RU786110C - Способ выращивани монокристаллов оксидов и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

1. Способ выращивани  монокристаллов оксидов, включающий затравливание кристалла на ориентированную затравку , ее разращивание до заданного диаметра при автоматическом регулировании мощности нагревател  в зависимости от изменени  регулируемого параметра и последующее выт гивание кристалла в камеру охлаждени , о т личающ .ийс  тем, что, с целью исключени  колебаний температуры в процессе выт гивани  и повышени  за счет этого выхода годных кристаллов , затравливание ведут из расплава, уровень которого находитс  ниже кромки тигл  на величину 0,35-0,15 его диаметра, разращивание ведут при ускорении изменени  регулируемого параметра ,, а выт гивание кристалла ведут при посто нной величине мощности, подводимой к нагревателю, в услови х радиальной симметрии теплового пол  и при наличии линейного осевого градиента температуры в камере охлаждени , равного 15-50 град/см. 2. Устройство дл  осуществлени  способа по П.1, включающее камеру роста с тиглем внутри, снабженную индуктором дл  нагрева, камеру охлаждени , размещенную над ней и снабженную теплоизолирующей системой с платиновым экраном, установленным над тиглем , смотровое окно, выполненное в стенке камеры охлаждени , и автоматическую систему контрол  диаметра а геа  кристалла, отличающеес  ttisaa тем, что платиновый экран выполнен диаметром 0,85-0,7 и высотой 1,2-1,,8 диаметра тигл  и установлен над кромкой тигл  на рассто нии 0,1-0,3 диаметра экрана, верхний виток индуктора О удален от соседнего витка на,рассто ние 0,35-0,t диаметра тигл , смотровое окно имеет квадратное сечение с размером не более 0,1 диаметра тигл  и выполнено непосредственно над кромкой тигл , а тигель установлен на полой подставке.

Description

Изобретение относитс  к области получени  монокристаллов оксидов, таких например, как ниобат лити , нашедших в силу своих оптическихI

свойств широкое применение в акустике , радиотехнике, квантовой электронике . Изобретение может быть использовано в химической промышленности дл  полумени  кристаллов повышенного оптического качества. Широко известен способ выращивани  монокристаллов ниобата лити . Мо нокристаллические були посто нного диаметра выращивают из наход щегос  в тигле расплава. Изменение диаметра посто нно компенсируют путем регулировани  мощности нагревател , от которого к расплаву подводитс  тепло. Затравливание кристалла осуществл ют на ориентированную затравку путем погружени  ее в расплав. Придают затравке вертикальное. перемещение с посто нной cкopoctью. Разращивание кристалла до заданного диаметра осуществл ют вручную. Дл  получени  качественного монокристалла процесс ве дут как можно более равномерно. Изме нение теплового баланса производ т вручную путем регулировки подводимой энергии к нагревателю, используе мой дл  нагрева расплава с визуальным контролем условий роста. Оператор , производ щий.регулировку, долже быть достаточно опытным, поскольку необходимо очень тщательно регулировать МОЩНОСТЬ с тем, чтобы диаметр кристалла был как можно ближе к требуемой величине. Дл  выращивани  кристалла с посто нным диаметром по всей длине, оператору необходимо непрерывно производить регулировку под водимой энергии к нагревателю. Недостатком известного способа  в л етс  его низка  эффективность, осо бенно при продолжительном наблюдении При этом решени  о необходимых действи х по регулированию могут быть прин ты лишь по истечении определенного времени, в пределах которого тепловые услови  роста могут снова изменитьс . Регулировка производитс  слишком редко, и при этом возникают дефекты. Известно устройство дл  выращивани  монокристаллов по Чохральскрму. Устройство содержит тигель с расплавом , цилиндрический платиновый экран нагрев которого производитс  от двух трех дополнительных витков индуктора удаленных от основных витков, греющих тигель, CMotpoBoe окно дл  визуального контрол  за ростом кристалла , теплоизол ционную систему. Недостатком такого устройства  вл  втс  наличие смотрового окна доста точно больших размеров, которое иска жает симметрию теплового пол  в ростйвой системе. При ручном разращивании кристалла от затравки до требуемой величины диаметра кристалла практически невозможно получать кристаллы одного и того же диаметра. Известен способ выращивани , в котором управление процессом роста кристалла осуществл ют путем программного изменени  подводимой энергии к нагревателю. Величину и характер изменени  подводимой энергии к нагревателю во времени определ ют на основе данных предыдущих опытов по выращиванию кристаллов. Малейшее отличие в этом случае тепловых условий от предыдущего опыта приводит к несоответствию программы с конкретными услови ми роста, вследствие чего происходит отклонение диаметра от заданного . Следует заметить, что основной причиной, привод щей к изменению диаметра кристалла,  вл етс  изменение таплоотвода от кристалла по мере опускани  зеркала расплава и перемещение растущей части кристалла относительно стенок тигл . Величина и характер изменени  тепловых условий в ходе роста кристалла в основном завис т от конструкции кристаллизационного устройства. Малейшее изменение в расположении деталей кристаллизационного устройства, а также в начальном уровне расплава в тигле требует новой программы изменени  подводимой энергии к нагревателю . В св зи с этим регулирование подводимой энергии к нагревателю по программе не нашло промышле нного применени . Устройство дл  осуществлени  этого способа аналогично устройству при ручном управлении, так как необходима коррекци  Программы на основании визуального контрол . Известны более прогрессивные способы выращивани  монокристаллов, в которых посто нный диаметр поддерживают автоматически путем регулировани  подводимой энергии к нагревателю на основании пр мой или косвенной информации об изменении диаметра кристалла. Устройство дл  осуществлени , этих способов содержит след цую систему, котора  в процессе роста кристалла непрерывно следит за контролируемым параметром.и, если этот параметр отклон етс  от задан5

