СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ LiNbO И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК C30B15/02 C30B15/14 C30B13/18 C30B29/30 

Изобретение относится к технике получения монокристаллов LiNbO₃ стехиометрического состава и других подобных соединений, их твердых растворов и может найти применение в различных отраслях промышленности, связанных с использованием нелинейной оптики.

Наиболее распространенный способ получения монокристаллов LiNbO₃ - вытягивание из расплава по Чохральскому. Получаемые монокристаллы примерно соответствуют составу, близкому к составу нонвариантной точки (Li₂O)_0,52(Nb₂O₅)_0,48 (H.B.Сидоров и др. Ниобат лития. Москва, Наука, 2003, стр.152, рис.9.1).

Устройство для осуществления этого способа включает индукционный нагреватель, тигель, механизм вытягивания монокристалла.

Твердая фаза LiNbO₃ равновесна с эвтектикой состава (Li₂O)_0,6(Nb₂O₅)_0,4 при температуре 1160°С, а температура ликвидуса 1250°С. Поэтому наиболее близким аналогом для получения монокристаллов LiNbO₃ стехиометрического состава является вытягивание из жидкой фазы с твердофазной подпиткой поликристаллическим соединением (Гамазов А.А. О получении твердых растворов полупроводниковых соединений. // Изв. АН СССР. Неорганические материалы. т.19, №4, 1983, стр.599, последний абзац).

Устройство для осуществления этого способа состоит из нагревателя, механизма вытягивания, тигля и решетки, под которой находится подпитывающая твердая фаза (А.Я.Нашельский. Технология полупроводниковых материалов. М., Металлургия, 1972, стр.134, рис.88б).

Недостаток способа - низкое качество получаемых кристаллов, в виде друз, что обусловлено действием концентрационного переохлаждения, а также включениями частиц твердой фазы, всплывающих при растворении подпитки для полупроводников или пузырьков воздуха для окислов.

Недостаток устройства - отсутствие возможности осуществления твердофазной подпитки смесью спеченных окислов стехиометрического состава из-за малого интервала между температурами ликвидуса и солидуса, а также низкой теплопроводности слитка, ведущей к возникновению градиентов температуры в сотни градусов на сантиметр. Поэтому слиток начнет плавиться снизу, что недопустимо, так как жидкофазная подпитка должна быть управляемой, а в данных условиях стать такой она не может.

Технической задачей является получение структурно совершенных монокристаллов LiNbO₃ стехиометрического состава.

Поставленная задача решается способом получения монокристаллов LiNbO₃ стехиометрического состава, включающим вытягивание монокристалла из жидкости эвтектического состава с твердофазной подпиткой предварительно синтезированным соединением, подогреваемым снизу. Подпитывающая твердая фаза дополнительно нагревается сверху двухслойным спиральным электронагревателем, помещаемым в жидкую фазу, а уменьшение градиентов температуры в жидкой фазе и монокристалле осуществляют использованием печи для подогрева монокристалла.

Отличие от прототипа состоит в том, что подпитывающую твердую фазу дополнительно нагревают сверху двухслойным спиральным электронагревателем, помещаемым в жидкую фазу, а уменьшение градиентов температуры в жидкой фазе и монокристалле осуществляют использованием печи для подогрева монокристалла.

Указанные отличия обеспечивают решение поставленной задачи. Нагрев подпитывающей твердой фазы сверху обеспечивает ее растворение и позволяет исключить плавление снизу. Использование двухслойного спирального электронагревателя позволяет исключить эффект концентрационного переохлаждения и предотвратить рост друз, а уменьшение градиентов температуры в жидкой фазе и монокристалле осуществляют использованием печи для подогрева монокристалла, что дополнительно уменьшает внутренние напряжения и плотность линейных дислокаций в монокристалле.

Устройство для осуществления способа получения монокристаллов LiNbO₃ стехиометрического состава включает механизм вытягивания монокристалла, теплоизолированный тигель с твердофазной подпиткой, плоский нагреватель тигля с теплоизоляцией, в котором имеется двухслойный спиральный электронагреватель с поперечным сечением спиралей в виде перевернутых желобов, перекрывающих все сечение тигля, установленный с зазором на подпитывающую твердую фазу. Электроды двухслойного спирального электронагревателя проходят через теплоизоляцию печи для подогрева монокристалла и скреплены с ней.

