cooling, the former shrinks the single crystal, resulting in the formation of a large (104 cm -2 or more) number of defects in it, as well as the formation of microcracks. For these reasons, the resulting single crystals are of rather poor quality, which is expressed in the presence of structural and other defects in the grown crystals.

Известен «Способ получения профилированных кристаллов тугоплавких соединений» по патенту РФ №2299280 на изобретение (МПК C30B 15/34). Указанный способ получения профилированных кристаллов тугоплавких соединений использует метод Степанова. В рассматриваемом способе осуществляют вакуумирование плавильной камеры и разогрев тепловой зоны, напуск в плавильную камеру, по меньшей мере, одного инертного газа, доведение температуры тепловой зоны до расплавления исходного сырья в тигле с заполнением капиллярной системы формообразователя расплавом, оплавление затравочного кристалла, его разращивание на торце формообразователя и вытягивание кристалла, а также отрыв кристалла и его охлаждение. Согласно указанному способу в плавильную камеру напускают смесь инертных газов, содержащую, преимущественно, аргон и, по меньшей мере, гелий, устанавливают в камере давление смеси, величина которого меньше атмосферного, и после разращивания кристалла до полного сечения полученную часть кристалла сплавляют вплоть до затравки и снова проводят операцию разращивания, после чего ведут окончательное выращивание кристалла. Недостатком данного метода является то, что формообразователь имеет довольно небольшие габариты, поэтому выращивание крупных кристаллов является практически невозможным. Вместе с тем согласно данному способу качество выращиваемых монокристаллов довольно низкое. Низкое качество выражается в присутствии структурных и иных дефектов в выращиваемых кристаллах.The well-known "Method for producing profiled crystals of refractory compounds" according to the patent of the Russian Federation No. 2299280 for the invention (IPC C30B 15/34). The specified method for producing profiled crystals of refractory compounds uses the Stepanov method. In the method under consideration, the melting chamber is evacuated and the thermal zone is heated, at least one inert gas is injected into the melting chamber, the temperature of the thermal zone is melted until the feedstock is melted in the crucible, the capillary system of the former is molten with a melt, the seed crystal is melted, and its growth at the end the former and the stretching of the crystal, as well as the separation of the crystal and its cooling. According to the indicated method, a mixture of inert gases containing mainly argon and at least helium is injected into the melting chamber, the pressure of the mixture is set in the chamber, which is less than atmospheric, and after the crystal has grown to a full cross section, the obtained part of the crystal is melted down to seed and again carry out the operation of expansion, after which they are the final crystal growth. The disadvantage of this method is that the former is quite small in size, so growing large crystals is almost impossible. However, according to this method, the quality of the grown single crystals is quite low. Low quality is expressed in the presence of structural and other defects in the grown crystals.

Известен «Способ выращивания монокристаллов тугоплавких оксидов» по патенту РФ №2320789 на изобретение (МПК C30B 11/02, C30B 11/14, C30B 29/20, C30B 29/28). Данный способ использует метод горизонтально направленной кристаллизации. Способ выращивания монокристаллов тугоплавких оксидов горизонтальной направленной кристаллизацией включает создание в вакуумной камере с помощью нагревательных устройств температурного поля, расплавление в этом поле исходного кристаллизуемого материала, помещенного в контейнер, выполненный в виде открытой сверху емкости, имеющей форму суживающегося с одной стороны параллелепипеда - форму лодочки, и формирование кристалла от установленной в суженой части контейнера ориентированной монокристаллической затравки из соответствующего выращиваемому кристаллу материала путем перемещения контейнера с расплавленной шихтой в градиентном температурном поле. При выращивании кристалла по данному способу управляют скоростью кристаллизации в осевом, радиальном и вертикальном направлениях за счет регулирования соотношений величин тепловых потоков излучения нагревательных устройств, а именно, падающего на поверхность зеркала расплава теплового потока лучистой энергии и кондуктивного теплового потока, проходящего через боковые стенки и дно контейнера, причем в указанных направлениях формируют требуемые температурные градиенты поля на границе раздела фаз расплавленного материала и растущего кристалла - фронте кристаллизации, путем задания разности между температурой на поверхности раздела фаз и равновесной температурой плавления, равной 15-25°C, при этом угол наклона фронта кристаллизации с плоскостью дна контейнера при формировании вертикального градиента температуры задают равным 55-90°C, ширину затравки выбирают равной 3-5 мм, угол разращивания монокристалла задают в диапазоне 100-140°, а величину плеч разращивания выбирают до 300 мм. Недостатком данного аналога является то, что при его использовании отсутствует возможность выращивания качественных крупногабаритных кристаллов. Также недостатком является большая поверхность расплава, что приводит к постоянному испарению компонентов шихты, что делает проблематичным выращивание качественных двух и более компонентных кристаллов, также данный эффект приводит к большой потери легирующих примесей в процессе кристаллизации и, как следствие, неравномерному распределению примеси по длине кристалла. Кроме того, большая площадь поверхности приводит к тому, что верхняя часть кристалла теряет большое количество тепла посредством фотонного потока, а нижняя часть кристалла, лежащая на молибденовом формообразователе («лодочке»), который также работает как экран, перегревается, что приводит к возникновению внутренних напряжений в кристалле и, как следствие, снижению качества выращиваемых монокристаллов. Вместе с тем получаемые указанным способом кристаллы имеют довольно высокую себестоимость.The well-known "Method of growing single crystals of refractory oxides" according to the patent of the Russian Federation No. 2320789 for the invention (IPC C30B 11/02, C30B 11/14, C30B 29/20, C30B 29/28). This method uses a horizontally directed crystallization method. A method of growing single crystals of refractory oxides by horizontal directional crystallization involves creating a temperature field in a vacuum chamber using heating devices, melting the initial crystallized material in this field, placed in a container made in the form of a container open in the form of a parallelepiped tapering on one side — the shape of a boat, and forming a crystal from an oriented single crystal seed mounted in the narrowed part of the container from the corresponding about the material crystal being grown by moving the container with the molten charge in a gradient temperature field. When growing a crystal by this method, the crystallization rate is controlled in the axial, radial and vertical directions by adjusting the ratios of the heat fluxes of radiation from the heating devices, namely, the radiant energy heat flux incident on the melt mirror surface and the conductive heat flux passing through the side walls and the bottom container, and in the indicated directions, the required temperature field gradients are formed at the interface between the molten material and the growing about the crystal - the crystallization front, by setting the difference between the temperature at the interface and the equilibrium melting temperature equal to 15-25 ° C, while the angle of inclination of the crystallization front with the plane of the bottom of the container when forming a vertical temperature gradient is set equal to 55-90 ° C, the seed width is selected equal to 3-5 mm, the single crystal growth angle is set in the range of 100-140 °, and the growth shoulder size is selected to 300 mm. The disadvantage of this analogue is that when using it there is no possibility of growing high-quality large-sized crystals. The disadvantage is the large surface of the melt, which leads to constant evaporation of the charge components, which makes it difficult to grow high-quality two or more component crystals, this effect also leads to a large loss of dopants in the crystallization process and, as a consequence, uneven distribution of the impurity along the length of the crystal. In addition, a large surface area leads to the fact that the upper part of the crystal loses a large amount of heat through the photon flux, and the lower part of the crystal lying on the molybdenum former (“boat”), which also acts as a screen, overheats, which leads to internal stresses in the crystal and, as a result, lower quality of the grown single crystals. However, the crystals obtained in this way have a rather high cost.