ной величины, то регулируют подводимую энергию к нагревателю так, чтобы контролируемый параметр измен лс  в соответствии с заданной величиной. В качестве контролируемых параметров в косвенных методах могут быть изменение веса кристалла во времени, изменение массы расплава во времени, а также изменение убывани  расплава в тигле. Хот  с помощью этих способов и удаетс  получить кристалл со сравнительно небольшими отклонени ми от заданного диаметра в процессе роста, однако при этом не достигаетс  более важна  цель - высока  оптическа  однородность . Это св зано с тем, что в процессе выт гивани  кристалла из расплава вследствие опускани  уровн  расплава и уменьшени ,теплоотвода от поверхности растущего кристалла происходит изменение тепловых условий. В результате чего при регулировании посто нства диаметра производитс  коррекци  температуры расплава. Изме нение условий теплоотвода от кристалла и температуры расплава приводит к неоднородност м и ухудшению качества кристалла, так как при этом в процессе роста измен ютс  величина и харак тер температурных напр жений в кристалле , и в соответствии с диаграммой состо ни  измен етс  состав растущего кристалла. Способы роста, в которых дл  посто нства диаметра растущего кристалла, кроме коррекции температуры , примен етс  еще и коррекци  по скорости выт гивани , не исключают эти недостатки, а еще больше их усугубл ют, так как при этом и скусственно внос тс  еще большие изменени  э процесс роста.

Известен способ, в котором процесс выращивани  кристаллов ниобата лити  ведут автоматически. Платформа с тиглем и расплавом непрерывно взвешиваетс  на электронных весах. Сигнал весов непрерывно фиксируетс  на ленте самописца и используетс  дл  регулировки подводимой энергии к нагревателю . Процесс выращивани  включает затравливание, соприкосновение ориентированной затравки с расплавом, что фиксируетс  по изменению веса, частичное погружение затравки в расплав , разрзщивание (диаметра) верхнего конуса кристалла, наращивание цилиндрической части кристалла, автома1 О ,6

тическое регулирование с помощью след щей системы.

Посто нное вмешательство след щей системы в процесс выращивани  обусловливает основной недостаток известного способа и устройства автоматического управлени  процессом роста монокристаллов, так как посто нное вмешательство приводит к искусственным колебани м температуры расплава, св занным с самим управлением. В сво очередь, колебани  температуры отрицательно сказываютс  на оптической однородности кристалла и снижают выход годных кристаллов.

Применение кристаллов ниобата лити  в квантовой электронике предъ вл ет к качеству кристаллов повышенные требовани , особенно к однородности структуры кристалла по высоте. Искусственные колебани  температуры расплава, возникающие в процессе автоматического управлени  процессом роста, привод т к ухудшению этой важной характеристики.

