Изобретение относится к технологии получения монокристалла, в частности к устройству для получения монокристалла и способу, предназначенному для получения монокристалла вытягиванием вниз, а также непосредственно к монокристаллу.
Уровень техники
В последние годы в производстве различных устройств, основанных на применении поверхностных акустических волн (ПАВ-устройств), использовали монокристаллы оксидов, таких как танталат лития LiTaO3, ниобат лития LiNbO3, тетраборат лития Li2B4O7 и лангасит Lа3Gа5SiO14 (обозначенные далее соответственно как ТЛ, НЛ, БКЛ и ЛГК). Они относятся к пьезоэлектрическим кристаллам, у которых коэффициент электромеханической связи больше, чем у субстрата из кристаллического кварца. БКЛ и ЛГК имеют угол среза с нулевым температурным коэффициентом. Поэтому при применении этих монокристаллов в устройстве, использующем поверхностные акустические волны, терминалы, например портативный телефон, уменьшаются в размерах и приобретают более высокие функциональные свойства. В кристаллах ТЛ и НЛ стехиометрическое отношение Li к Та или Li к Nb составляет 1:1. Имеющие такой состав кристаллы пригодны для оптических материалов, поскольку они, не имея в своих решетках дефектов или запрещенных зон, представляют собой идеальную кристаллическую структуру, а постоянство показателя преломления этих кристаллов исключает возбуждение диффузного отражения.
Методы выращивания вышеуказанных монокристаллов в грубом приближении подразделяются на три метода, а именно метод Чохральского, вертикальный метод Бриджмена (ВБ метод) и метод вытягивания вниз.
Как показано на фиг.6, метод Чохральского (способ вытягивания с вращением) заключается в закладке сырья, подлежащего кристаллизации, в платиновый тигель 41, нагреве сырья до его точки плавления или выше в электрической печи 42 с получением расплава, погружении нижнего конца затравочного кристалла 44, имеющего форму стержня, в полученный продукт 43 и вытягивании кристалла с медленным вращением таким образом, чтобы осуществлялся рост кристалла 45 от нижнего конца затравочного кристалла 44.
Как показано на фиг.7, вертикальный метод Бриджмена заключается в закладке сырья, подлежащего кристаллизации, в платиновый тигель 51, нагреве сырья до его точки плавления или выше в электрической печи 52 с получением расплава, помещении затравочного кристалла 53, имеющего форму пластины, одним его концом в платиновый тигель 51 и медленном перемещении платинового тигля 51 (с удержанием впереди него грани затравочного кристалла 53) в направлении от зоны высокой температуры к зоне низкой температуры в режиме, при котором внутри электрической печи 52 образуется температурный градиент, обеспечивающий успешный рост кристалла от грани затравочного кристалла 53.
Метод вытягивания вниз представляет собой способ выращивания монокристалла, опубликованный одним из авторов настоящего изобретения в работе, опубликованной в Journal of the Ceramic Society of Japan 105 [7] 1997. Как показано на фиг.8, этот способ заключается в закладке поликристаллического сырья в платиновый тигель 61, имеющий в своем дне небольшое отверстие 61а, помещении указанного тигля с целью плавления сырья в позицию максимального градиента внутри электрической печи 62, у которой верхняя зона выдерживается при температуре, превышающей точку плавления сырья, а нижняя - при температуре ниже этой точки, и вытягивании затравочного кристалла 63 вниз с вращением в положении, при котором верхний конец затравочного кристалла 63, имеющий форму стержня, вводится в контакт с расплавом сырья, вытекающим под действием силы тяжести из небольшого отверстия 61а платинового тигля 61.
Согласно этому способу рост кристалла обеспечивается удерживанием расплава сырья между платиновым тиглем 61 и затравочным кристаллом 63 за счет как смачивающих свойств расплава сырья относительно тигля 61, причем указанный расплав является расплавом, вытекающим из небольшого отверстия 61а в дне платинового тигля 61, так и за счет поверхностного натяжения расплава.
Обычно такие кристаллы как НЛ, ТЛ и ЛГК выращивают методом вытягивания с вращением (метод Чохральского), а БКЛ - главным образом вертикальным методом Бриджмена (ВБ метод). Однако БКЛ может быть выращен и методом Чохральского.
Тем не менее, обычные способы выращивания монокристаллов, типичным представителем которых является метод Чохральского, сталкиваются со следующими проблемами.
В зависимости от точек плавления материалов сырья, для выращивания НЛ обычно необходим платиновый тигель, а для выращивания ТЛ и ЛГК - иридиевый тигель. В зависимости от размера кристалла для выращивания кристаллов диаметром 7,5 см и 10 см необходимы тигли весом соответственно приблизительно 4 кг и приблизительно 5 кг. Если для поддержания постоянной температуры роста используют тепловой экран, возникает необходимость в 1-2 кг благородного металла, такого как платина и иридий. Т.к. такой благородный металл применяют в большом количестве, с точки зрения стоимости это выглядит очень обременительным.
Обычные методы, или способы реализуют так называемым порционным образом, при котором необходимо не только вытягивание монокристалла из тигля и его рост, но и плавление в тигле значительного избытка монокристалла с выдерживанием его общего количества при температуре выше точки плавления. Это накладывает ограничения на увеличение диаметра вытягиваемого кристалла и на увеличение его длины. Кроме того, по мере увеличения кристалла существенно увеличивается электрическая мощность, потребляемая нагревателем и т.п.
Такие кристаллы, как НЛ и ТЛ, имеют широкий диапазон твердых растворов. Т.к. их химический состав характеризуется от состава соответствующего им расплава, между начальным и конечным периодами роста кристаллов он легко изменяется. Если, например, температуру и молярное отношение (%) оксида лития (LiО2) отложить соответственно по вертикальной и горизонтальной осям, диаграмма состояния (фазовая диаграмма) ТЛ будет иметь вид, показанный на фиг.9. Когда для изготовления ПАВ-устройств используют монокристаллы с неоднородными составами, характеризующие их значения скорости распространения волны и пьезоэлектрических констант приобретают разброс, что приводит к уменьшению выхода годных изделий.
В случае метода Чохральского в качестве обработки, предваряющей помещение сырья в тигель, проводят реакционные и высокотемпературные обработки, такие как смешивание материалов сырья пентоксида тантала Ta2O5 и карбоната лития Li2СО3, спекание, растирание и прессование. Поэтому на стадии подготовки сырья состав изменяется за счет испарения оксида лития Li2O и т.п. веществ, имеющих высокое давление паров. Кроме того, на состав конечного кристалла влияет испарение специфических веществ на стадии роста кристалла.
В случае метода Чохральского монокристаллический стержень выращивают с помощью стадий введения затравок, получения головной части, а затем роста основной части (тела) кристалла. Однако на выращивание основной части уходит много времени. Кроме того, для получения основных частей, разброс диаметров которых невелик, необходимо дорогостоящее устройство АКД (автоматического контроля диаметров), что увеличивает стоимость продукции.
Как можно заключить из фиг.9, такие кристаллы, как НЛ и ТЛ, кристаллизуются в состав, конгруэнтный их расплаву, при Т1, являющейся наивысшей температурой в том случае, когда жидкая фаза превращается в твердую. Когда расплав Li и Nb закладывают в тигель и вытягивают затравочный кристалл по мере роста кристалла по методу Чохральского, первоначальный рост кристалла (кристалла, содержащего Nb в количестве, большем чем количество Li) происходит в состоянии его конгруэнтного состава, облегчающем кристаллизацию. Однако Li и Nb предварительно смешивают в тигле в пропорции 1 к 1, так что по мере роста кристалла количество Nb в расплаве становится меньше количества Li. В результате кристалл, в котором содержание Li превышает количество Li в конгруэнтном составе, растет в условиях медленной кристаллизации. Т.е. в монокристалле образуются зоны, имеющие отличающиеся составы.
В соответствии с этим в случае метода Чохральского расплав предварительно составляют таким образом, чтобы он имел конгруэнтный состав, и указанный метод применяют для выращивания конгруэнтного кристалла. Однако в этом случае расплав не всегда имеет однородный состав. Таким образом, состав легко приобретает разброс. То же имеет место также и в случае метода Бриджмена. Поскольку нужно, чтобы все необходимые материалы были заложены в тигель предварительно, избежать разброса нельзя. Поэтому трудно вырастить кристаллы, составы которых отличаются от конгруэнтного состава, т.е. являются инконгруэнтными (включая стехиометрический состав).
Конгруэнтные составы НЛ и ТЛ имеют следующий вид:
Li/(Li+Nb)•100=48% и
Li/(Li+Ta)•100=48%.