Известен «Способ выращивания монокристаллов сапфира» по патенту РФ №2355830 на изобретение (МПК C30B 15/00, C30B 15/20, C30B 29/20). Способ базируется на методе Киропулоса. В этом способе выращивания монокристалла сапфира, включающем вакуумную плавку исходной шихты в камере, вытягивание монокристалла на затравку с его разращиванием при одновременном охлаждении расплава и последующее охлаждение выращенного монокристалла, дополнительно проводят выращивание перетяжек перед началом разращивания монокристалла, причем высота перетяжек соответствует высоте наблюдаемого мениска расплава и равна 0,5-4,0 мм, а время их выращивания составляет 1-20 мин. В способе осуществляют управление процессом кристаллизации путем снижения мощности нагревателя и обеспечения заданной линейной скорости кристаллизации, а охлаждение монокристалла проводят в вакууме в течение 30-35 ч с последующей выдержкой в течение 10-12 ч в атмосфере аргона при давлении в камере 0,5 кгс/см2 вскрытием крышки камеры и выгрузкой монокристалла. Недостатком этого метода является то, что при внедрении в расплав окрашивающих примесей становится невозможным получение монокристаллов. Это обусловлено тем, что примесь изменяет спектр поглощения растущего кристалла, что приводит к уменьшению теплоотвода посредством фотонного потока, из-за чего фронт кристаллизации становится плоским, уменьшается соотношение вертикальной скорости роста к горизонтальной, что в свою очередь приводит к прилипанию растущего кристалла к стенкам тигля и, как следствие, возникновению высоких внутренних напряжений, образованию дефектов и переходу к поликристаллическому росту.The well-known "Method of growing single crystals of sapphire" according to the patent of the Russian Federation No. 2355830 for the invention (IPC C30B 15/00, C30B 15/20, C30B 29/20). The method is based on the method of Kyropoulos. In this method of growing a sapphire single crystal, including vacuum melting the initial charge in the chamber, pulling the single crystal into a seed with its growth while cooling the melt and subsequent cooling of the grown single crystal, additionally, the constellations are grown before the single crystal grows, and the height of the constrictions corresponds to the height of the melt meniscus equal to 0.5-4.0 mm, and the time of their cultivation is 1-20 minutes The method controls the crystallization process by reducing the heater power and providing a given linear crystallization rate, and the single crystal is cooled in vacuum for 30-35 hours, followed by exposure for 10-12 hours in an argon atmosphere at a chamber pressure of 0.5 kgf / cm 2 by opening the chamber lid and unloading the single crystal. The disadvantage of this method is that when introducing coloring impurities into the melt, it becomes impossible to obtain single crystals. This is due to the fact that the impurity changes the absorption spectrum of the growing crystal, which leads to a decrease in heat removal by means of a photon flux, due to which the crystallization front becomes flat, the ratio of the vertical to horizontal growth rate decreases, which in turn leads to the adhesion of the growing crystal to the walls of the crucible and, as a consequence, the appearance of high internal stresses, the formation of defects and the transition to polycrystalline growth.

Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков к заявленному изобретению (прототипом) является «Способ выращивания монокристаллов корунда методом Киропулоса» по патенту СССР №768052 на изобретение. В этом способе-прототипе рост кристалла проводят внутри формообразователя из тугоплавкого материала, который в тексте описания изобретения к патенту СССР №768052 называют «обечайка», смачиваемого расплавом и имеющего заданною форму. Формообразователь получают напылением вольфрама толщиной 0,1-1 мм на заранее спрессованную заготовку исходного материала. Рост проводят при давлении 10-5 мм рт.ст., при этом скорость роста монокристалла составляет 4 мм/час, а скорость охлаждения кристалла составляет 175 °С/час. Недостатком этого метода является сложность и высокая стоимость изготовления формообразователя. Кроме того, к недостаткам относится низкое качество формообразователя - неравномерная толщина стенок, высокая шероховатость поверхности формообразователя, а также пористость стенок, что приводит к попаданию частичек металла в растущий монокристалл и, как следствие, к снижению качества получаемых монокристаллов. Также вследствие неравномерного заполнения формообразователя расплавом образуются подплавы и коверны, уменьшающие количество получаемой продукции. Помимо прочего вследствие сжатия формообразователя в процессе охлаждения генерируется большое количество дислокаций с плотностью до 104 см-2, что делает получаемые кристаллы не пригодными для использования в микроэлектронной и оптических отраслях промышленности. Также отсутствует возможность выращивания легированных кристаллов примесями с высоким давлением паров, так как при давление паров примесей более чем 10-5 мм рт.ст. примеси будет интенсивно испаряться, что приведет к неравномерному распределению примеси по длине кристалла. Кроме того, отсутствие возможности перемещения кристалла в начальной стадии роста и возможности перемещения формообразователя с кристаллом в процессе кристаллизации делает невозможным контроль и корректировку скорости роста кристалла, что делает невозможным достижение высокой повторяемости выращиваемых кристаллов. Все указанные недостатки в значительной степени понижают качество получаемых монокристаллов.The closest analogue in the set of essential features to the claimed invention (prototype) is the "Method for growing corundum single crystals by the Kyropoulos method" according to USSR patent No. 768052 for the invention. In this prototype method, crystal growth is carried out inside a shaper made of a refractory material, which in the text of the description of the invention to USSR patent No. 768052 is called a “shell” wetted by the melt and having a predetermined shape. The former is obtained by spraying tungsten with a thickness of 0.1-1 mm on a pre-pressed blank of the starting material. The growth is carried out at a pressure of 10 -5 mm Hg, while the growth rate of the single crystal is 4 mm / hour, and the cooling rate of the crystal is 175 ° C / hour. The disadvantage of this method is the complexity and high cost of manufacturing the former. In addition, the low quality of the former - the uneven wall thickness, high roughness of the surface of the former, as well as the porosity of the walls, which leads to the ingress of metal particles into the growing single crystal and, as a result, to a decrease in the quality of the obtained single crystals, are disadvantages. Also, due to the uneven filling of the former with the melt, sub melts and carpets are formed, which reduce the amount of the resulting product. Among other things, due to compression of the former during the cooling process, a large number of dislocations with a density of up to 10 4 cm -2 are generated, which makes the resulting crystals unsuitable for use in the microelectronic and optical industries. There is also no possibility of growing doped crystals with impurities with a high vapor pressure, since when the vapor pressure of impurities is more than 10 -5 mm Hg the impurity will evaporate rapidly, which will lead to an uneven distribution of the impurity along the length of the crystal. In addition, the inability to move the crystal in the initial stage of growth and the ability to move the former with the crystal during the crystallization process makes it impossible to control and adjust the crystal growth rate, which makes it impossible to achieve high repeatability of the grown crystals. All these disadvantages significantly reduce the quality of the resulting single crystals.