Целью изобретени   вл етс  исключение колебаний температуры в процессе выт гивани  и повышени  за счет этого выхода годных кристаллов.

Указанна  цель достигаетс  тем, что затравливание ведут из. расплава, уровень - которого находитс  ниже кромки тигл  на величину О,35-0;15 его диаметра, разращивание ведут из расплава , уровень которого находитс  кромки тигл  на величину 0,,15 его диаметра, разращивание ведут при ускорении изменени  регулируемого параметра , а выт гивание кристалла ведут при посто нной величине мощности , подводимой к нагревателю, в услови х радиальной симметрии теплового пол  и при наличии линейного осевого градиента температуры в камере охлаждени , равного 15-50 град/см.

В устройстве дл  осуществлени  способа платиновый экран выполнен диаметром 0,85-0,7 и высотой 1,2-1,8 диаметра тигл  и установлен над кромкой тигл  на рассто нии 0,1-0,3 диаметра экрана, верхний виток индуктора удален от соседнего витка на рассто ние 0,, диаметра тигл , смотровое окно имеет квадратное сечение с размером не более 0,1 диаметра тигл  и выполнено непосредственно над кромкой тигл , а тигель установлен на полой подставке. 7 Предложенна  конструкци  создает услови  термической симметрии. Это достигаетс  установкой тигли в индук торе, конструкцией индуктора, устап новкой теплового экрана относительно тигл  и его габаритами, расположение и размерами смотрового окна (смотровое окно необходимо только на этапе затравливани ) относительно кромки тигл , первоначальным уровнем распла ва в тигле, оголенным дном тигл . Пр этом выращивание кристалла на началь ном участке ведетс  путем коррекции подводимой энергии к нагревателю (разращивание верхнего конуса кристалла ), а цилиндрическа  часть растет без изменени  мощности нагревате л  и скорости выт гивани . Автоматическое разращивание верхнего конуса кристалла ведут путем кор рекции подводимой энергии на основании информации об изменении уровн  расплава (или массы расплава). На этом участке производитс  автоматическое разращивание верхнего конуса кристалла дл  того, чтобы сформировать кристалл нужного диаметра, причем разращивание ведут с ускорением регулируемого параметра роста (уровн  расплава или массы расплава) линейно уменьшающимс  во времени до ну левого значени . Такое разращивание обеспечивает плавный выход на заданный диаметр без дальнейших переколебаний диаметра кристалла. После того как след ща  система выведет кристалл на заданный диаметр и начнетс  наращивание цилиндрической части кристалла, ее отключают и дальнейший рост проводитс  при посто нной подводимой к нагревателю энергии. Отклю чение необходимо дл  того, чтобы сле д ща  система в процессе управлени  не вносила искусственных коле;баний температуры расплава, а услови  роста с помощью предлагаемого устройства при этом подобраны такими, что тепловой баланс на границе кристаллизации в процессе роста остаетс  по сто нным и с этого момента формирование диаметра кристалла будет проис ходить при стабильно подводимой к на гревателю энергии., На чертеже приведено кристаллизационное устройство, обеспечивающее выращивание кристалла предлагаемым способом. О8 Тигель 1 устанавливают в изол ци- , онную систему, состо щую из двух циркониевых цилиндров 2, 3, на циркониевое кольцо . Цилиндры 2, 3 и кольцо k устанавливают на циркониевый круг 5 толщиной 20 мм. Зазор между стенками тигл  1 и внутренним цилиндром 2 устанавливают равным 3k мм. Дно тигл  не утепл ют. На цилиндр 2 устанавливают циркониевую трубу 6, внутри которой устанавливают платиновый экран 7. Причем диаметр экрана на 10 мм меньше диаметра тигл . Экран 7 устанавливают от верхней кромки тигл  на рассто нии J-8 мм. б нижней части трубы 6 над кромкой тигл  устанавливают смотровое окно 8 размером мм. Окно закрывают кварцевым стеклом. На цилиндр 3 устанавливают циркониевую трубу 9. Причем труба 9 выше экрана 7 на 20 мм. На экран 7 устанавливают платиновую крышку 10, а на трубу 8 - циркониевую крышку 11. Дополнительный виток 12 индуктора удал ют от верхнего витка основного индуктора 13 на рассто нии 23-26 мм. Основной верхний виток « индуктора устанавливают выше кромки тигл  на рассто нии 7-9 мм. Затравливание кристалла осуществл ли на ориентированной затравке 1Ц . из расплава, уровень которого находилс  ниже верхней кромки тигл  1 на 8 мм. Первоначальный уровень расплава в тигле 1 по отношению к верхней кромке тигл  должен.