Следовательно, проблема получения кристалла, имеющего инконгруэнтный состав (компонентное отношение Li равно от 48,5 до 50,0% в случае, например, НЛ или ТЛ), до настоящего времени неизбежно приводила к необходимости использовать другие способы. Например, существует способ выращивания монокристалла, известный под именем "способа двойного тигля". Однако, как хорошо известно, диаметр кристалла, который можно вырастить этим способом, небольшой и ограничен приблизительно 2,5 см. Для областей применения, в которых в качестве пьезоэлектрических или оптических материалов ПАВ устройств или аналогичных им используют НЛ и ТЛ, с точки зрения производительности желателен монокристалл большего размера. Возникла потребность разработать способ выращивания кристалла, позволяющий при низкой стоимости вырастить большой монокристалл, имеющий стабильный состав и диаметр, превышающий 2,5 см.
В настоящее время стандартным способом для выращивания монокристалла БКЛ является вертикальный метод Бриджмена. В этом способе для выращивания кристалла БКЛ необходимо каждый раз приготавливать платиновый тигель заново. Таким образом, возникает проблема высоких стоимостей продукции.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение было разработано с учетом отмеченных проблем. Задача, которую было необходимо решить, заключается в разработке устройства для получения монокристалла и способа получения монокристалла, позволяющих получить монокристалл, имеющий стабильный состав, большой диаметр и большую длину при низкой стоимости, а также в обеспечении получения монокристалла НЛ, монокристалла ТЛ или других кристаллов, имеющих диаметр, превышающий 2,5 см, и стабильный состав.
Устройство для получения монокристалла, раскрытое в п.1 формулы изобретения, представляет собой устройство для получения монокристалла, предназначенное для выращивания кристалла путем установки тигля для плавления сырья в электрическую печь, выдерживания тигля при температуре не ниже точки плавления сырья и вытягивания вниз с одновременным вращением затравочного кристалла в положении, при котором верхняя концевая часть затравочного кристалла приводится в контакт с расплавом сырья, вытекающим из небольшого отверстия в нижней части тигля. Устройство характеризуется тем, что оно содержит средства загрузки порошкообразного сырья, предназначенные для введения порошкообразного сырья в тигель сверху, и пластину, расположенную до зоны расплава и предназначенную для приема порошкообразного сырья из указанных средств и плавления его с последующим введением расплава в часть тигля, собирающую расплав.
При использовании подобного устройства для получения монокристалла порошкообразное сырье загружают на расположенную до зоны расплава пластину с помощью средств загрузки порошкообразного сырья, а затем порошкообразное сырье расплавляют на расположенной до зоны расплава пластине с образованием расплава сырья и вводят расплав сырья в зону тигля, собирающую расплав, сохраняя существенно постоянным количество расплава сырья, вытекающее из небольшого отверстия в дне тигля. Таким образом может осуществляться рост кристалла при непрерывной загрузке расплава сырья в тигель. Поэтому появляется возможность легко получить монокристалл, имеющий большой диаметр и большую длину. Процесс выращивания кристалла из порошкообразного сырья может осуществляться непрерывно, так что состав полученного монокристалла становится стабильным. После первичных вложений средств дорогостоящие составляющие элементы, такие как платиновый тигель, могут быть использованы полуперманентно. В результате производственные затраты можно сделать низкими.
Устройство для получения монокристалла, раскрытое в п.2 формулы изобретения, характеризуется тем, что включенные в п.1 средства загрузки порошкообразного сырья содержат бункер порошкообразного сырья, предназначенный для приема порошкообразного сырья, средства введения осушенного воздуха, предназначенные для введения осушенного воздуха в порошкообразное сырье внутри указанного бункера порошкообразного сырья, и средства переноса порошкообразного сырья, предназначенные для переноса порошкообразного сырья из указанного бункера порошкообразного сырья на пластину, расположенную до зоны расплава.
В случае использования данного устройства для получения монокристалла введением осушенного воздуха в порошкообразное сырье с целью удаления влаги из порошка сырья можно предотвратить вызванную влагой конденсацию порошка сырья и стабильно загружать порошкообразное сырье, имеющее постоянное отношение компонентов, на расположенную до зоны расплава пластину.
Устройство для получения монокристалла, раскрытое в п.3 формулы изобретения, характеризуется тем, что расположенная до зоны расплава пластина вместе с тиглем установлена внутрь электрической печи, а средства переноса сырья содержат транспортную трубу, один конец которой связан с бункером порошкообразного сырья, а другой вставлен в электрическую печь, для переноса порошкообразного сырья на расположенную до зоны расплава пластину, и охлаждающие средства для наружного охлаждения указанной транспортной трубы.
Благодаря наличию указанных признаков структура устройства может быть сделана достаточно простой, т. к. тигель и расположенную до зоны расплава пластину можно нагревать от одной и той же электрической печи. Более того, охлаждением транспортной трубы переноса порошкообразного сырья от участка вне электрической печи на расположенную до зоны расплава пластину внутри электрической печи можно предотвратить плавление порошкообразного сырья в середине транспортной трубы и заполнение транспортной трубы.
Устройство для получения монокристалла, раскрытое в п.4 формулы изобретения, представляет собой устройство, предназначенное для выращивания кристалла посредством установки тигля для плавления сырья в электрическую печь, выдерживания тигля при температуре не ниже точки плавления сырья и вытягивания вниз с одновременным вращением затравочного кристалла в положении, при котором верхняя концевая часть затравочного кристалла приводится в контакт с расплавом сырья, вытекающим из небольшого отверстия, проделанного в нижней части тигля. Устройство характеризуется тем, что оно содержит камеру плавления сырья, предназначенную для плавления порошкообразного сырья (сырья в порошкообразном состоянии) с образованием расплава сырья, средства загрузки порошкообразного сырья, предназначенные для введения порошкообразного сырья в указанную камеру плавления сырья, и средства введения расплава сырья, предназначенные для введения расплава сырья, находящегося внутри камеры плавления сырья, в тигель.
При использовании подобного устройства для получения монокристалла порошкообразное сырье загружают в камеру плавления сырья с помощью средств загрузки порошкообразного сырья и расплавляют сырье в камере плавления сырья с образованием расплава сырья. Этот расплав сырья вводят с тигель с помощью средств введения расплава сырья. Таким образом, кристалл может расти одновременно с загрузкой расплава сырья в тигель. Поэтому рост кристалла может происходить в условиях, когда количество расплава в тигле от момента начала роста кристалла до конца этого процесса выдерживается существенно постоянным для поддержания количества расплава сырья, вытекающего из небольшого отверстия в нижней части тигля.
Устройство для получения монокристалла, представленное в п.5 формулы изобретения, характеризуется тем, что указанные в п.4 средства загрузки порошкообразного сырья содержат бункер порошкообразного сырья, предназначенный для получения порошкообразного сырья, средства введения осушенного воздуха, предназначенные для введения осушенного воздуха в порошкообразное сырье внутри указанного бункера порошкообразного сырья, и средства переноса сырья, предназначенные для переноса порошкообразного сырья из указанного бункера порошкообразного сырья в камеру плавления сырья.
В случае использования данного устройства для получения монокристалла введением осушенного воздуха в порошкообразное сырье с целью удаления влаги из порошка сырья можно предотвратить вызванную влагой конденсацию сырья и стабильно загружать порошкообразное сырье, имеющее постоянное отношение компонентов.
Устройство для получения монокристалла, раскрытое в п.6 формулы изобретения, характеризуется тем, что камеру плавления сырья, включенную в п.5, вместе с тиглем устанавливают внутрь электрической печи, а средства переноса сырья содержат транспортную трубу, один конец которой связан с бункером порошкообразного сырья, а другой вставлен в электрическую печь, для переноса порошкообразного сырья в камеру плавления сырья, и охлаждающие средства для наружного охлаждения указанной транспортной трубы.
Благодаря наличию указанных признаков структура устройства может быть сделана достаточно простой, т.к. тигель и камеру плавления сырья можно нагревать от одной и той же электрической печи. Более того, охлаждением транспортной трубы, предназначенной для переноса порошкообразного сырья от участка вне электрической печи в камеру плавления сырья внутри электрической печи можно предотвратить плавление порошкообразного сырья в середине транспортной трубы и заполнение транспортной трубы.
Устройство для получения монокристалла, раскрытое в п.7 формулы изобретения, характеризуется тем, что камера плавления сырья установлена над тиглем, а средства введения расплава сырья содержат направляющий компонент, предназначенный для переноса по его поверхности расплава сырья, вытекающего наружу и стекающего вниз из небольшого отверстия, проделанного в нижней части камеры плавления сырья, для направления расплава в тигель.