Задача, которую поставил перед собой разработчик нового способа выращивания высокотемпературных монокристаллов методом Синельникова-Дзиова, состояла в повышении качества выращенных монокристаллов, повышении разнообразия получаемых форм, а также увеличении размеров получаемых монокристаллов, а равно обеспечении возможности выращивания цветного монокристалла, при сокращении материальных и временных затрат всего процесса выращивания высокотемпературных монокристаллов, в том числе профилированных. Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение качества выращиваемых высокотемпературных монокристаллов как легированных, так и без примесей. Указанный технический результат достигается за счет использования в процессе выращивания формообразователя, изготовленного из тугоплавкого материала с температурой плавления выше 2300°C, а также наличием конвекционных прорезей в нижней и разгрузочных прорезей в боковой частях формообразователя.The task set by the developer of a new method for growing high-temperature single crystals by the Sinelnikov-Dziov method was to improve the quality of the grown single crystals, increase the variety of the obtained shapes, as well as increase the size of the obtained single crystals, as well as provide the possibility of growing a color single crystal, while reducing material and time costs the whole process of growing high-temperature single crystals, including profiled ones. The technical result of the claimed invention is to improve the quality of the grown high-temperature single crystals, both alloyed and without impurities. The specified technical result is achieved due to the use in the process of growing a shaper made of refractory material with a melting point above 2300 ° C, as well as the presence of convection slots in the bottom and discharge slots in the side of the shaper.

Сущность изобретения состоит в том, что способ выращивания высокотемпературных монокристаллов методом Синельникова-Дзиова включает плавление исходной шихты в тигле и последующий рост монокристалла на затравку при одновременном охлаждении расплава и последующее охлаждение выращенного монокристалла, причем в тигель устанавливают выполненный из тугоплавкого материла с температурой плавления выше 2300ºС формообразователь с конвекционными в нижней и разгрузочными в боковых частях прорезями, а в качестве исходной шихты используют поликристалл, полученный методом плавки в холодном тигле, либо осколки монокристалла. Причем в процессе роста монокристалл перемещают внутри формообразователя либо монокристалл перемещают вместе с формообразователем в тигле. Вместе с тем скорость роста высококачественных высокотемпературных монокристаллов варьируют от 0,5 мм/час до 4 мм/час. А скорость охлаждения высококачественных высокотемпературных монокристаллов варьируют от 6°C/час до 48°C/час. Причем используют формообразователь, выполненный из молибдена либо вольфрама. А в качестве исходной шихты используют поликристаллический алюмоиттриевый гранат либо поликристаллический рутил, либо поликристаллический лейкосапфир, полученные методом плавки в холодном тигле, либо осколки монокристаллического материала. Вместе с тем к исходной шихте добавляют оксиды редкоземельных металлов и/или оксиды элементов переходных групп. Кроме того, процесс выращивания высокотемпературных монокристаллов проводят в атмосфере инертного газа при давлениях от 10-1 мм рт.ст. до 1140 мм рт.ст. Причем в качестве инертного газа используют аргон либо азот. А проток инертного газа устанавливают в пределах от 0,1 см3/час до 100000 см3/час. Вместе с тем процесс выращивания высокотемпературных монокристаллов проводят в вакууме. Кроме того, используют формообразователь, имеющий вид объемной геометрической фигуры. Также используют формообразователь с горизонтальными направляющими. Кроме того, используют формообразователь с прорезями в нижней и боковой частях. Также используют формообразователь с толщиной стенок от 0,2 мм до 2 мм. Вместе с тем высоту и диаметр формообразователя определяют исходя из соотношения объема формообразователя к объему расплава в пределах от 80% до 97%. Кроме того, в рабочей камере ростовой установки обеспечивают давление в пределах от 10-1 до 10-6 мм рт.ст.The essence of the invention lies in the fact that the method of growing high-temperature single crystals by the Sinelnikov-Dziov method involves melting the initial charge in a crucible and subsequent growth of the single crystal for seed with simultaneous cooling of the melt and subsequent cooling of the grown single crystal, and the crucible is made of a refractory material with a melting point above 2300 ° a former with convection slots in the bottom and discharge slots in the sides, and a polycom is used as the initial charge istall obtained by melting in a cold crucible, a single crystal fragments. Moreover, in the process of growth, the single crystal is moved inside the former or the single crystal is moved together with the former in the crucible. At the same time, the growth rate of high-quality high-temperature single crystals varies from 0.5 mm / hour to 4 mm / hour. And the cooling rate of high-quality high-temperature single crystals varies from 6 ° C / h to 48 ° C / h. Moreover, a former made of molybdenum or tungsten is used. And as the initial charge, polycrystalline aluminum yttrium garnet or polycrystalline rutile, or polycrystalline leucosapphire obtained by the method of melting in a cold crucible, or fragments of a single crystal material are used. At the same time, rare-earth metal oxides and / or transition element oxides are added to the initial charge. In addition, the process of growing high-temperature single crystals is carried out in an inert gas atmosphere at pressures from 10 -1 mm Hg up to 1140 mmHg Moreover, argon or nitrogen is used as an inert gas. And the inert gas duct is set in the range from 0.1 cm 3 / h to 100,000 cm 3 / h. At the same time, the process of growing high-temperature single crystals is carried out in vacuum. In addition, a former having the form of a three-dimensional geometric figure is used. A forming tool with horizontal guides is also used. In addition, a former with slots in the lower and lateral parts is used. A former with a wall thickness of 0.2 mm to 2 mm is also used. However, the height and diameter of the former is determined based on the ratio of the volume of the former to the volume of the melt in the range from 80% to 97%. In addition, in the working chamber of the growth unit provide pressure in the range from 10 -1 to 10 -6 mm RT.article

