Способ выращивания монокристаллов германата висмута Советский патент 1993 года по МПК C30B15/00 C30B29/32 

Изобретение относится к технологии получения монокристаллов германата висмута со структурой эвлишна BbjGeaOiz (BGO) и может быть использовано при промышленном производстве кристаллов, находящих все более широкое применение в ядерной физике, физике высоких энергий и других областях науки и техники при быстро растущем на них спросе на мировом рынке, Изобретение может быть использовано и при выращивании других кристаллов методом Чохральского (гранатов, ниобатов, тан- талатов, силикатов и др.).

Цель изобретения - повышение производительности, выхода годного и увеличение срока службы платиновых тиглей.

В основе заявляемого технического решения лежат следующие физические явления. После отрыва кристалла от расплава наминается быстрое охлаждение его нижней приосевой части вследствие лучистой теплопроводности,по кристаллу и резкого уменьшения подвода тепла от расплава. В

то же время боковая поверхность кристалла продолжает нагреваться излучением от раскаленных боковых стенок тигля,.Такой процесс ведет к резкому возрастанию радиального градиента температуры и связанных с ним термоупругих няттр яжений, что может привести к растрескиванию кристалла.

Снижение подводимой к индуктору высокочастотной мощности приводит к значительному уменьшению радиального градиента температуры в нижней части кристалла (за счет уменьшения подогрева боковой поверхности кристалла оголенными стенками тигля) и уменьшению возникающих после отрыва кристалла термоупругих напряжений.

В результате кристалл после отрыва не растрескизается и сохраняет то качество, которое было достигнуто на стадии роста. Дефектная часть и (или) специально сформированный нижний конус у кристалла, выращенного описанным способом, отел

00

л

о

сутствуют, т.е. доля кристалла годной для изготовления .из него изделий (сцинтилллто- ров) близка к 100%.

Кроме того, в результате быстрого охлаждения стенок тигля кристаллизация расплава начинается снизу и от стенок тигля. В итоге расплав застывает таким образом, что деформация тигля полностью отсутствует, что увеличивает их срок службы.

За счет сокращения времени снижения мощности и отсутствия роста дефектной части (нижнего конуса) длительность непроизводительного заключительного этапа выращивания (охлаждение кристалла и кристаллизационного узла) сокращается с 15- 20 ч до 8-10 ч, т.е. в 2 раза. Это повышает производительность ростовых установок на

-6-8%.

Снижать мощность быстрее 2 с на существующих ростовых установках с АСУТП нецелесообразно из-за особенностей их конструктивных и схемных решений, приводящих к нестабильности и нарушениям работы АСУТП и ростовой установки.

При времени снижения мощности более 10 с в некоторых случаях наблюдается растрескивание кристалла в ходе его последующей обработки (т.е, достаточно велики остаточные напряжения, которые иногда приводят к растрескиванию).

Снижение мощности менее чем в 1,5 и более чем в 2,5 раза недостаточно эффективно, так как приводит к растрескиванию кристалла либо в ходе охлаждения, либо в ходе последующей обработки. Это связано с тем, что в первом случае охлаждение периферии кристалла идет существенно медленнее его приосевой части, а во втором случае наоборот. Например, для германата висмута в одном из опытов температура стенок тигля в первом случае снижается с 1146 до 1024°С в течение 60 с, а во втором случае с 1148 до 972°С в течение того же времени.

Таким образом, в результате снижения подводимой к индуктору высокочастотной мощности в 1,5-2,5 раза в течение 2-10 с (непосредственно сразу после отделения кристалла от расплава увеличением скорости вытягивания) кристалл не растрескивается и у него отсутствует дефектный нижний

конус. При этом доля годного качественного кристаллического материала близка к 100% (т.е. увеличивается по сравнению с прототипом на 5-10%), отсутствует деформация тигля, производительность ростовых установок увеличивается на 6-8%.