Благодаря применению указанного устройства по настоящему изобретению расплав сырья, вытекающий из нижней части камеры плавления сырья, переносится по поверхности направляющего компонента и опускается под действием собственного веса таким образом, чтобы загрузиться в тигель. Остающиеся в расплаве сырья вода или примеси, прежде чем попасть в тигель, испаряются и удаляются теплом, исходящим от электрической печи.
Способ получения монокристалла согласно п.8 формулы изобретения обеспечивает выращивание кристалла посредством установки тигля для плавления сырья в электрическую печь, выдерживания тигля при температуре не ниже точки плавления сырья и вытягивания вниз с одновременным вращением затравочного кристалла в положении, при котором верхняя концевая часть затравочного кристалла приводится в контакт с расплавом сырья, вытекающим из небольшого отверстия, проделанного в нижней зоне тигля. Предложенный способ характеризуется тем, что выращивание кристалла осуществляют при непрерывной загрузке расплава сырья в тигель с целью поддержания количества расплава сырья, вытекающего из небольшого отверстия в нижней части тигля, существенно постоянным путем установки пластины, расположенной до зоны расплава, внутри электрической печи внутри тигля или над ним, загрузки порошкообразного сырья в соответствующем количестве каждый раз из бункера порошкообразного сырья вне электрической печи на расположенную до зоны расплава пластину через транспортную трубу таким образом, чтобы расплавить порошкообразное сырье на расположенной до зоны расплава пластине, и введения расплава в часть тигля, собирающую расплав.
Согласно вышеуказанному способу можно легко получить монокристалл, имеющий большой диаметр и большую длину. Более того, полученный кристалл может иметь стабильный состав, т.к. процесс выращивания кристалла из порошкообразного сырья проводится непрерывно.
Способ получения монокристалла согласно п.11 формулы изобретения обеспечивает выращивание кристалла посредством установки тигля для плавления сырья в электрическую печь, выдерживания тигля при температуре не ниже точки плавления сырья и вытягивания вниз с одновременным вращением затравочного кристалла в положении, при котором верхняя концевая часть затравочного кристалла приводится в контакт с расплавом сырья, вытекающим из небольшого отверстия, проделанного в нижней части тигля. Предложенный способ характеризуется тем, что выращивание кристалла осуществляют одновременно с непрерывной загрузкой расплава сырья в тигель с целью поддержания существенно постоянным количества расплава сырья, вытекающего из небольшого отверстия в нижней части тигля, путем установки камеры плавления сырья над тиглем внутри электрической печи, загрузки порошкообразного сырья в соответствующем количестве каждый раз из бункера порошкообразного сырья, находящегося вне электрической печи, в камеру плавления сырья через транспортную трубу таким образом, чтобы расплавить порошкообразное сырье в камере плавления сырья, и последующего введения расплава в зону тигля, собирающую расплав.
Согласно вышеуказанному способу можно легко получить монокристалл, имеющий большой диаметр и большую длину. Более того, полученный кристалл может иметь стабильный состав, т.к. процесс выращивания кристалла из порошкообразного сырья проводится непрерывно.
Способ получения монокристалла согласно п.9 или 12 формулы изобретения характеризуется тем, что порошкообразное сырье, примененное в способе по п.8 или 11, представляет собой порошкообразное сырье, содержащее смесь порошка лития (Li) и порошка ниобия (Nb), а компонентное отношение лития к общему количеству лития и ниобия в порошкообразном сырье составляет от 48,5 до 50,0%.
Согласно данному способу можно получить монокристалл ниобата лития (LiNbO3) с инконгруэнтным составом расплава, имеющий компонентное отношение лития к общему количеству лития и ниобия от 48,5 до 50,0% и диаметр 3 см или более.
Способ получения монокристалла согласно п.10 или 13 формулы изобретения характеризуется тем, что порошкообразное сырье, примененное в способе по п.8 или 11, представляет собой порошкообразное сырье, содержащее смесь порошка лития (Li) и порошка тантала (Та), а компонентное отношение лития к общему количеству лития и тантала в порошкообразном сырье составляет от 48,5 до 50,0%.
Согласно данному способу можно получить монокристалл танталата лития (LiTaO3) с инконгруэнтным составом расплава, имеющий компонентное отношение лития к общему количеству лития и тантала от 48,5 до 50,0% и диаметр 3 см или более.
Монокристалл согласно п.14 формулы изобретения представляет собой монокристалл с инконгруэнтным составом расплава и диаметром 3 см или более.
Монокристалл согласно п.17 формулы изобретения - это монокристалл с инконгруэнтным составом расплава, который представляет собой ниобат лития (LiNbO3), а компонентное отношение лития к общему количеству лития и ниобия, содержащемуся в нем, составляет от 48,5 до 50,0%.
Монокристалл согласно п.15 формулы изобретения - это монокристалл по п. 14 с инконгруэнтным составом расплава, который представляет собой танталат лития (LiTaO3), а компонентное отношение лития к общему количеству лития и тантала, содержащемуся в нем, составляет от 48,5 до 50,0%.
Монокристалл согласно п. 16 или 19 формулы изобретения характеризуется тем, что имеет характеристики согласно любому из пп.14, 15, 17 и 18, а разброс значений его точки Кюри составляет±2oС или менее.
Монокристалл согласно п.17 формулы изобретения - это монокристалл ниобата лития, характеризующийся тем, что имеет диаметр 3 см или более. При этом компонентное отношение лития к общему количеству содержащихся в данном монокристалле лития и ниобия составляет от 48,5 до 50,0%.
Монокристалл согласно п.18 формулы изобретения - это монокристалл согласно п.17 с диаметром 3 см или более.
Монокристалл согласно п. 20 формулы изобретения представляет собой монокристалл с инконгруэнтным составом расплава, полученный способом по любому из пп.8-13. При этом диаметр монокристалла составляет 3 см или более.
Перечень фигур чертежей
Фиг. 1 (а) представляет собой схематичное изображение общего вида одного из вариантов осуществления устройства для получения монокристалла согласно настоящему изобретению, фиг.1(b) - фрагмент увеличенного поперечного сечения устройства, показанного на фиг.1(а).
Фиг. 2 представляет собой поперечное сечение главной части другого варианта осуществления устройства для получения монокристалла согласно настоящему изобретению.
Фиг. 3 представляет собой поперечное сечение главной части еще одного варианта осуществления устройства для получения монокристалла согласно настоящему изобретению.
Фиг. 4 представляет собой поперечное сечение главной части следующего варианта осуществления устройства для получения монокристалла согласно настоящему изобретению.
Фиг. 5(а) представляет собой схематичное изображение общего вида дополнительного варианта осуществления устройства для получения монокристалла согласно настоящему изобретению, а фиг.5(b) и (с) - фрагменты увеличенного поперечного сечения устройства, показанного на фиг.5(а).
Фиг. 6 представляет собой схему для объяснения действия одного из примеров обычных устройств для получения монокристалла.
Фиг. 7 представляет собой схему для объяснения действия одного из примеров обычных устройств для получения монокристалла.
Фиг. 8 представляет собой схему для объяснения действия одного из примеров обычных устройств для получения монокристалла.
Фиг.9 представляет собой фазовую диаграмму танталата лития.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Более подробно настоящее изобретение будет описано с помощью вариантов осуществления, показанных на чертежах.
(Первый вариант осуществления)
Фиг. 1(а) представляет собой схематичное изображение общего вида одного из вариантов осуществления устройства 1 для получения монокристалла согласно настоящему изобретению. Обоснование этого варианта проводится для случая получения монокристаллов веществ с относительно высокой точкой плавления (1300oС-1900oС), таких как ТЛ, рутил (ТiO2) и различные оптически активные кристаллы.
На фиг.1(а) ссылочные номера 10, 20 и 30 относятся соответственно к электрической печи, средствам загрузки порошкообразного сырья и устройству вытягивания кристалла вниз.
В электрической печи 10 вокруг цилиндрической кварцевой трубы 10а установлен радиочастотный нагревательный индуктор 10b. Платиновый тигель 2 и тепловой экран 13 размещаются соответственно в верхней и нижней частях электрической печи 10. Внутри тигля 2 около его верхнего входного отверстия размещается расположенная до зоны расплава пластина 3 в форме зонтика (другими словами, в форме свода). Указанная пластина 3 изготавливается из металла с хорошей теплоустойчивостью и устойчивостью к коррозии, такого как платина или иридий, и поддерживается в фиксированном положении с помощью не показанных на чертеже опор за счет того, что отдельные участки их периферии присоединены к тиглю 2. Поскольку все перечисленные компоненты, т.е. тигель 2, расположенная до зоны расплава пластина 3 и тепловой экран изготовлены из металла, они нагреваются электромагнитными волнами, генерируемыми радиочастотным нагревательным индуктором 10b.