Заявляемый способ выращивания высокотемпературных монокристаллов методом Синельникова-Дзиова заключается в следующем. Для выращивания высокотемпературных монокристаллов используют ростовую установку, состоящую из ростовой камеры, вакуумной системы, системы управления нагревом и перемещением штока. В качестве ростовой установки используют, например, ростовую установку «АПЕКС». Используемая ростовая установка «АПЕКС» имеет следующие технические характеристики: мощность нагревателя не более 100 кВт; напряжение первичной обмотки 380 В; частота 50-60 Гц; максимальное напряжение вторичной обмотки 14 В. Габаритные размеры установки: длина 2050-2300 мм; ширина 1600-1800 мм; высота 2700-3000 мм; масса 1500-2200 кг. Данная установка позволяет проводить ростовые процессы при давлениях от 500 кПа до 10-5Па, достигать температуры свыше 2300°С в рабочей зоне. Вначале проверяют работоспособность ростовой установки. Для этого проверяют работоспособность ростовой камеры, вакуумной системы, системы управления нагревом и перемещением штока согласно технологическим инструкциям для данного вида установки. Далее производят чистку и стерилизацию ростовой камеры. Затем устанавливают в тигель формообразователь. Формообразователь может иметь форму, выполненную в виде объемной геометрической фигуры (цилиндр, конус, параллелепипед и т.д.). Он может быть изготовлен из любого тугоплавкого материла с температурой плавления выше 2300°С, например из трубы либо листового молибдена (Мо) или вольфрама (W). Использование молибдена или вольфрама для формообразователя обусловлено, прежде всего, тем, что указанные материалы не вступают в реакцию с исходной шихтой в процессе выращивания высокотемпературных монокристаллов, а также их относительной дешевизной и высокой температурой плавления. Помимо всего указанные материалы обладают гладкой поверхностью, однородной толщиной и отсутствием пор, что предотвращает попадание частиц металла в растущий монокристалл. Для выращивания высокотемпературных монокристаллов заявленным способом в качестве исходной шихты используют поликристаллический материал или кристалл, полученные методом плавки в холодном тигле, либо осколки монокристалла. Например, в качестве поликристаллического материала используют поликристаллический алюмоиттриевый гранат, поликристаллический рутил, поликристаллический лейкосапфир или другие поликристаллические кристаллы. К примеру, в качестве осколков монокристалла используют осколки лейкосапфира, либо осколки рутила, либо осколки алюмоиттриевого граната. Тигель представляет собой емкость, предназначенную для плавления исходной шихты и выращивания кристаллов. Исходную шихту загружают в тигель с предварительно установленным формообразователем. Толщина формообразователя составляет от 0,2 мм до 2 мм, а высоту и диаметр определяют исходя из соотношения объема формообразователя к объему расплава и составляет от 80 до 97%. Далее на затравкодержатель подвешивают затравочный кристалл, выполненный из ориентированного монокристалла. В качестве затравкодержателя используют молибденовый прут, к которому прикрепляют затравочный кристалл. Затем производят герметизацию ростовой камеры и ее вакуумирование. С помощью вакуумной системы ростовой установки обеспечивают давление от 10-1 до 10-6 мм рт.ст. Указанные показатели давления являются наиболее оптимальными для ростового процесса монокристаллов. В том случае, когда при загрузке шихты в тигель добавляют легкоплавкие примеси, то выращивание производят в атмосфере инертного газа аргона (Ar) или азота (N2) при давлениях от 10-1 1мм рт.ст. до 1140 мм рт.ст. Данные вещества были выбраны благодаря тому, что они не взаимодействуют с материалами теплового узла ростовой установки. При этом под легкоплавкими примесями понимают вещества, у которых парциальное давление паров выше парциального давления паров выращиваемого монокристалла. Величину давления инертного газа определяют парциальным давлением паров примесей. Расчетную величину давления достигают с помощью накачки инертного газа в ростовую камеру после ее вакуумирования. Для увеличения износостойкости тугоплавкой оснастки ростовой камеры разработана система, позволяющая создавать проток инертного газа от 0,1 см3/час до 100000 см3/час. Указанная система включает в себя: баллон с инертным газом, подключенный к ростовой камере с помощью ротаметра, форсунку и регулируемый клапан. Благодаря данной системе обеспечивают подачу и забор инертного газа, что позволяет задавать его необходимое давление и проток. Затем производят нагревание шихты. Далее производят затравливание, для чего опускают затравочный кристалл в расплав. Затем производят выращивание нескольких перешейков, что позволяет подобрать оптимальную температуру для начала роста монокристалла. По окончании затравливания, при увеличении верхней части монокристалла производят вытягивание растущего монокристалла. Вытягивание монокристалла производят с помощью системы управления перемещением штока до момента его касания стенок формообразователя. Затем дальнейшее выращивание высокотемпературного монокристалла производят как с перемещением со скоростями от 0,1 мм/час до 3 мм/час, так и без такового. Благодаря формообразователю последующее выращивание монокристалла ограничивают в радиальном направлении. Поэтому последующее выращивание монокристалла происходит вертикально вниз. Скорость роста варьируют от 0,5 мм/час до 4 мм/час, что обеспечивает высокое качество выращиваемых монокристаллов. Затем по мере выращивания монокристалла уровень расплава за формообразователем понижают и полностью переводят внутрь формообразователя. По окончании выращивания монокристалла производят его вытягивание на 5-10 мм. Благодаря чему обеспечивают исключение контакта выросшего монокристалла с тиглем и следовательно осуществляют его равномерное охлаждение. Скорость охлаждения кристалла варьируется от 6°C/час до 48°C/час. Причем скорость роста, равно как и скорость охлаждения высокотемпературного монокристалла, обуславливаются свойствами материала, используемого в качестве исходной шихты. Диаметр выращиваемых заявленным способом высокотемпературных монокристаллов составляет от 50 мм до 500 мм. Указанный размер определяют с помощью диаметра формообразователя и размеров используемого тигля. Формообразователь выполнен в виде полой объемной геометрической фигуры. В конструкции формообразователя предусматривают несколько модификаций. Цилиндрический формообразователь представляет собой трубу, нижняя часть которой может быть выполнена плоской или иметь прямоугольные либо конические прорези, в целях увеличения перемешивания расплава внутри и снаружи формообразователя. Конический формообразователь представляет собой конус с малыми углами расхождения (до 10°), нижняя часть которого может быть выполнена плоской или иметь прямоугольные либо конические прорези, в целях увеличения перемешивания расплава внутри и снаружи формообразователя. Формообразователь в виде прямоугольного параллелепипеда представляет собой прямоугольный параллелепипед, нижняя часть которого может быть плоской или иметь прямоугольные либо конические прорези, в целях увеличения перемешивания расплава внутри и снаружи формообразователя. Причем в верхней части формообразователя любой из указанных форм расположены направляющие, предназначенные для предотвращения смещения формообразователя по горизонтали. Боковые направляющие могут быть выполнены любой формы и расположены в любой плоскости. На боковой поверхности формообразователя любой из указанных форм выполнены дополнительные вертикальные или горизонтальные «разгрузочные» прорези, предотвращающие сжатие монокристалла при охлаждении, что позволяет выращивать монокристаллы с низкой плотностью дислокаций. Кроме того, обеспечивается возможность перемещения растущего монокристалла в формообразователе, а также