Способ выращивания монокристаллов на основе сложных окислов и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК C30B15/12 C30B29/22 

Изобретение предназначено для выращивания методом Чохральского тугоплавких оптически прозрачных монокристаллов на основе сложных окисных соединений и может быть использовано в химической и электронной промышленности преимущественно для выращивания алюмоиттриевых гранатов и других монокристаллов, температура плавления которых ниже температуры плавления иридия.

Цель изобретения - уменьшение количества примесей и увеличение срока службы тиглей.

На чертеже представлена схема устройства для выращивания монокристаллов.

О

Устройство состоит из герметической камеры 1, штока 2 с присоединенной к нему

СА затравкой 3. Шток 2, а следовательно, и за4iтравка 3 имеют возможность вертикального

VI перемещения и вращения (механизм вращения и перемещения не показан). Водоохлаждаемый индуктор 4 соединен с источником5 индукционного нагрева. Водоохлаждаемое дно 6 выполнено в виде спирали. Тигель 7 имеет отверстие в донной части и зафиксирован внутри индуктора в неподвижном положении прикрепленными к нему траверсами 8, опирающимися другими концами на водоохлаждаемое дно 6. Траверсы 8 могут быть прикреплены и к кромке

игля, в этом случае фиксация тигля в неподижном положении осуществляется закрепением траверс в верхнем положении.

На камере 1 установлен герметичный ункер 9 с механизмом 10 подачи шихты и бдающей трубкой 11. Внутренние стенки игля ограничивают объем 12. Наружные тенки тигля 7 и внутренний слой гарнисажа граничивают объем 13. ..

Расстояние между тиглем и индуктором оставляет 1 /3 диаметра тигля.

На верхней кромке индуктора 4 установлены теплоизолирующие крышки 14. бъемы расплава 12 и 13 удерживаются от растекания гарнисажем 15. Из объемов 12 и 13 выращивается кристалл 16.

Индуктор изготовлен из профилированной, трубки в виде трапеции и намотан так, что меньшее основание расположено в сторону боковой поверхности тигля. Это позволяет развить водоохлаждаемую поверхность, формирующую слой гарнисажа, и надежно удерживать расплав.

Устройство, позволяющее реализовать предлагаемый способ, работает сяедующ14м образом. Тигель 7 размером 80x80x1 мм с отверстием в дне диаметром 10-20 мм и прикрепленными к нему траверсами 8 устанавливают внутри водоохлаждаемого индуктора 4 диаметром 125 мм и высотой 130 мм. При атом тигель 7 устанавливают так, чтобы его кромка находилась на одном уровне с кромкой верхнего витка индуктора.

Объем 12 тигля и дополнительный объем 13 заполняют исходным сырьем - порошкообразной активированной шихтой алюмоиттриевого граната. На верхний виток индуктора устанавливают теплоизолирующую крышку 14 из двуокиси циркония с отверстием в центре 0 40 мм для проведения процесса выращивания и отверстием 0 15 мм для проведения процесса доплавления.

Бункер 9 заполняют порошкообразной активированной шихтой алюмоиттриевого граната.

Затравку 3 прикрепляют к штоку 2, связанному с механизмом вращения и перемещения затравки.

В кристаллизационной камере 1 устанавливают статическую контролируемую атмосферу. Увеличением мощности нагрева повышают температуру тигля до расплавления загруженного в него объема 12 сырья и сырья, находящегося в дополнительном обьеме 13.

Необходимый уровеньрасплава получают путем дополнительной подачи порций шихты из бункера 9 с помощью механизма

10 подачи через трубку 11. В процессе подачи шихты образуется слой гарнисажа 15, удерживающий образовавшийся расплав. Различный перегрев расплава определяет эффективность его очистки. Перегрев ниже 100°С не дает существенного эффекта по очистке сырья и улучшает качество кристаллов незначительно.