Указанный индуктор 10b разделен по вертикальной оси на множество спиральных элементов. Верхние спиральные элементы вызывают нагрев тигля 2 и пластины 3, расположенной до зоны расплава, до температуры не ниже точки плавления ТiO2 (например, до 1900oС). Нижние спиральные элементы вызывают нагрев теплового экрана 13 до температуры ниже точки плавления ТiO2 (например, до 1800oС). Тепловой экран 13 вызывает рост монокристалла от нижней грани тигля 2, нагреваемой радиационным теплом при отсутствии контакта с окружением, чтобы предотвратить образование кристаллических дефектов, вызванных резким падением температуры кристалла. Тепловой экран 13 оказывает также отжиговый эффект, снимающий напряжение кристалла.
Верхнее входное отверстие электрической печи 10, содержащей кварцевую трубу 10а, закрыто крышкой 10с, изготовленной из теплоизолятора. Нижний конец кварцевой трубы 10а присоединен к цилиндрическому кварцевому контейнеру 10d, имеющему дно. Вся конструкция электрической печи 10 удерживается в вертикальном положении с помощью опоры, не показанной на фиг., через теплоизолирующую стенку 10е, окружающую кварцевый контейнер 10d.
Средства загрузки порошкообразного сырья представляют собой устройство 20, которое имеет бункер 6 порошкообразного сырья для приема порошкообразного сырья 5р, трубу 7 введения сырья, предназначенную для введения порошкообразного сырья 5р из не показанного на фиг. источника загрузки порошкообразного сырья в бункер порошкообразного сырья 6, трубу 8 введения осушенного газа, служащую в качестве средств для введения осушенного газа (осушенный воздух, азот, аргон, гелий или т.п.) из не показанного на фиг. источника получения осушенного воздуха к порошкообразному сырью 5р внутри бункера 6 порошкообразного сырья, и средства переноса сырья, выполненные в форме устройства 21, предназначенного для переноса порошкообразного сырья 5р из бункера 6 порошкообразного сырья в тигель 2, к пластине 3 для приема сырья. Средства загрузки порошкообразного сырья имеют мешалку 31. Порошкообразное сырье 5р внутри бункера 6 порошкообразного сырья форсировано перемешивается за счет осуществляемого от двигателя 33 вращения лопастей 32 мешалки, установленной внутри бункера 6 порошкообразного сырья.
Устройство 21 переноса сырья имеет транспортную трубу 9, у которой верхняя концевая часть вставлена в нижнюю часть бункера 6 сырья, а конец нижней части вставлен в электрическую печь 10 для переноса порошкообразного сырья 5р к расположенной до зоны расплава пластине 3, охлаждающий кожух 11 (выполняющий функцию охлаждающих средств для охлаждения указанной транспортной трубы 9) и насос 12 загрузки порошка, пристроенный к середине транспортной трубы 9 для форсированного переноса порошкообразного сырья 5р. Транспортная труба 9 и охлаждающий кожух 11 вставлены в сквозное отверстие, проделанное в центральной части крышки 10с электрической печи 10. Охлаждающий кожух 11 установлен таким образом, чтобы окружать периметр транспортной трубы 9, и предназначен для поддержания температуры внутри транспортной трубы 9 ниже температуры плавления сырья для кристалла путем погашения тепла, приходящего от электрической печи 10, за счет наружного охлаждения транспортной трубы 9 охлаждающей средой, проходящей внутри кожуха.
Устройство 30 вытягивания кристалла вниз содержит цилиндрический вращающийся стержень 15, имеющий у своей верхней концевой части поддерживающий узел 15а, предназначенный для поддерживания затравочного кристалла 4, и устройство 16 вытягивания вниз с вращением, предназначенное для аксиального вращения вращающегося стержня 15 с удерживанием стержня 15 в вертикальном положении и, одновременно, с вертикальным его перемещением. Вращающийся стержень 15 проходит насквозь через дно кварцевого контейнера 10d, а скользящая часть указанного стержня 15 и кварцевый контейнер 10d герметизированы с помощью уплотняющего компонента 17.
Отверстие 18 для введения регулирующего газа расположено в боковой стенке около нижнего конца кварцевого контейнера 10d, при этом указанное отверстие предназначено для введения газа (например, газовой смеси N2 и O2 в количестве 2-3 частей по весу N2, или газообразного Аr) с целью регулирования атмосферы выращивания кристалла в камере обработки, образованной кварцевой трубой 10а, крышкой 10с и кварцевым контейнером 10d. Газ для регулирования атмосферы, введенный в камеру обработки, выпускается из выпускного отверстия 19 в крышке 10с и возвращается посредством возвращающего устройства, не приведенного на фиг.
На фиг. 1(b) показана структура тигля 2 и пластины 3, расположенной до зоны расплава. Как показано на фиг.1(b), порошкообразное сырье 5р, введенное через транспортную трубу 9 устройства 21 переноса сырья в электрическую печь 10, падает на расположенную до зоны расплава пластину 3. Указанная пластина нагревается электромагнитными волнами, излучаемыми нагревательным индуктором 10b электрической печи 10, до температуры не ниже точки плавления кристаллического сырья. Таким образом, порошкообразное сырье плавится на расположенной до зоны расплава пластине 3, капая в виде расплава сырья в часть тигля 2, собирающую расплав. Нижняя часть тигля 2 сделана в форме воронки (в форме обратного конуса). Кроме того, в центральной части нижней зоны и по ее периферии проделано множество небольших отверстий 2а, 2а..., имеющих одинаковый диаметр (например, 0,5 мм). Возможность вытекания расплава 5m сырья из указанных отверстий позволяет эффективно использовать целиком нижнюю грань тигля 2, и расплав 5mа сырья удерживается между этой нижней гранью и верхней гранью растущего кристалла 18, обеспечивая рост кристалла.
Поэтому кристалл можно вырастить, выдерживая существенно постоянным количество расплава 5m сырья, вытекающего из небольших отверстий 2а в дне тигля 2, путем регулирования количества сырья 5р, загруженного на расположенную до зоны расплава пластину 3, и непрерывной загрузки расплава 5m сырья, поддерживая количество потока сырья 5m, стекающего с пластины 3, расположенной до зоны расплава, в часть тигля 2, собирающую расплав.
Толщину расплава 5mа сырья, находящегося между тиглем 2 и верхней гранью кристалла 18 (границей кристалла), предлагается довести до оптимальной, регулируя температуру внутри печи, скорость вращения и скорость опускания вращающегося стержня 15 с учетом в числе главных факторов количества расплава 5m сырья, загружаемого с пластины 3, расположенной до зоны расплава, вязкости расплава 5m сырья, температуры тигля 2, скорости роста кристалла, температуры кристалла 18 и т.п. Другими словами, с учетом естественного конвекционного переноса расплава 5mа сырья, т.е. конвекционного переноса на основе разности между температурой тигля 2 и температурой кристалла 18, путем возбуждения принудительного конвекционного переноса, возникающего из центростремительной силы, вызванной вращением вращающегося стержня 15, всегда может быть выдержано оптимальное количество расплава 5mа сырья между тиглем 2 и верхней поверхностью кристалла 18.
С использованием устройства 1 для получения монокристалла, имеющего вышеописанную структуру, монокристалл может быть получен следующим способом.
Прежде всего, температура нагрева, осуществляемого спиральным элементом в верхней части электрической печи 10 и спиральным элементом в нижней ее части, устанавливается такой, чтобы обеспечить перед началом нагрева внутренней полости печи соответственно заданную температуру не ниже температуры плавления сырья для кристалла и температуру ниже этой точки. Когда температура внутренней полости печи сравняется с установленной температурой, это состояние поддерживается во времени. В охлаждающем кожухе 11 непрерывно поддерживают течение охладителя, а через трубу 8 введения осушенного газа в порошкообразное сырье 5р внутри бункера 6 порошкообразного сырья непрерывно пропускают поток осушенного газа.
Затем вступает в действие насос 12 загрузки порошка, чтобы каждый раз отгружать через транспортную трубу 9 заданное количество порошкообразного сырья 5р из бункера 6 порошкообразного сырья к центральному участку верхней грани пластины 3. В это же время порошкообразное сырье 5р загружают через транспортную трубу 9 с перемешиванием внутри бункера 6 порошкообразного сырья осушенным воздухом, введенным через трубу 8 введения осушенного газа, и лопастями 32 мешалки 31.
Порошкообразное сырье 5р, загруженное на расположенную до зоны расплава пластину 3, нагревается до температуры не ниже точки плавления и плавится с превращением в расплав 5m сырья. Указанный расплав 5m стекает вниз по верхней поверхности пластины 3 и затем капает с пограничного участка вниз. Таким образом, расплав 5m сырья вводится в нижнюю часть тигля 2.