возможность перемещения монокристалла с формообразователем в тигле, что обеспечивает отсутствие контакта кристалла с тиглем и, как следствие, равномерное охлаждение выращенного кристалла.The inventive method of growing high temperature single crystals by the Sinelnikov-Dziova method is as follows. For growing high-temperature single crystals, a growth installation is used, which consists of a growth chamber, a vacuum system, a control system for heating and rod movement. As a growth plant, for example, the APEX growth plant is used. The used APEX growth unit has the following technical characteristics: heater power not more than 100 kW; primary voltage 380 V; frequency of 50-60 Hz; the maximum voltage of the secondary winding is 14 V. Overall dimensions of the installation: length 2050-2300 mm; width 1600-1800 mm; height 2700-3000 mm; weight 1500-2200 kg. This installation allows to carry out growth processes at pressures from 500 kPa to 10-5Pa, to reach temperatures above 2300 ° C in the working area. First, check the performance of the growth installation. To do this, check the operability of the growth chamber, the vacuum system, the control system for heating and moving the rod according to the technological instructions for this type of installation. Next, clean and sterilize the growth chamber. Then, the former is installed in the crucible. The former may have a shape made in the form of a three-dimensional geometric figure (cylinder, cone, parallelepiped, etc.). It can be made of any refractory material with a melting point above 2300 ° C, for example, from a pipe or sheet molybdenum (Mo) or tungsten (W). The use of molybdenum or tungsten for the former is primarily due to the fact that these materials do not react with the initial charge in the process of growing high-temperature single crystals, as well as their relative cheapness and high melting point. In addition, these materials have a smooth surface, uniform thickness and the absence of pores, which prevents the ingress of metal particles into the growing single crystal. To grow high-temperature single crystals by the claimed method, polycrystalline material or a crystal obtained by the method of melting in a cold crucible, or fragments of a single crystal, are used as the initial charge. For example, polycrystalline yttrium aluminum garnet, polycrystalline rutile, polycrystalline leucosapphire or other polycrystalline crystals are used as the polycrystalline material. For example, fragments of a leucosapphire, or fragments of rutile, or fragments of yttrium aluminum garnet are used as fragments of a single crystal. A crucible is a container designed to melt the initial charge and grow crystals. The initial charge is loaded into a crucible with a pre-installed former. The thickness of the former is from 0.2 mm to 2 mm, and the height and diameter are determined based on the ratio of the volume of the former to the volume of the melt and ranges from 80 to 97%. Next, a seed crystal made of an oriented single crystal is suspended on a seed holder. As a seed holder, a molybdenum rod is used, to which a seed crystal is attached. Then, the growth chamber is sealed and evacuated. Using a vacuum system, the growth unit provides a pressure of from 10 -1 to 10 -6 mm Hg The indicated pressure indicators are the most optimal for the growth process of single crystals. In the case when fusible impurities are added to the charge when loading the charge, the growing is carried out in an atmosphere of inert gas of argon (Ar) or nitrogen (N 2 ) at pressures from 10 -1 1 mm Hg up to 1140 mmHg These substances were chosen due to the fact that they do not interact with the materials of the thermal unit of the growth plant. In this case, fusible impurities are understood to mean substances in which the partial vapor pressure is higher than the partial vapor pressure of the grown single crystal. The inert gas pressure is determined by the partial vapor pressure of the impurities. The calculated pressure value is reached by pumping an inert gas into the growth chamber after its evacuation. To increase the wear resistance of the refractory equipment of the growth chamber, a system has been developed that allows creating an inert gas duct from 0.1 cm 3 / h to 100,000 cm 3 / h. The specified system includes: an inert gas cylinder connected to the growth chamber by means of a rotameter, a nozzle and an adjustable valve. Thanks to this system, the inert gas is supplied and taken in, which makes it possible to set its necessary pressure and flow. Then produce heating the mixture. Next, seeding is carried out, for which a seed crystal is lowered into the melt. Then, several isthmuses are grown, which makes it possible to select the optimum temperature for the onset of single crystal growth. At the end of the seeding, with the increase in the upper part of the single crystal, the growing single crystal is drawn. The single crystal is drawn using the rod movement control system until it touches the walls of the former. Then, further growth of the high-temperature single crystal is carried out both with movement with speeds from 0.1 mm / h to 3 mm / h, and without it. Thanks to the former, the subsequent single crystal growth is limited in the radial direction. Therefore, the subsequent single crystal growth occurs vertically downward. Growth rates vary from 0.5 mm / hour to 4 mm / hour, which ensures high quality of the grown single crystals. Then, as the single crystal is grown, the melt level behind the former is reduced and completely transferred inside the former. At the end of growing a single crystal, it is stretched by 5-10 mm. This ensures that the contact between the grown single crystal and the crucible is eliminated and, therefore, it is uniformly cooled. The cooling rate of the crystal varies from 6 ° C / hour to 48 ° C / hour. Moreover, the growth rate, as well as the cooling rate of a high-temperature single crystal, are determined by the properties of the material used as the initial charge. The diameter of the high-temperature single crystals grown by the claimed method is from 50 mm to 500 mm. The specified size is determined using the diameter of the former and the dimensions of the crucible used. The former is made in the form of a hollow volumetric geometric figure. In the design of the shaper provide for several modifications. The cylindrical shaper is a pipe, the lower part of which can be made flat or have rectangular or conical slots, in order to increase the mixing of the melt inside and outside the shaper. The conical former is a cone with small divergence angles (up to 10 °), the lower part of which can be made flat or have rectangular or conical slots, in order to increase the mixing of the melt inside and outside the former. The moulder in the form of a rectangular parallelepiped is a rectangular parallelepiped, the lower part of which can be flat or have rectangular or conical slots, in order to increase the mixing of the melt inside and outside the mold. Moreover, in the upper part of the shaper of any of these forms are guides designed to prevent horizontal displacement of the shaper. Side guides can be made of any shape and are located in any plane. Additional vertical or horizontal “unloading” slots are made on the lateral surface of the former, which prevents compression of the single crystal upon cooling, which allows one to grow single crystals with a low dislocation density. In addition, it is possible to move the growing single crystal in the former, as well as the ability to move the single crystal with the former in the crucible, which ensures that the crystal does not come into contact with the crucible and, as a result, uniform cooling of the grown crystal.