находитьс  в пределах 0,35-0,15 его диаметра. При затравливании из полного расплавом тигл  (рассто ние от кромки тигл  меньше 0,15 его диаметра) требуетс  дл  поддержани  посто нного диаметра кристалла значительна  коррекци  подводимой энергии к нагревателю , что отрицательно скажетс  на Качестве кристалла . При затравливании из расплава, уровень которого ниже кромки тигл  на 0,35 его диаметра, будет сказыватьс  сильное экранирующее вли ние стенок тигл  и процесс роста кристалла будет происходить из переохлажденного расплава, что также скажетс  на качестве кристалла. Смотровое окно необходимо только на.этапе затравливани . Оно закрыто кварцевым стеклом. Дальше провод т разращивание кристалла автоматически с помощью след щей системы. Кристалл после стадии разращивани  перекрывает смотровое окно. 9 после чего оно не вли ет на изменени тепловых условий роста. Разращивание осуществл ют с ускорением регулируемого параметра (уров н  расплава), линейно уменьшающимс  во времени до нулевого значени . Такое paзpau ивaниe обеспечивает плавный переход с конусной части кристалла на цилиндрическую. После выхода кристалла на заданный диаметр отключают след щую систему. Последующий рост кристалла ведут при посто нных Подводимой к нагревателю энергии и скорости вытйгивани . Выбранное расположение верхнего витка индуктора, экрана и размеры экрана позвол ют создать линейно мен ющийс  осевой температурный градиент над расплавом . Дно тигл  1 специально не утепл етс  циркониевой кромкой. Это приводит к тому, что в процессе роста кристалла по мере убывани  уровн  расплава в тигле усиливаетс  экранирующее вли ние оголенных стенок тигл , которое уменьшает теплоотвод от кристалла. Дл  того, чтобы в этих ус лови х сохранить неизменным тепловой баланс на границе кристаллизации без изменени  скорости выт гивани  и диа метра кристалла, необходимо уменьшать тепловой поток из расплава. Тепловой поток по кристаллу состоит из скрытой теплотЬ кристаллизации и теплового потока из расплава. OK п От где Q - тепловой поток по кристаллу 0 - скрыта  теплота кристаллизации, тепловой поток из расплава. . Уменьшение теплового потока из расплава в процессе роста кристалла достигаетс  неутепленным дном тигл , так как зеркало расплава по мере превращени  жидкой фазы расплава в твердую приближаетс  к дну тигл , и перепад температуры между поверхностью расплава и дном уменьшаетс . Расположением тигл  в индукторе, при котором его кромка находитс  ниже 010 верхнего витка индуктора на 0,1-0,25 диаметра тигл , обеспечивают равномерный нагрев тигл  высокочастотным полем. Выращенные в этих услови х кристаллы имеют высокую оптическую однородность . Их качество значительно выше . Отсутствуют термические напр жени , что увеличивает выход годных кристаллов. В цел х сравнени  оптических характеристик и выхода качественных кристаллов было проведено 11 кристаллизации предлагаемым способом и столько же согласно утвержденному регламенту. Оптическое качество оценивалось по величине аномальной двуосности V, котора  дл  случа  тригонального кристалла, каковым  вл етс  ниобат лити , должна отсутствовать. По современным требовани м эта величина не должна превышать 90. Сравнительные данные по выращиванию монокристаллов представлены в таблице. Предлагаемый Утвержденный регспособ ламент k були треснули в Все були целые процессе охлажде6 кристаллов ни  имели 2V 90 5 остальных 1 кристалл имел 2V ТОО 2V 120 остальные 6 2V i 130 Предлагаемый способ эффективен не только дл  получени  кристаллов ниобата лити , он может быть применен дл  выращивани  других оксидов методом Чохральского.