Собравшись в тигле 2, расплав 5m сырья начинает вытекать вниз из небольших отверстий 2а нижней части тигля 2. Эту ситуацию можно наблюдать через кварцевую трубу 10а электрической печи 10; поэтому, если установлено, что вытекание расплава 5m сырья имеет место, вращающийся стержень 15 поднимают с помощью устройства 16 вытягивания вниз с вращением, чтобы привести оконечность (верхний конец) затравочного кристалла 4, поддерживаемого вращающимся стержнем 15, в контакт с расплавом 5m сырья, смачивающим нижнюю грань тигля 2.
После этого вращающийся стержень 15 опускают, продолжая его вращение, в постоянном направлении посредством устройства 16 вытягивания вниз с вращением в положении, при котором удерживается контакт оконечности затравочного кристалла 4 с расплавом 5m сырья. Таким образом, из оконечности затравочного кристалла 4 происходит рост кристалла 18.
В то же время головная часть монокристалла стержня 15 сначала растет за счет регулирования количества порошкообразного сырья 5р, загруженного на расположенную до зоны расплава пластину 3, с целью регулирования количества сырья 5m, загруженного в часть тигля 2, собирающую расплав, и одновременно за счет регулирования скорости опускания вращающегося стержня 15. После того как головная часть приобретет требуемый диаметр, регулируют скорость опускания вращающегося стержня 15 с целью выдерживания диаметра и одновременно с этим наиболее пригодная основная часть (тело) кристалла растет в течение достаточного времени. Когда основная часть вырастает до оптимального размера, насос 12 загрузки порошка останавливают.
Во время описанного выше роста кристалла количество расплава 5m сырья внутри тигля 2 сохраняется существенно постоянным от момента начала роста основной части до его конечного момента, чтобы вырастить кристалл, выдерживая количество расплава 5m сырья, вытекающее из небольших отверстий 2а, 2а... в нижней части тигля 2.
Выдерживая вышеуказанным образом количество расплава 5m сырья, вытекающего из небольших отверстий 2а, 2а... в нижней части тигля 2, существенно постоянным, можно выдержать существенно постоянным количество расплава 5m сырья, загруженного на верхнюю грань растущего кристалла 18 в единицу времени во время роста кристалла.
Таким образом, устройство 1 для получения монокристалла по настоящему варианту осуществления имеет ряд преимуществ, а именно:
Во время выращивания кристалла количество расплава 5m сырья, загруженного на верхнюю грань растущего кристалла 18 в единицу времени, может быть выдержано существенно постоянным; поэтому путем выращивания кристалла с непрерывной загрузкой порошкообразного сырья 5m из бункера 6 порошкообразного сырья на расположенную до зоны расплава пластину 3 можно получить для основной, наиболее пригодной части кристалла большой диаметр и большую длину.
Диаметр выращиваемого кристалла можно увеличить соответствующим подбором вязкости расплава сырья или его смачиваемости относительно тигля 2, числа, положения и размера небольших отверстий 2а в нижней части тигля 2, формы тигля 2 или т.п.
В качестве порошкообразного сырья 5р, закладываемого в бункер 6 порошкообразного сырья, может быть выбран без каких-либо ограничений не только порошок TiO2, но также и другие порошки. Поэтому затраты на сырье могут быть понижены по сравнению с вертикальным методом Бриджмена, использующим в качестве сырья аморфную массу, полученную спеканием. Это выгодно для понижения производственных затрат при использовании затравки в форме стержня по той же схеме, что и в методе Чохральского.
Т. к. процесс выращивания кристалла из порошкообразного сырья 5р непрерывен, может быть получен монокристалл, имеющий стабильный состав. Таким образом, могут быть выращены такие кристаллы как НЛ, ТЛ или ЛГК, имеющие требуемый состав.
В случае использования сырьевых материалов, у которых состав легко изменяется при плавлении, предварительно учитывая изменение составов при плавлении и регулируя отношение компонентов порошка 5р сырья, можно вырастить гомогенные кристаллы, состав которых не меняется.
После первичных вложений средств дорогостоящие составляющие элементы, такие как платиновый тигель 2, могут быть использованы полуперманентно. Таким образом, производственные затраты можно сделать низкими.
Т. к. влагу порошка 5р сырья удаляют введением осушенного воздуха в порошкообразное сырье 5р внутри бункера 6 порошкообразного сырья, можно предотвратить вызванную влагой конденсацию порошка 5р сырья и стабильно загружать порошкообразное сырье 5р, имеющее постоянное отношение компонентов, на расположенную до зоны расплава пластину 3.
Транспортная труба 9, переносящая порошкообразное сырье 5р от участка вне электрической печи 10 на расположенную до зоны расплава пластину 3 внутри электрической печи 10, охлаждается; тем самым предотвращается плавление порошкообразного сырья 5р внутри транспортной трубы 9, что, в свою очередь, предотвращает заполнение указанной трубы 9. В результате порошкообразное сырье 5р может быть стабильно загружено на расположенную до зоны расплава пластину 3.
Процедура выращивания кристалла может осуществляться в стабильной атмосфере посредством заполнения электрической печи 10 газообразным Аr или другим подходящим газом; таким образом может быть выращен кристалл, имеющий стабильный химический состав.
Кристалл хорошего качества может быть выращен автоматически, при осуществлении компьютерного управления вышеуказанной электрической печью 10, средствами загрузки порошкообразного сырья (устройством 20), средствами переноса сырья (устройством 21), устройством 30 вытягивания кристалла вниз и т.п.
В рассмотренном варианте осуществления описан пример структуры устройства, пригодной для получения монокристалла с высокой точкой плавления, такого как ТiO2. В случае, когда сырье имеет низкую точку плавления, монокристалл можно вырастить и получить, даже используя вместо электрической печи радиочастотного нагревательного типа электрическую печь резистивно-нагревательного типа.
В качестве примера структуры пластины 3, расположенной до зоны расплава, в приведенном примере описан вариант, имеющий форму зонтика, т.е. вариант со структурой, выгнутой вверх. Изобретение не ограничивается этим примером. Как показано, например, на фиг. 2, допустима форма тарелки, т.е. вариант со структурой, выгнутой вниз. В этом случае, когда порошкообразное сырье 5р загружают на расположенную до зоны расплава пластину 3' через транспортную трубу 9 устройства 21 переноса сырья, указанная пластина 3 наполняется расплавом 5m сырья. В результате расплав 5m сырья, капающий с указанной пластины 3, попадает в часть тигля 2, собирающую расплав.
Как показано на фиг. 3, в нижней части расположенной до зоны расплава пластины 3", изготовленной в форме тарелки, проделано отверстие 3a, и расплав 5m сырья, вытекающий из указанного отверстия 3а и опускающийся вниз, может быть перенесен по поверхности средства введения расплава сырья, такого как платиновая проволока 14, и введен в платиновый тигель 2 внутри камеры плавления сырья. Таким образом, вода или примеси, остающиеся в расплаве 5m сырья после его образования, при переносе на платиновую проволоку 14 испаряются и удаляются из расплава сырья 5m теплом, исходящим от электрической печи. В соответствии со сказанным можно вырастить кристалл высокого качества, не содержащий пены или примесей.
Показанные на фиг.1-3 структуры расположенной до зоны расплава пластины относятся к простым примерам. Могут быть применены и другие структуры, отличающиеся друг от друга. Короче говоря, предоставляется возможность соответствующим образом выбрать оптимальную структуру с учетом смачиваемости расплава порошкообразного сырья относительно металлического материала тигля, вязкости расплава порошкообразного сырья и т.п.
Как показано на фиг.4, верхняя концевая часть транспортной трубы 9 для порошкообразного сырья может быть разветвлена на две трубы, связывающие с печью бункеры 6А и 6В порошкообразного сырья, связанные с трубами 7А и 7В введения сырья, трубами 8А и 8В введения осушенного воздуха, насосами 12А и 12В загрузки порошка, мешалками 31А и 31В соответственно и другими необходимыми компонентами. Таким образом, на расположенную до зоны расплава пластину 3 можно загрузить две разновидности порошкообразного сырья А и В с перемешиванием их внутри транспортной трубы 9 для порошкообразного сырья. Так, например, порошкообразное сырье А в качестве главного компонента сырья может быть загружено на расположенную до зоны расплава пластину 3, в то время как порошкообразное сырье В в качестве добавки с перерывами или непрерывно добавляют к сырью А. Таким образом, можно вырастить монокристалл, имеющий любой состав, если отрегулировано отношение его компонентов.