Далее приведены конкретные примеры исполнения заявленного способа.The following are specific examples of the execution of the claimed method.

Пример 1. В молибденовый тигель устанавливают цилиндрический молибденовый либо вольфрамовый формообразователь диаметром 162 мм и выстой 125 мм. Затем загружают шихту алюмоиттриевого граната весом 10 кг. Далее загруженный тигель устанавливают в рабочую камеру ростовой установки. Затем подвешивают затравочный кристалл на держатель. Далее рабочую камеру герметизируют и вакуумируют до давления от 10-5 мм рт.ст. до 10-6 мм рт.ст. Затем для расплавки шихты тигель разогревают до 2000°C и осуществляют плавление шихты. Причем при плавлении шихты расплав равномерно распределяют в тигле на высоте 105 мм. Далее проводят затравление, после чего приступают к кристаллизации с вытягиванием монокристалла алюмоиттриевого граната. При достижении растущим монокристаллом алюмоиттриевого граната стенок формообразователя перемещение останавливают. Последующее выращивание проводят без вытягивания монокристалла алюмоиттриевого граната. Кристаллизацию цилиндрической части проводят в течение 100 часов со средней скоростью 1 мм/час. По окончанию выращивания производят отрыв монокристалла алюмоиттриевого граната от дна тигля с последующим снижением температуры со средней скоростью 30°C/час до температуры 300°C. Затем производят естественное охлаждение в течение не менее чем 48 часов. Далее производят напуск инертного газа давлением до 350 мм рт.ст. После чего вскрытие ростовой камеры проводят не менее чем через 12 часов. Полученный монокристалл алюмоиттриевого граната имеет правильную цилиндрическую форму, диаметр 162 мм, высоту 105 мм и вес 10 кг.Example 1. In a molybdenum crucible, a cylindrical molybdenum or tungsten former is installed with a diameter of 162 mm and a retention of 125 mm Then load the mixture of yttrium aluminum garnet weighing 10 kg. Next, the loaded crucible is installed in the working chamber of the growth plant. Then, the seed crystal is suspended on the holder. Next, the working chamber is sealed and vacuum to a pressure of 10 -5 mm Hg up to 10 -6 mmHg Then, to melt the mixture, the crucible is heated to 2000 ° C and the mixture is melted. Moreover, when melting the charge, the melt is evenly distributed in the crucible at a height of 105 mm. Next, seeding is carried out, after which they begin to crystallize by drawing out a single crystal of yttrium aluminum garnet. When the growing single crystal yttrium aluminum garnet walls of the former, the movement is stopped. Subsequent cultivation is carried out without drawing a single crystal of yttrium aluminum garnet. The crystallization of the cylindrical part is carried out for 100 hours at an average speed of 1 mm / hour. At the end of the cultivation, a single crystal of yttrium aluminum garnet is detached from the bottom of the crucible, followed by a decrease in temperature at an average rate of 30 ° C / hr to a temperature of 300 ° C. Then produce natural cooling for at least 48 hours. Next, inert gas is inflated with a pressure of up to 350 mm Hg. After that, the opening of the growth chamber is carried out not less than 12 hours later. The obtained single crystal of yttrium aluminum garnet has the correct cylindrical shape, diameter 162 mm, height 105 mm and weight 10 kg.

Пример 2. Предлагаемый способ осуществляется так же, как и в Примере 1, за исключением того, что ростовой процесс происходит в атмосфере инертного газа при давлении 45 мм рт.ст.Example 2. The proposed method is carried out in the same manner as in Example 1, except that the growth process occurs in an inert gas atmosphere at a pressure of 45 mm Hg.

Пример 3. Предлагаемый способ осуществляется так же, как и в Примере 1, за исключением того, что ростовой процесс происходит в атмосфере инертного газа при давлении до 120 мм рт.ст. с установленным протоком газа до 20 см3/час.Example 3. The proposed method is carried out in the same manner as in Example 1, except that the growth process occurs in an inert gas atmosphere at a pressure of up to 120 mm Hg. with installed gas flow up to 20 cm 3 / hour.