Перегрев в сторону более высоких температур, свыше 150°С, ограничивается температурой плавления материала тигля. Позтому можно считать предлагаемый диапазон перегрева расплава оптимальным. Прим е о. Выращивают монокристалл

5 Y3Al5-Oi2:Nd . Общий вес загрузки исходного сырья при зтом составляет 4200 г.

После получения заданного уровня расплава увеличением мощности источника индукционного нагрева уменьшают толщину

0 слоя гарнисажа до значений 0,5-1 мм, при атом температуру расплава увеличивают на относительно температуры плавления исходной шихты. Выдерживают расплав в этих условиях 10 мин до

5 установления термического равновесия. Затем, медленно снижая мощность нагрева до получения заданной температуры расплава, ia время 30-40 мин осуществляют частичную направленную кристаллизацию расплава от поверхности слоя гарнисажа.

Опустив вращающуюся затравку в распдаа и окончательно скорректировав его температуру, пр14ступают к выращиванию моиокристаллического стержня алюмоитт5 pttesoro граната. При зтом скорость вытягивания составляет 1 мм/ч, скорость вра1цения 20 об/мин. Дальнейший процесс выраидавания ведут из сообщающихся объемов 12 тигля и дополнительного объема 13,

0 заключенного между тиглем и гарнисажем. Получают монокристалл алюмоиттриевого граната, активированного неодимом, диаметром 35 мм и длиной 100 мм. Концентрация неодима в кристалле 1,1 мол.%.

5 в табл. 1 представлены данные, показывающие, что монокристаллы, полученные по предложенному способу в предложенном устройстве содержат меньше примесей, что является результатом процесса предварительной кристаллизации. Кроме того, повышается работоспособность тигля, увеличивается срок службы.

В табл. 2 представлены данные по выращиванию монокристаллов CaW04:Nd диаметром 40 мм, длиной 110 мм и YaSIOsrNd диаметром 20 мм, длиной 80 мм. Из них изготовлены лазерные элементы с хорошими генерационными параметрами.

В процессе нагрева и охлаждения нагревательный элемент не претерпевает деформаций, так как он находится в однородной по физическим свойствам среде наплава, в результате чего количество циклов нагрева - охлаждения в предлагаемом способе и устройстве существенно возрастает.

Предлагаемые способ и устройство позволяют достичь следующих преимуществ. Увеличить объем расплава, участвующий в процессе кристаллизации без увеличения расхода иридия, так как плавление исходного сырья происходит как внутри иридиевого полого цилиндра, так и за его пределами.

Путем предварительного увеличения объема расплава повышением мощности нагрева за счет уменьшения слоя гарнисажа, а затем уменьшения его до заданного удается произвести очистку рабочего объема расплава от посторонних примесей кристаллизацией их в слое гарнисажа.

При выращивании кристаллов по данному способу не происходит деформации иридиевого нагревательного элемента, так

как он со всех сторон ограничен наплавом одного вещества.

Образование сквозных трещин не влияет на выcqтy уровня расплава в тигле, так как объемырасплава, заключенные в тигле и вне егоГ сообщаются через отверстие в дне тигля.

Значительно повышается срок службы иридиевого нагревательного злемента, и расход иридия определяется только его естественным угаром при взаимодействии с окисными расплавами.

При выращивании по предлагаемому способу отсутствует необходимость в значительном перегреве расплава, в результате чего возрастает интенсивность термической диссоциации и нарушается стехиометрический состав соединения, в связи с тем, что практически вся мощность выделяется в тигле, который выступает в роли нагревательного элемента.

Таблица 1

Таблица 2

15

1. Способ выращивания монокристаллов на основе сложных окислов, включающий плавление исходного материала в тигле с помощью индуктора и вытягивание на монокристаллическую затравку из расплава в тигле, отличающийся тем, что, с целью уменьшения количества примесей и увеличения срока службы тиглей, исходный материал загружают между тиглем и индуктором, расплавляют его с образованием гарнисажа на индукторе, перегревают расплав на 100-150°С выше температуры плавления материала, выдерживают и охлаждают до температуры роста монокристалла. 2.Устройство для выращивания монокристаллов на основе сложных окислов, включающее иридиевый тигель, неподвижно установленный внутри водоохлаждаемого трубчатого индуктора и на расстоянии от него, отличающееся тем, что оно снабжено водоохлаждаемым дном, расположенным под индуктором, и тигель имеет отве|:1 ;ие в донной части. 3.Уёт{Х йство по п. 2, отличающеес я тем, что, с целью обеспечения надежного удержания расплава, индуктор имеет сечение в форме трапеции, обращенной (Л меньшим основанием в сторону нагреваемого тиглем/ с