При плавлении материалов сырья величины давления паров соответствующих компонентов сырья монокристаллов на многоэлементной основе, таких как НЛ и БКЛ, отличаются друг от друга. Поэтому, если позволить расплаву сырья простоять долгое время, его состав изменяется. Из-за этого во многих случаях состав выращенного кристалла изменяется, или гомогенный кристалл не может быть выращен путем изменения вязкости расплава сырья. Однако, если использовать структуру, показанную на фиг.4, можно точно отрегулировать количество добавки относительно главного компонента сырья в соответствии с изменением состава материалов сырья при их плавлении. Таким образом, гомогенный кристалл может быть выращен без каких-либо изменений его состава. Например, для Bi12GeO20 (ВГК), Bi12SiO20 (BKK) или подобных им материалов часть состава при плавлении материалов сырья легко испаряется, и в зоне конгруэнтного состава расплава имеет место широкая область твердых растворов. Поэтому принято считать, что обычным методом Чохральского нельзя легко получить постоянный состав. Однако согласно настоящему изобретению становится возможным получить кристалл постоянного состава.
С другой стороны, путем использования устройства, показанного на фиг.4, можно также вырастить кристалл с градиентом состава или кристалл, в котором стыкуются области, имеющие различные составы.
Далее будет описан второй вариант осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 5(а) представляет собой схематичное изображение общего вида дополнительного варианта осуществления устройства для получения монокристалла согласно настоящему изобретению. Описание этого примера проводится для случая получения кристалла БКЛ.
На фиг.5(а) ссылочные номера 60, 70 и 80 относятся соответственно к электрической печи, средствам загрузки порошкообразного сырья и устройству вытягивания кристалла вниз.
Электрическая печь 60 имеет структуру, в которой три элемента электрической печи стыкованы в вертикальном направлении и соединены. Платиновый тигель 2 и камера 61 плавления сырья (обозначаемая далее как тигель, расположенный до зоны расплава), изготовленная из платины, устанавливаются соответственно в нижней и верхней частях электрической печи 60. Платиновый стержень 62 установлен между расположенным до зоны расплава тиглем 61 и платиновым тиглем 2. Указанный стержень 62 является направляющим компонентом для введения расплава 5m сырья БКЛ, полученного в расположенном до зоны расплава тигле 61, в платиновый тигель 2.
Электрическая печь 60а в самой верхней части электрической печи 60 обеспечивает нагрев тигля 61, расположенного до зоны расплава, до температуры не ниже точки плавления БКЛ (например, до 995oС). Электрическая печь 60b в средней части указанной печи обеспечивает нагрев платинового тигля 2 до температуры не ниже точки плавления БКЛ (например, до 970oС). Для электрической печи 60с в самой нижней части указанной печи устанавливают температуру ниже точки плавления БКЛ (например, 690oС). Тем самым от средней части к самой нижней части образуется мягкий температурный градиент, создающий отжиговый эффект, снимающий напряжение выращенного кристалла. В боковой стенке электрической печи 60 расположено смотровое окно 63 для наблюдения снаружи невооруженным глазом над зоной около более нижней части платинового тигля 2, т. е. над частью печи, выращивающей кристалл. Это смотровое окно 63 герметично закрыто теплоустойчивым стеклом.
Средства 70 загрузки порошкообразного сырья представляют собой устройство, которое имеет бункер 76 порошкообразного сырья, предназначенный для приема порошкообразного сырья 5р БКЛ, трубу 77 введения порошкообразного сырья, предназначенную для введения порошкообразного сырья 5р из не показанного на фиг. источника загрузки порошкообразного сырья в бункер 76 порошкообразного сырья, средства введения осушенного газа, т.е. трубу 78, предназначенную для введения осушенного газа (осушенный воздух, азот, аргон, гелий или т. п.) из не показанного на чертеже источника получения осушенного газа в порошкообразное сырье 5р внутри бункера 76 порошкообразного сырья, и средства переноса сырья, выполненные в форме устройства 71, предназначенного для переноса порошкообразного сырья 5р из бункера 76 порошкообразного сырья к камере 61 плавления сырья.
Устройство 71 переноса сырья имеет транспортную трубу 79, у которой оконечность верхнего конца присоединена к нижней части 76а бункера 76 порошкообразного сырья, а оконечность нижнего конца вставлена в электрическую печь 60 для переноса порошкообразного сырья 5р к камере 61 плавления сырья, охлаждающий кожух 81 (выполняющий функцию охлаждающих средств для охлаждения указанной транспортной трубы 79), и насос 82 загрузки порошка, встроенный в середину транспортной трубы 79 и предназначенный для форсированного переноса порошкообразного сырья 5р. Транспортная труба 79 и охлаждающий кожух 81 вставлены в сквозное отверстие 64, проделанное в центральной части крышки 60d электрической печи 60. Нижний конец транспортной трубы 79 проходит внутрь камеры 61 плавления сырья. Охлаждающий кожух 81 установлен таким образом, чтобы окружать периметр транспортной трубы 79, и предназначен для поддержания температуры внутри транспортной трубы 79 ниже температуры плавления БКЛ путем погашения тепла, приходящего от электрической печи 60, за счет наружного охлаждения транспортной трубы 79 охлаждающей средой, проходящей внутри кожуха.
Устройство 80 вытягивания кристалла вниз содержит цилиндрический вращающийся стержень 15, имеющий у своей верхней концевой части поддерживающий узел 15а, предназначенный для поддерживания затравочного кристалла 4а, и устройство 16 вытягивания вниз с вращением, предназначенное для аксиального вращения вращающегося стержня 15 с удерживанием его в вертикальном положении и одновременно с вертикальным его движением.
На фиг.5(b) показан фрагмент структуры тигля 61, расположенного до зоны расплава, и платинового стержня 62, а на фиг.5(с) показана структура платинового тигля 2.
Как показано на фиг.5(b), в нижней части тигля 61, расположенного до зоны расплава, проделано отверстие 61а, в это отверстие вставлена верхняя концевая часть платинового стержня 62. Диаметр отверстия 61а выбирают таким образом, чтобы он был несколько больше диаметра платинового стержня 62. Расплав 5m сырья, вытекающий из отверстия 61а, стекает по поверхности платинового стержня 62, самопроизвольно направляясь в платиновый тигель 2.
Как показано на фиг.5(с), дно платинового тигля 2 сделано в форме воронки (в форме обратного конуса). Кроме того, в центральной зоне нижней части и по ее периферии проделано множество небольших отверстий 2а, имеющих одинаковый диаметр (например, 0,5 мм). Возможность вытекания расплава 5m сырья из указанных отверстий позволяет эффективно использовать целиком нижнюю грань тигля 2, и расплав 5m сырья удерживается между нижней и верхней гранями растущего кристалла 18, обеспечивая рост кристалла.
Согласно устройству 50 для получения монокристалла, имеющему вышеуказанную структуру, монокристалл БКЛ может быть получен следующим способом.
Прежде всего, чтобы начать нагрев внутренней полости печи, для температуры элементов 60а, 60b электрической печи 60 и компонента 60с этой же печи задают значения соответственно не ниже температуры плавления БКЛ и ниже температуры плавления БКЛ. Когда температура внутри печи достигает заданных значений, этот режим сохраняют. В течение всей операции поток охладителя пропускают через охлаждающий кожух 81, а поток осушенного газа - через трубу 78 введения осушенного газа в порошкообразное сырье 5р внутри бункера 76 порошкообразного сырья.
Затем приводят в действие насос 82 загрузки порошка с целью загрузки заданного количества порошкообразного сырья 5р из бункера 76 порошкообразного сырья в расположенный до зоны расплава тигель 61 через транспортную трубу 79. Порошкообразное сырье 5р, загруженное в расположенный до зоны расплава тигель 61, нагревается с помощью электрической печи 60 и расплавляется, превращаясь в расплав 5m сырья. Расплав 5m сырья течет вниз из отверстия 61а нижней части тигля 61, расположенного до зоны расплава. Указанный расплав 5m сырья стекает по поверхности платинового стержня 62, попадая таким образом в платиновый тигель 2.
Когда расплав 5m сырья собирается в платиновый тигель 2, он начинает вытекать из небольших отверстий 2а в нижней части указанного тигля 2. Эту ситуацию можно наблюдать через смотровое окно 63 электрической печи 60; поэтому, когда обнаруживается вытекание расплава 5m сырья, вращающийся стержень 15 поднимают вместе с устройством 16 вытягивания вниз с вращением, чтобы привести оконечность (верхний конец) затравочного кристалла 4а, поддерживаемого вращающимся стержнем 15, в контакт с расплавом 5m сырья, смачивающим нижнюю грань платинового тигля 2.
После этого вращающийся стержень 15 с помощью устройства 16 вытягивания вниз с вращением опускают с постоянной скоростью (например, 0,75 мм/час) одновременно с вращением в постоянном направлении и с постоянной скоростью (например, 30 об. /мин). При этом кристалл 18 растет от оконечности затравочного кристалла 4а.