Пример 4. В вольфрамовый тигель устанавливают цилиндрический молибденовый либо вольфрамовый формообразователь диаметром 199 мм и выстой 250 мм. Затем загружают шихту алюмоиттриевого граната весом 30 кг. Далее загруженный тигель устанавливают в рабочую камеру ростовой установки. Затем подвешивают затравочный кристалл на держатель. После чего герметизируют и вакуумируют рабочую камеру до давления от 10-5 до 10-6 мм рт.ст. Затем разогревают тигель до 2000°C. Причем при плавлении шихты расплав равномерно распределяют в тигле на высоте 220 мм. Далее проводят затравление, после чего приступают к кристаллизации с вытягиванием монокристалла алюмоиттриевого граната. При достижении растущим монокристаллом алюмоиттриевого граната стенок формообразователя перемещение останавливают. Последующее выращивание проводят без вытягивания монокристалла алюмоиттриевого граната. Кристаллизацию цилиндрической части проводят в течение 240 часов со средней скоростью 0,95 мм/час. По окончании выращивания производят отрыв монокристалла алюмоиттриевого граната от дна тигля с последующим снижением температуры со средней скоростью 30°C/час до температуры 300°C. Затем производят естественное охлаждение в течение не менее чем 48 часов. Далее производят напуск инертного газа давлением до 350 мм рт.ст. После чего вскрытие ростовой камеры проводят не менее чем через 12 часов. Полученный монокристалл алюмоиттриевого граната имеет правильную цилиндрическую форму, диаметр 199 мм, высота 220 мм и вес 30 кг.Example 4. In a tungsten crucible set cylindrical molybdenum or tungsten shaper with a diameter of 199 mm and a length of 250 mm. Then load the mixture of yttrium aluminum garnet weighing 30 kg. Next, the loaded crucible is installed in the working chamber of the growth plant. Then, the seed crystal is suspended on the holder. Then seal and vacuum the working chamber to a pressure of from 10 -5 to 10 -6 mm RT.article Then the crucible is heated to 2000 ° C. Moreover, when melting the charge, the melt is evenly distributed in the crucible at a height of 220 mm. Next, seeding is carried out, after which they begin to crystallize by drawing out a single crystal of yttrium aluminum garnet. When the growing single crystal yttrium aluminum garnet walls of the former, the movement is stopped. Subsequent cultivation is carried out without drawing a single crystal of yttrium aluminum garnet. The crystallization of the cylindrical part is carried out for 240 hours at an average speed of 0.95 mm / hour. At the end of the cultivation, a single crystal of yttrium aluminum garnet is detached from the bottom of the crucible, followed by a decrease in temperature at an average rate of 30 ° C / hr to a temperature of 300 ° C. Then produce natural cooling for at least 48 hours. Next, inert gas is inflated with a pressure of up to 350 mm Hg. After that, the opening of the growth chamber is carried out not less than 12 hours later. The obtained single crystal of aluminum yttrium garnet has the correct cylindrical shape, diameter 199 mm, height 220 mm and weight 30 kg.

Пример 5. Предлагаемый способ осуществляется так же, как и в Примере 4, за исключением того, что ростовой процесс происходит в атмосфере инертного газа при давлении до 100 мм рт.ст.Example 5. The proposed method is carried out in the same manner as in Example 4, except that the growth process occurs in an inert gas atmosphere at a pressure of up to 100 mm Hg.

Пример 6. Предлагаемый способ осуществляется так же, как и в Примере 4, за исключением того, что ростовой процесс происходит в атмосфере инертного газа при давлении до 100 мм рт.ст. с установленным протоком газа 40 см3/час.Example 6. The proposed method is carried out in the same manner as in Example 4, except that the growth process occurs in an inert gas atmosphere at a pressure of up to 100 mm Hg. with installed gas flow 40 cm 3 / hour.

Пример 7. Предлагаемый способ осуществляется так же, как и в примерах 1-5, за исключением того, что в течение всего процесса выращивания монокристалла алюмоиттриевого граната производят его вытягивание со скоростью 0,1-2 мм/час.Example 7. The proposed method is carried out in the same way as in examples 1-5, except that during the entire process of growing a single crystal of aluminum yttrium garnet, it is drawn at a speed of 0.1-2 mm / hour.

Пример 8. Предлагаемый способ осуществляется так же, как и в примерах 1-5, за исключением того, что в качестве исходной шихты используется поликристаллический или монокристаллический лейкосапфир в виде осколков.Example 8. The proposed method is carried out in the same way as in examples 1-5, except that as the initial charge is used polycrystalline or single crystal leucosapphire in the form of fragments.

Пример 9. Предлагаемый способ осуществляется так же, как и в примерах 1-5, за исключением того, что в качестве исходной шихты используется поликристаллический или монокристаллический рутил в виде осколков.Example 9. The proposed method is carried out in the same way as in examples 1-5, except that the polycrystalline or monocrystalline rutile in the form of fragments is used as the initial charge.

Заявленное изобретение позволяет получать крупногабаритные высококачественные монокристаллы лейкосапфира, алюмоиттриевого граната, рутила и других высокотемпературных монокристаллов определенной формы ювелирного, оптического и лазерного качества.The claimed invention allows to obtain large-sized high-quality single crystals of leucosapphire, yttrium aluminum garnet, rutile and other high-temperature single crystals of a certain form of jewelry, optical and laser quality.

Claims (16)