Заявляемый способ включает следующие операции:

1. Затраоление

2.Разращивание верхнего конуса

3. Рост при постоянном диаметре

А. Отделение кристалла от

расплава

5. Охлаждение кристалла

В заявляемом способеоперация формирования нижнего конуса исключается, а повышение выхода годных кристаллов, исключение деформации тигля и повышение производительности ростовых установок осуществляется за счет применения нового приема, а именно: уменьшением

подводимой к индуктору высокочастотной мощности в 1,5-2,5 раза в течение 2-10 с непосредственно после отделения кристалла от расплава увеличением скорости вытягивания,

Пример. Тигель с наплавом шихты германата висмута помещают в кристаллизационный узел установки Кристалл-613. Германат висмута расплавляют в платиновом тигле диаметром 100 и высотой 120мм

в окислительной атмосфере, опускают в расплав вращающуюся со скоростью 40 об/мин затравку и вытягивают ее со скоростью 1,5 мм/ч. С помощью АСУТП разращивают верхний конус и далее кристалл постоянного диаметра (например 55±1 мм). При достижении длины кристалла 200 мм увеличивают скорость вытягивания до 2000 мм/ч (и тем самым отрывают его от расплава) и поднимают

на высоту 50 мм. Сразу же после отрыва кристалла (контролируется по приборам АСУТП) в течение времени t (2-10 с) снижают подводимую к индуктору высокочастотную мощность в п (1,5-2,5) раза. Затем

начинают охлаждение по заданной программе АСУТП ( 100-150 град/ч). После охлаждения кристалла его извлекают из кристаллизационного узла и оценивают его качество.

По результатам испытаний время t 1 с осуществить практически нецелесообразно из-за нарушений в работе АСУТП. При 2 с t 10 с и 1,5 п 2,5 кристалл не растрескивается. При t 10 с, п 1,5 и п 2,5

кристалл растрескивается либо в ростовой камере, либо при дальнейшей обработке. Результаты испытаний способа приведены в таблице.

Авторами были проведены сравнительные испытания заявляемого технического решения, Всего было проведено 35 опытов по режимам в соответствии с формулой (или близким к ним) для различных монокристаллов германата висмута. Более

50 опытов было проведено по прототипу и аналогам.

Все кристаллы, полученные в соответствии с формулой изобретения, не имели трещин и дефектного нижнего конуса, обьем годной части кристалла составил 98-100%.

В то же время кристаллы, полученные по аналогам и прототипу, имели трещины и дефектные части. Объем годной части этих кристаллов составил 40-95%,

При выращивании по заявляемому способу деформация тиглей полностью отсутствует, в то время как при выращивании по прототипу и аналогам она наблюдается в 30-50% случаев.

Длительность операции охлаждения кристалла до его полного остывания по заявляемому способу 8-10 ч, а по прототипу и аналогам 15-20 ч.

Таким образом, испытания показали, что заявляемый способ позволяет повысить выход годных кристаллов и производительность ростовых установок, увеличить срок службы платиновых тиглей,

Указанный способ может применяться при выращивании многих монокристаллов сложных оксидов методом Чохральского (например, ниобата и танталата лития, нио- бата бария - стронция, алюмоиттриевого граната,- силиката гадолиния и др.).

Формула изобретения

Способ выращивания монокристаллов германата висмута, включающий расплавление исходного материала в платиновом тигле с помощью высокочастотного индуктора, затравление на вращающуюся

затравку, разращивание конусной части кристалла, вытягивание его цилиндрической части, отделение кристалла от расплава и его охлаждение, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности, выхода годных кристаллов и увеличения срока службы платиновых тиглей, после отделения кристалла мощность индуктора уменьшают в 1,5-2,5 раза в течение 2-10 с.

Использование: получение кристаллов для ядерной физики, физики высоких энергий. Сущность изобретения: монокристаллы вытягивают из расплава в платиновом тигле на вращающуюся затравку. После отрыва выращенного кристалла от расплава мощность высокочастотного индуктора уменьшают в 1,5-2,5 раза в течение 2-10 с. Получают кристаллы без трещин, тигли не деформируются. 1 табл.