В то же время, регулируя количество порошкообразного сырья 5р, загруженного в расположенный до зоны расплава тигель 61 с целью регулирования количества сырья 5m, введенного в платиновый тигель 2, строго выдерживают количество расплава сырья 5m внутри тигля 2 от исходного момента роста кристалла до его окончания, чтобы кристалл рос при поддерживании количества расплава 5m, вытекающего из небольших отверстий 2а нижней части тигля 2, существенно постоянным.
Поддерживая вышеуказанным образом количество расплава 5m, вытекающего из небольших отверстий 2а в нижней части тигля 2, существенно постоянным, можно выдержать существенно постоянным количество расплава 5m сырья, загруженного на верхнюю грань растущего кристалла 18 в единицу времени в течение роста кристалла.
Поэтому устройство для получения монокристалла по настоящему варианту осуществления имеет ряд преимуществ, а именно:
во время роста кристалла количество расплава 5m сырья, загруженного на верхнюю грань растущего кристалла 18 в единицу времени, можно выдержать существенно постоянным; таким образом, путем выращивания кристалла при непрерывной загрузке порошкообразного сырья 5р из бункера 76 порошкообразного сырья в расположенный до зоны расплава тигель 61 можно получить монокристалл БКЛ, имеющий очень большой объем основной части и большую длину.
В качестве порошкообразного сырья 5р, закладываемого в бункер 76 порошкообразного сырья, можно без всяких затруднений выбрать порошок БКЛ, смесь порошков Li2O и В2О3 и т.п. Соответственно по сравнению с вертикальным методом Бриджмена, использующим в качестве сырья аморфную массу БКЛ, полученную спеканием, стоимости материалов сырья могут быть понижены. Для понижения стоимости продукции выгодно использовать затравку в форме стержня таким же образом, что и в методе Чохральского.
При плавлении материалов сырья величины давления паров соответствующих компонентов сырья монокристаллов на многоэлементной основе, таких как БКЛ, отличаются друг от друга, изменяя состав расплава сырья. Из-за этого во многих случаях состав выращенного кристалла изменяется, или гомогенный кристалл не может быть выращен путем изменения вязкости расплава сырья. Однако при использовании устройства 50 для получения монокристалла по настоящему варианту осуществления можно, предварительно учитывая изменение в составах при плавлении сырьевых материалов и регулируя отношение компонентов порошка 5р сырья, вырастить гомогенные кристаллы, у которых составы не изменяются.
Т.к. влагу порошка 5р сырья удаляют введением осушенного воздуха в порошкообразное сырье 5р внутри бункера 76 порошкообразного сырья, можно предотвратить вызванную влагой конденсацию порошка 5р сырья и стабильно загружать порошкообразное сырье 5р, имеющее постоянное отношение компонентов, в расположенный до зоны расплава тигель 61.
Транспортная труба 79, переносящая порошкообразное сырье 5р из участка, находящегося вне электрической печи 60, в расположенный до зоны расплава тигель 61 внутри электрической печи 60, охлаждается; тем самым предотвращается плавление порошкообразного сырья 5р внутри транспортной трубы 79, что в свою очередь предотвращает заполнение указанной трубы 79. Таким образом, порошкообразное сырье 5р может быть стабильно загружено в расположенный до зоны расплава тигель 61.
Расплав 5m сырья, вытекающий из отверстия 61а, проделанного в нижней части расположенного до зоны расплава тигля 61, и стекающий вниз, переносится по поверхности платинового стержня 62, направляясь тем самым в платиновый тигель 2. Таким образом, вода или примеси, остающиеся в расплаве 5m сырья, полученном в расположенном до зоны расплава тигле 61, могут быть удалены теплом, исходящим от электрической печи до того, как они попадут в платиновый тигель 2. В соответствии со сказанным можно вырастить кристалл высокого качества, не содержащий пены или примесей.
Поскольку смотровое окно 63 расположено в боковой стенке электрической печи 60 таким образом, что растущую часть кристалла можно наблюдать in situ, обеспечивается возможность легко контролировать зону внесения затравки и головную часть кристалла.
Диаметр выращенного кристалла можно сделать большим с помощью соответствующего подбора числа, положения и размера небольших отверстий 2а нижней части тигля 2, а также формы дна, угла сужения θ (см. фиг.5(с)) и т.п.
Монокристалл БКЛ хорошего качества может быть выращен автоматически с помощью компьютерного управления электрической печью 60, средствами 70 загрузки порошкообразного сырья, средствами переноса сырья (устройством 71), устройством 80 вытягивания кристалла вниз и т.д.
Как и в вышеуказанном варианте осуществления, вариант получения монокристалла БКЛ описывается только в качестве примера. Устройство для получения монокристалла, имеющее вышеуказанную структуру, может быть применено и к получению таких монокристаллов, как рутил, используемый в качестве сырья оптического изолятора, ВГК или ВКК, используемые в качестве сырья сцинтиллятора, С3LiB6О10, являющийся одним из видов нелинейных оптических материалов, и НЛ или ТЛ, известные как пьезоэлектрические/оптические материалы.
Конкретные примеры выращивания кристаллов
(Пример 1)
С использованием способов, описанных в качестве первого и второго вариантов осуществления, были выращены монокристаллы ниобата лития (LiNbO3).
В качестве порошкообразного сырья 5р использовали смесь порошков лития (Li) и ниобия (Nb). В порошкообразном сырье 5р компонентное отношение лития к общему количеству лития и ниобия выбрали равным 48,5-50,0%.
В результате оба варианта осуществления позволили вырастить монокристаллы ниобата лития, имеющие инконгруэнтный состав расплава и диаметр не менее 3 см, при этом отдельные монокристаллы имеют диаметр основной части 5 см и длину 10 см. В полученных кристаллах 18 компонентное отношение лития к общему количеству лития и ниобия выбрали равным 48,5-50,0%. Измерения точек Кюри в различных зонах показали, что разброс их составил±2oС. Таким образом, была показана гомогенность кристаллов 18.
(Пример 2)
С использованием способов, описанных в качестве первого и второго вариантов осуществления, были выращены монокристаллы танталата лития (LiTaO3).
В качестве порошкообразного сырья 5р использовали порошкообразное сырье в виде смеси порошков лития (Li) и тантала (Та). В порошкообразном сырье 5р компонентное отношение лития к общему количеству лития и танталата выбрали равным 48,5-50,0%.
В результате оба варианта осуществления позволили вырастить монокристаллы танталата лития, имеющие инконгруэнтный состав расплава и диаметр не менее 3 см, при этом отдельные монокристаллы имеют диаметр основной части 5 см и длину 10 см. В конечных кристаллах 18 компонентное отношение лития к общему количеству лития и тантала выбрали равным 48,5-50,0%. Измерения точек Кюри в различных зонах показали, что разброс их составил ±2oС. Таким образом, была показана гомогенность кристаллов 18.
В обоих примерах, учитывая структуру использованного экспериментального устройства, диаметр и длина основной части были ограничены соответственно величинами 5 см и 10 см. Этот эксперимент показал, что использование производящего устройства большего размера позволяет получить кристалл, имеющий основную часть с диаметром не менее 5 см и длиной не менее 10 см.
Настоящее изобретение может найти применение для выращивания не только НЛ, ТЛ и БКЛ, но также и других монокристаллов.
Например, настоящее изобретение может также найти применение для сложного полупроводника, такого как GaAs и lnР, и может быть эффективным для выращивания кристалла, имеющего требуемый состав и большой диаметр.
В случае кристалла, не имеющего какого-либо конгруэнтного состава расплава, т. е. для так называемого соединения с инконгруэнтным расплавом, возникает следующее явление: даже если согласно обычным Ч или ВБ способам состав расплавленных материалов сырья приобретает требуемый характер, на начальной стадии кристаллизации зарождается кристалл, по самой своей природе имеющий состав, отличающийся от намеченного, а затем по мере роста кристалла образуется кристалл, имеющий требуемый состав. Поэтому до сих пор безоговорочно считались неэффективными способы, у которых медленная скорость роста позволяет получить кристалл только маленького диаметра, такие как способ расплава. Однако при применении настоящего изобретения можно эффективно вырастить кристалл, имеющий требуемый состав и большой диаметр даже в случае кристаллов с декомпозиционным типом расплава, таких как Bi12TiO20 (ВТК) и КNbО3.
Как описано выше, настоящее изобретение имеет следующие существенные преимущества.