1. Способ выращивания высокотемпературных монокристаллов оксидов, включающий плавку исходной шихты в тигле и последующий рост монокристалла на затравку при одновременном охлаждении расплава и последующее охлаждение выращенного монокристалла, отличающийся тем, что в тигель устанавливают выполненный из тугоплавкого материла с температурой плавления выше 2300°С формообразователь с конвекционными в нижней и разгрузочными в боковых частях прорезями, а в качестве исходной шихты используют поликристаллический материал или поликристалл, полученный методом плавки в холодном тигле, либо осколки монокристалла соответствующего оксида, а рост монокристаллов ведут со скоростью от 0,5 до 4 мм/ч.1. A method of growing high-temperature single crystals of oxides, including melting the initial charge in a crucible and subsequent growth of the single crystal for seeding while cooling the melt and subsequent cooling of the grown single crystal, characterized in that the crucible is made of a refractory material with a melting point above 2300 ° C. convection in the bottom and discharge in the side parts of the slots, and as the initial charge using polycrystalline material or polycrystal, irradiated by melting in a cold crucible, or fragments of a single crystal of the corresponding oxide, and the growth of single crystals is carried out at a speed of 0.5 to 4 mm / h. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе роста монокристалл перемещают внутри формообразователя, либо монокристалл перемещают вместе с формообразователем в тигле.2. The method according to p. 1, characterized in that during the growth process the single crystal is moved inside the former, or the single crystal is moved together with the former in the crucible. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют формообразователь, выполненный из листовых пластин молибдена либо вольфрама.3. The method according to p. 1, characterized in that they use a former made of molybdenum or tungsten sheet plates. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют формообразователь, выполненный из вольфрамовой либо молибденовой трубы.4. The method according to p. 1, characterized in that they use a former made of a tungsten or molybdenum pipe. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что скорость охлаждения высокотемпературных монокристаллов варьируют от 6°С/час до 48°С/час.5. The method according to p. 1, characterized in that the cooling rate of high-temperature single crystals vary from 6 ° C / hour to 48 ° C / hour. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве исходной шихты используют поликристаллический алюмоиттриевый гранат, либо поликристаллический рутил, либо поликристаллический лейкосапфир.6. The method according to p. 1, characterized in that the initial charge is polycrystalline aluminum yttrium garnet, or polycrystalline rutile, or polycrystalline leucosapphire. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве исходной шихты используют монокристаллические осколки алюмоиттриевого граната, либо монокристаллические осколки рутила, либо монокристаллические осколки лейкосапфира.7. The method according to p. 1, characterized in that as the initial charge using single crystal fragments of yttrium aluminum garnet, or single crystal fragments of rutile, or single crystal fragments of leucosapphire. 8. Способ п. 1, отличающийся тем, что к исходной шихте добавляют оксиды редкоземельных металлов и/или оксиды элементов переходных групп.8. The method of claim 1, characterized in that oxides of rare-earth metals and / or oxides of elements of transition groups are added to the initial charge. 9. Способ п. 1, отличающийся тем, что процесс выращивания высокотемпературных монокристаллов проводят в атмосфере инертного газа при давлениях от 10-1 мм рт.ст. до 1140 мм рт.ст.9. The method of claim 1, characterized in that the process of growing high-temperature single crystals is carried out in an inert gas atmosphere at pressures of 10 -1 mm Hg. up to 1140 mmHg 10. Способ п. 9, отличающийся тем, что в качестве инертного газа используют аргон либо азот.10. The method of claim 9, wherein argon or nitrogen is used as the inert gas. 11. Способ п. 10, отличающийся тем, что проток инертного газа устанавливают в пределах от 0,1 см3/час до 100000 см3/час.11. The method of claim 10, wherein the inert gas duct is set in the range from 0.1 cm 3 / h to 100,000 cm 3 / h. 12. Способ п. 1, отличающийся тем, что используют формообразователь, имеющий вид объемной геометрической фигуры.12. The method of claim. 1, characterized in that they use a former having the form of a three-dimensional geometric figure. 13. Способ п. 1, отличающийся тем, что используют формообразователь с горизонтальными направляющими.13. The method of p. 1, characterized in that they use a former with horizontal guides. 14. Способ п. 1, отличающийся тем, что используют формообразователь с толщиной стенок от 0,2 мм до 2 мм.14. The method of claim 1, characterized in that a former with a wall thickness of 0.2 mm to 2 mm is used. 15. Способ п. 1, отличающийся тем, что высоту и диаметр формообразователя определяют исходя из соотношения объема формообразователя к объему расплава в пределах от 80% до 97%.15. The method of claim 1, characterized in that the height and diameter of the former is determined based on the ratio of the volume of the former to the volume of the melt in the range from 80% to 97%. 16. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в рабочей камере ростовой установки обеспечивают давление в пределах от 10-1 до 10-6 мм рт.ст.16. The method according to p. 1, characterized in that in the working chamber of the growth unit provide a pressure in the range from 10 -1 to 10 -6 mm RT.article
RU2016129890A 2016-07-20 2016-07-20 Method for growing high-temperature monocrystals by sinelnikov-dziov's method RU2626637C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016129890A RU2626637C1 (en) 2016-07-20 2016-07-20 Method for growing high-temperature monocrystals by sinelnikov-dziov's method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016129890A RU2626637C1 (en) 2016-07-20 2016-07-20 Method for growing high-temperature monocrystals by sinelnikov-dziov's method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2626637C1 true RU2626637C1 (en) 2017-07-31

Family

ID=59632365

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016129890A RU2626637C1 (en) 2016-07-20 2016-07-20 Method for growing high-temperature monocrystals by sinelnikov-dziov's method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2626637C1 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2005121468A (en) * 2005-07-08 2007-01-20 Николай Иванович Блецкан (RU) DEVICE FOR GROWING PROFILED SAPPHIRE SINGLE CRYSTALS
RU2310020C2 (en) * 2005-07-08 2007-11-10 Ф и Джи СЭПФАЙЕ Текнолоджи Корп. Device for growing of the rectangular monocrystals of sapphire

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2005121468A (en) * 2005-07-08 2007-01-20 Николай Иванович Блецкан (RU) DEVICE FOR GROWING PROFILED SAPPHIRE SINGLE CRYSTALS
RU2304641C2 (en) * 2005-07-08 2007-08-20 Николай Иванович Блецкан Device for growing profiled sapphire monocrystals
RU2310020C2 (en) * 2005-07-08 2007-11-10 Ф и Джи СЭПФАЙЕ Текнолоджи Корп. Device for growing of the rectangular monocrystals of sapphire

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7344596B2 (en) System and method for crystal growing
KR101243585B1 (en) Crucible, apparatus, and method for producing silicon carbide single crystals
US9885122B2 (en) Method of manufacturing silicon single crystal
KR20140005977A (en) Preparation of doped garnet structure single crystals with diameters of up to 500 mm
CN108203844B (en) Magnesium tantalate series crystal and its preparing process
US10494734B2 (en) Method for producing silicon single crystals
CN107881550B (en) Melt method crystal growth method of large-size crystal
US7972439B2 (en) Method of growing single crystals from melt
US5492079A (en) Process for producing rods or blocks of semiconductor material and an apparatus for carrying out the process
JP2008031019A (en) Method of manufacturing sapphire single crystal
CN106319621A (en) Large-size czochralski silicon single crystal growth method
CN110042461B (en) Growth method of large-size zinc germanium phosphide crystal for increasing heat transfer
RU2626637C1 (en) Method for growing high-temperature monocrystals by sinelnikov-dziov's method
JP2012041200A (en) Crystal growth method
CN117286575A (en) Method and device for growing silicon carbide single crystal by solution method
CN213652724U (en) Thermal field structure of continuous crystal pulling single crystal furnace
KR100816764B1 (en) Synthetic apparatus of semiconductor polycrystal compound and synthetic method of the same
CN111379025A (en) Growth method of cesium-lead halide crystal
CN105970286B (en) A kind of method of more crucible liquid phase epitaxy SiC crystals
KR101871059B1 (en) Single crystal ingot growing apparatus
RU2320789C1 (en) Refractory oxide monocrystals growing method
CN110512273B (en) Method for improving single crystal crystallization quality
WO2020220766A1 (en) Semiconductor crystal growth method and apparatus
CN117626432A (en) Method for eliminating 1.7-2.0 mu m absorption peak of disordered gallium lanthanum silicate crystal
RU2560402C1 (en) Method for monocrystal growing from molten metal