Отличие от прототипа состоит в том, что имеется двухслойный спиральный электронагреватель с поперечным сечением спиралей в виде перевернутых желобов, перекрывающих все сечение тигля, установленный с зазором на подпитывающую твердую фазу, электроды которого проходят через теплоизоляцию печи для подогрева монокристалла и скреплены с ней.

Указанные отличия обеспечивают решение поставленной технической задачи. Так двухслойный спиральный электронагреватель с поперечным сечением спиралей в виде перевернутых желобов, перекрывающих все сечение тигля, отводит пузырьки воздуха, выделяющиеся при растворении подпитывающей твердой фазы, от фронта кристаллизации к стенкам тигля. Установка двухслойного спирального электронагревателя с зазором на подпитывающую твердую фазу обеспечивает ее нагрев до температуры растворения и исключает эффект концентрационного переохлаждения, при условии уменьшения градиентов температуры в жидкой фазе и монокристалле, что осуществляется использованием печи с теплоизоляцией для подогрева вытягиваемого монокристалла, входящей в тигель по мере растворения подпитки и роста монокристалла.

На чертеже показана схема устройства для получения монокристаллов LiNbO₃ в разрезе.

Устройство для получения монокристаллов LiNbO₃, показанное на чертеже, состоит из механизма вытягивания со штоком 1, тигля 2 с нагревателем 3 и теплоизоляцией 4. На дне тигля 2 находится подпитывающая твердая фаза 5, а выше жидкая фаза 6. На твердую фазу 5 с зазором установлен двухслойный спиральный электронагреватель 7, спирали которых имеют в сечении форму перевернутых желобов, перекрывающих все сечение тигля 2. Электроды 8 двухслойного спирального электронагревателя 7 скреплены с печью 9 для подогрева вытягиваемого монокристалла 10 и уменьшения градиентов температуры в жидкой фазе 6.

Для получения монокристаллов LiNbO₃ устройство используют следующим образом. Предварительно приготовляют подпитывающую твердую фазу 5 стехиометрического состава. На поверхность подпитывающей твердой фазы 5 насыпают однородную смесь порошков (Li₂O)_0,55(Nb₂O₅)_0,45, разравнивают и устанавливают двухслойный спиральный электронагреватель 7, погружая его в порошок вращением в разные стороны до упора в подпитывающую твердую фазу 5. Через печь 9 засыпают вторую часть смеси порошков (Li₂O)_0,6(Nb₂O₅)_0,4 эвтектического состава, что обеспечивает последовательность плавления и наиболее быстрое установление диффузионного потока веществ к растущему монокристаллу 10. Общее количество плавящихся веществ обеспечивает толщину слоя жидкой фазы 6 после плавления 10-15 мм, разделенную двухслойным спиральным электронагревателем 7 по высоте на три одинаковые части. В печь 9 вводят монокристалл 10, укрепленный на штоке 1 механизма вытягивания монокристалла, и включают все нагреватели. Нагревателем 3 устанавливают температуру дна тигля 1240°С. Двухслойным спиральным электронагревателем 7 устанавливают температуру 1250°С на поверхности твердой фазы 5 и температуру 1100°С в нижней части печи 9. Температуры контролируют термопарами платиновой группы, не показанными на схеме. Опускают монокристалл 10 до соприкосновения его с жидкой фазой 6, контролируя этот процесс по показаниям датчика веса кристалла. При уменьшении веса монокристалла 10 снижают температуру печи 9 малыми шагами (0,5-1°С) до стабилизации веса. Устанавливают программу вытягивания пропорционально увеличению веса для заданного диаметра монокристалла 10. Процесс роста монокристалла 10 носит диффузионный характер и поэтому его вращение не производят, а скорости роста находятся в пределах 120-200 мкм/час. Процесс ведут до упора кольцевого выступа теплоизоляции печи 9 в теплоизоляцию 4 тигля 2, что препятствует опусканию и замыканию дном тигля двухслойного спирального электронагревателя 7. После завершения вытягивания монокристалл 10 и печь 9 с двухслойным спиральным электронагревателем 7 выключают и удаляют из остатков жидкой фазы 6, а после плавления остатков подпитывающей твердой фазы 5 нагреватель 3 выключают и расплав выливают в холодный тигель. Все детали, контактирующие с жидкой фазой, изготовляют из платины или металлов платиновой группы.