В устройстве для получения монокристалла, использующем способ вытягивания вниз, согласно п.1 формулы изобретения порошкообразное сырье загружают на расположенную до зоны расплава пластину, а затем порошкообразное сырье плавится на указанной пластине с образованием расплава сырья для введения его в часть тигля, собирающую расплав. Таким образом, кристалл может быть выращен при непрерывной загрузке расплава сырья в тигель. Поэтому можно легко получить монокристалл, имеющий большой диаметр и большую длину. Процесс выращивания кристалла из порошкообразного сырья может осуществляться непрерывно, так что состав полученного монокристалла становится стабильным. После первичных вложений средств дорогостоящие составляющие элементы, такие как платиновый тигель, могут быть использованы полуперманентно. В результате производственные затраты можно сделать низкими.
Введением осушенного воздуха в порошкообразное сырье с целью удаления влаги из порошка сырья согласно п.2 формулы изобретения можно предотвратить вызванную влагой конденсацию порошка сырья и стабильно загружать порошкообразное сырье, имеющее постоянное отношение компонентов. Таким образом, можно вырастить кристалл, имеющий более стабильный состав и высокое качество.
В соответствии с п.3 формулы изобретения структура устройства может быть сделана достаточно простой, т. к. тигель и расположенную до зоны расплава пластину можно нагревать с помощью одной и той же электрической печи. Можно предотвратить образование пробки на основе расплава порошкообразного сырья в транспортной трубе, предназначенной для переноса порошкообразного сырья от участка вне электрической печи на расположенную до зоны расплава пластину внутри электрической печи. В результате порошкообразное сырье может быть стабильно загружено на расположенную до зоны расплава пластину.
Согласно п. 4 формулы изобретения в устройстве для получения монокристалла, использующем способ вытягивания вниз, порошкообразное сырье загружается в камеру плавления сырья с помощью средств загрузки порошкообразного сырья, и сырье расплавляется в камере плавления сырья с образованием расплава сырья. Этот расплав сырья вводят в тигель с помощью средств введения расплава сырья. Таким образом можно вырастить кристалл при непрерывной загрузке расплава сырья в тигель. В соответствии с этим для вещества типа БКЛ, расплав которого обладает большой вязкостью, может быть получен кристалл, который при низкой стоимости имеет хорошее качество.
Согласно п.5 формулы изобретения с целью удаления влаги из порошка сырья в порошкообразное сырье вводится осушенный воздух. Таким образом можно предотвратить вызванную влагой конденсацию сырья и стабильно загружать порошкообразное сырье, имеющее постоянное отношение состава.
Согласно п.6 формулы изобретения структура устройства может быть сделана достаточно простой, т.к. тигель и камеру плавления сырья можно нагревать с помощью одной и той же электрической печи. Можно предотвратить образование пробки на основе расплава порошкообразного сырья в транспортной трубе, предназначенной для переноса порошкообразного сырья от участка вне электрической печи к камере плавления сырья внутри электрической печи. Таким образом, предотвращается заполнение транспортной трубы расплавом порошкообразного сырья. В результате порошкообразное сырье может быть стабильно загружено в камеру плавления сырья.
Согласно п.7 формулы изобретения расплав сырья, вытекающий в виде капель из отверстия, проделанного в нижней части камеры плавления сырья, может быть перенесен по поверхности направляющего компонента и направлен в тигель. Таким образом вода или примеси, которые остаются в расплаве сырья, образованном в камере плавления сырья, прежде чем попасть в тигель, испарялись и удалялись теплом, исходящим от электрической печи. В соответствии со сказанным можно вырастить кристалл высокого качества, не содержащий пены или примесей.
Согласно п. 8 формулы изобретения в устройстве для получения монокристалла, использующем способ вытягивания вниз, расположенная до зоны расплава пластина помещена во внутренней полости электрической печи внутри тигля или над ним, а порошкообразное сырье через транспортную трубу загружают в соответствующем количестве каждый раз из бункера порошкообразного сырья, находящегося вне электрической печи, на расположенную до зоны расплава пластину. Таким образом, порошкообразное сырье плавится на расположенной до зоны расплава пластине. Затем оно вводится в часть тигля, собирающую расплав. В результате кристалл может выращиваться одновременно с непрерывной загрузкой расплава сырья в тигель с целью поддержания количества расплава сырья, вытекающего из небольшого отверстия в нижней части тигля, существенно постоянным. В результате можно легко получить монокристалл, имеющий большой диаметр и большую длину. Кроме того, полученный кристалл имеет стабильный состав, т. к. процесс выращивания кристалла из порошкообразного сырья имеет непрерывный характер.
Согласно способу по п.11 формулы изобретения в устройстве для получения монокристалла, использующем способ вытягивания вниз, камера плавления сырья помещена над тиглем внутри электрической печи, а порошкообразное сырье через транспортную трубу загружают в соответствующем количестве каждый раз из бункера порошкообразного сырья, находящегося вне электрической печи, в камеру плавления сырья. В результате порошкообразное сырье плавится в камере плавления сырья. Затем оно вводится в часть тигля, собирающую расплав. Таким образом кристалл может расти при непрерывной загрузке расплава сырья в тигель с целью поддержания количества расплава сырья, вытекающего из небольшого отверстия в нижней части тигля, существенно постоянным. Поэтому можно легко получить монокристалл, имеющий большой диаметр и большую длину. Кроме того, полученный кристалл имеет стабильный состав, т.к. процесс выращивания кристалла из порошкообразного сырья имеет непрерывный характер.
Согласно способу по п.9 или 12 формулы изобретения можно получить монокристалл ниобата лития с инконгруэнтным составом расплава, имеющий компонентное отношение лития к общему количеству лития и ниобия от 48,5 до 50,0% и диаметр 3 см или более.
Согласно п. 10 или 13 изобретения можно получить монокристалл танталата лития с инконгруэнтным составом расплава, имеющий компонентное отношение лития к общему количеству лития и тантала от 48,5 до 50,0% и диаметр 3 см или более.
Используя монокристаллы по пп.14-20 формулы изобретения, можно улучшить свойства и производительность пьезоэлектрических материалов и оптических материалов, таких как ПАВ-устройство.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ФТОРИДОВ И СПОСОБ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ | 2015 |
|
RU2599672C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛА | 2009 |
|
RU2418108C1 |
| СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ САПФИРА | 2010 |
|
RU2520472C2 |
| УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ | 2009 |
|
RU2418109C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛА НА ОСНОВЕ ЛАНГАТАТА И МОНОКРИСТАЛЛ НА ОСНОВЕ ЛАНГАТАТА | 2016 |
|
RU2686900C1 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ САПФИРА | 2003 |
|
RU2232832C1 |
| СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛА ВЫСОКОГО КАЧЕСТВА | 2000 |
|
RU2209860C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ АНТИМОНИДА ИНДИЯ | 2012 |
|
RU2482228C1 |
| СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ-СЦИНТИЛЛЯТОРОВ НА ОСНОВЕ ИОДИДА НАТРИЯ ИЛИ ЦЕЗИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ | 2006 |
|
RU2338815C2 |
| МОНОКРИСТАЛЛ, СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ, ОПТИЧЕСКИЙ ИЗОЛЯТОР И ИСПОЛЬЗУЮЩИЙ ЕГО ОПТИЧЕСКИЙ ПРОЦЕССОР | 2010 |
|
RU2527082C2 |
Изобретение относится к технологии получения монокристаллов. Сущность изобретения: в устройстве для получения монокристалла, использующем способ вытягивания вниз, расплав 5m сырья непрерывно загружают в тигель 2 с целью выращивания кристалла 18 путем загрузки порошкообразного сырья 5р на расположенную до зоны расплава пластину 3 внутри электрической печи 10 с помощью устройства 20 загрузки порошкообразного сырья, плавления порошкообразного сырья 5р на расположенной до зоны расплава пластине 3 с образованием расплава 5m сырья и перетекания его внутрь тигля 2. Для предотвращения увлажнения порошка 5р сырья в него внутри бункера 6 порошкообразного сырья вводят осушенный воздух. Транспортную трубу 9 для переноса сырья 5m охлаждают для предотвращения заполнения ее расплавом порошкообразного сырья 5р. Указанные особенности делают возможным получение монокристалла, имеющего стабильный химический состав, больший диаметр и большую длину при низкой стоимости. 7 c. и 13 з.п. ф-лы, 9 ил.
| ТАКАО KITAKAWA et al | |||
| Growth of LiBO single crystals by a pulling-clown method | |||
| Journal of the Ceremic Society of Japan | |||
| Vol | |||
| Транспортер для перевозки товарных вагонов по трамвайным путям | 1919 |
|
SU105A1 |
| Кипятильник для воды | 1921 |
|
SU5A1 |
| Приспособление для точного наложения листов бумаги при снятии оттисков | 1922 |
|
SU6A1 |
| Способ окисления боковых цепей ароматических углеводородов и их производных в кислоты и альдегиды | 1921 |
|
SU58A1 |
| Веникодробильный станок | 1921 |
|
SU53A1 |