Способ и устройство для его осуществления обеспечивают получение структурно совершенных монокристаллов LiNbO₃ стехиометрического состава с точностью около 0,1%, при точности поддержания температур 0,5°С. Несмотря на низкие скорости роста, благодаря низкому энергопотреблению, способ и устройство обеспечивают более чем двукратную экономию электроэнергии в сравнении с традиционными методами, использующими индукционный нагрев.

Изобретение относится к технологии получения монокристаллов LiNbO₃ стехиометрического состава, используемого в нелинейной оптике. Монокристаллы LiNbO₃ плавятся инконгруэнтно и поэтому для получения монокристаллов стехиометрического состава используют вытягивание монокристалла из жидкой фазы эвтектического состава с подпиткой твердой фазой предварительно синтезированного соединения, подогреваемой снизу и сверху двухслойным спиральным электронагревателем, помещенным в жидкую фазу и установленным с зазором относительно подпитывающей твердой фазы, а уменьшение градиентов температуры в жидкой фазе и получаемом монокристалле осуществляют использованием печи для подогрева монокристалла. Устройство включает механизм вытягивания монокристалла, теплоизолированный тигель с подпитывающей твердой фазой, плоский нагреватель тигля с теплоизоляцией, двухслойный спиральный электронагреватель с поперечным сечением спиралей в виде перевернутых желобов, перекрывающих все сечение тигля, установленный с зазором относительно подпитывающей твердой фазы, при этом двухслойный спиральный электронагреватель снабжен электродами, проходящими через теплоизоляцию печи для подогрева монокристалла и скрепленными с ней. Нагреватели устройства формируют плоские изотермические поверхности по высоте тигля, двухслойный спиральный электронагреватель с поперечным сечением спиралей в виде перевернутых желобов, перекрывающих все сечение тигля, отводит пузырьки воздуха, выделяющиеся при растворении подпитывающей твердой фазы, от фронта кристаллизации к стенкам тигля, установка двухслойного спирального электронагревателя с зазором относительно подпитывающей твердой фазы обеспечивает ее нагрев до температуры растворения при условии уменьшения градиентов температуры в жидкой фазе и монокристалле, что осуществляется использованием печи с теплоизоляцией для подогрева вытягиваемого монокристалла, входящей в тигель по мере растворения подпитки и роста монокристалла. Это стабилизирует условия проведения диффузионного механизма роста, снижает термические напряжения в монокристалле и обеспечивает получение структурно-совершенных монокристаллов LiNbO₃ стехиометрического состава с точностью около 0,1%. 2 н.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения монокристаллов LiNbO₃ стехиометрического состава, включающий вытягивание монокристалла из жидкой фазы эвтектического состава с подпиткой твердой фазой предварительно синтезированного соединения, подогреваемой снизу, отличающийся тем, что подпитывающую твердую фазу дополнительно нагревают сверху двухслойным спиральным электронагревателем, помещенным в жидкую фазу и установленным с зазором относительно подпитывающей твердой фазы, при этом уменьшают градиент температуры в жидкой фазе и получаемом монокристалле за счет использования печи для подогрева монокристалла.2. Устройство для получения монокристаллов LiNbO₃ стехиометрического состава, включающее механизм вытягивания монокристалла, теплоизолированный тигель с подпитывающей твердой фазой, плоский нагреватель тигля с теплоизоляцией, отличающееся тем, что оно содержит двухслойный спиральный электронагреватель с поперечным сечением спиралей в виде перевернутых желобов, перекрывающих все сечение тигля, установленный с зазором относительно подпитывающей твердой фазы, при этом двухслойный спиральный электронагреватель снабжен электродами, проходящими через теплоизоляцию печи для подогрева монокристалла и скрепленными с ней.