Способ выращивания монокристаллов корунда методом киропулоса

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК76805 19) 11 А 51)5 С 30 В 17/00 29/2 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ К АВТОРСКОМУ С 8 ИДЕТЕЛЬСТВУ ема те техника".оиру". 1973,1972, В 6АН СССР,1976,1. СПОСОБ В КОРУНДА ающий пла в тигле.12,2, с, 358ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОМЕТОДОМ КИРОПУЛОление исходногопоследующий рос ских в наличие пузырей и металличе ключений в объеме кристалла.ъ,)Известен также способ выращива)ия кристаллов корунда методом градиентной печи. Этот метод позволяет снизить до минимума температурные градиенты в зоне кристаллизации и исполь- СЛ зовать ее (т.е. область внутри тигля) также в качестве зоны отжига, Специфика метода состоит в затравлении кристалла со дна тигля и движении фронта кристаллизации снизу вверх. Это не позволяет осуществить управляемое затравление (создание нескольких ) ,перешейков мелду затравкой и растущим кристаллом), чтобы избежать наследо-. вания кристаллом дефектов затравки, а также. приводит к,значительному отклЬнению от заданной кристаллографи- ческой ориентации. В результа те выраГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИПРИ ГКНТ СССР(56) Сб. "Монокристаллы ис. 3.1 Ы ЯСа 1 е ТесЬпо 15. Изобретение относится к технике выращивания кристаллов тугоплавких материалов и может быть использовано в электронной промышленности, приборостроении, оптической и ювелирной . промышленности и других областях народного хозяйства для производства крупных кристаллов корунда высокого кач ест ва.Известен способ выращивания кристаллов корунда методом направленной кристаллизации. К его недостаткам можно отнести форму выращиваемых кри сталлов, неудобную для нарезания заготовок корундовых изделий, значительную величину температурного градиента (3 град/мм), приводящую к высокому уровню остаточных напряжений (300 кг/см 2) и большой плотности дислокаций (10-10 см-), а также кристалла на затравку внутрь объ тигля, о т л и ч а ю щ и й с я м, что, с целью обеспечения заданной формы кристалла и улучшения его структурного совершенства, рост кристалла ведут внутри обечайки из тугоплавкого материала, смачиваемого расплавом, имеющей заданную форму при отношении периметра тигля к периметру обечайки, равном 1,15-1, 18.2. Способ по п.1, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что обечайку получают напылением слоя вольфрама толщиной 0,1-1 мм на предварительно спрессо- . ванную заготовку исходного материала заданной формы.щиваемые методом градиентной печикристаллы корунда" характеризуются высокой плотностью дислокаций (10 -10 см ) и большими углами разориен 5тацни блоков (до 10 угловых градусов).Прототипом заявляемого изобретенияявляется видоизмененный метод Киропулоса, включающий спекание из корундовой пудры заготовки, загрузку ее втигель, плавление заготовки в ваку-.уме, затравлеиие монокристалла и еговыращивание с последующим охлаждениеми выгрузкой. Метод позволяет выращивать кристаллы диаметром до 150 мми весом до 10 кг с уровнем остаточныхнапряжений не более 10 кг/см и плотностью дислокаций 102-10 см.Однако кристаллы, выращиваемые известным способом, имеют неправильнуюформу, требующую дополнительной обработки для придания необходимой формыи размеров, и отличаются наличиемв своем объеме скоплений пузырей, 25То и другое в значительной мере снижает процент полезного использованиякристалла,Цель изобретения - обеспечение заданной формы кристалла и улучшениеего структурного совершенства.Поставленная цель достигается тем,что рост кристалла ведут внутри обечайки из тугоплавкого материала, смачиваемого расплавом, имеющей заданнуюформу при отношении периметра тигляк периметру обечайки, равном 1,151,18, Преимущественно обечайку получают напылением слоя вольфрама толщиной 0 1-1 мм на предварительно спресЭ40сованную заготовку исходного материала заданной Формы,Сущность изобретения состоит вследующем.На боковой поверхности корундовойзаготовки формируют вольфрамовую45пленку. При расплавлении корундовойзаготовки в тигле пленка вольфрамаостается в расплаве в виде обечайки,После соприкосновения затравки с расплавом, проведения управляемого эатравления и начала выращивания фронткристаллизации распространяетсявглубь и вширь и через некоторое время достигает стенок находящейся врасплаве обечайки, Дальнейшее расширение кристалла ограничивается стенФками обечайки и он растет вертикальновниз, повторяя форму и размеры обечайки. Мощная тепловая конвекция впространстве между стенкой тигля иобечайкой препятствует образованиюи закреплению на внешней поверхностиобечайки паразитных зародышей. Благодаря этому расплав, находящийся в зазоре, не кристаллизуется в течениевсего времени процесса. По мере ростакристалла расплав постепенно втягивается снизу внутрь обечайки силамиповерхностного натяжения, При определенных условиях уровень расплава между стенкой тигля и обечайкой можетравномерно распределяться по периметру и к моменту завершения процессакристаллизации понижаться до дна тигля, т,е, полностью переходить внутрьобечайки. Наличие расплава вокругобечайки способствует уменьшению температурного градиента на фронте кристаллизации, а равномерный уровеньрасплава благоприятствует выравниваниютеплового поля и уменьшению градиентаскорости кристаллизации по периметру,Тем самым устраняются условия захватакристаллом пузырей. Благодаря капиллярному эффекту малейшие зазоры между стенкой обечайки и поверхностьюрастущего кристалла заполняются расплавом, что обеспечивает копированиекристаллом не только формы и размеровобечайки, но и внутренней поверхности ее стенки,Отношение периметра тигля к периметру обечайки равно 1,15-1,18, Приотношениях, меньших 1,15, количестворасплава в зазоре недостаточно длякомпенсации потери объема после полной кристаллизации. В этом случаев нижней части кристалла на завершающей стадии процесса образуются раковины и скопления пузырей, что уменьшает полезный объем кристалла, Приотношениях, больших 1,18, излишняядоля расплава кристаллизуется в нижней части зазора. В результате уменьшается выход загруженного материалав годную часть кристалла, затрудняется его выемка из тигля и отделениеот обечайки,Толщина пленки вольфрама должнаобеспечивать, с одной стороны, достаточную жесткость и сохранение формыобечайки в процессе расплавления заготовки и выращивания кристалла и,с другой стороны, достаточную теплопередачу и ненапряженный рост кристалла внутри обечайки. Этим требова30 5 7 Ь 805ииям удовлетворяет пленка вольфраматолщиной от О, 1 до 1 мм.Для создания и поддержания равномерного по периметру зазора корундовая заготовка помещается в тигельсоосно ему и закрепляется в этом положении.П р и м е р, редлагаемый способосуществляется следующим образом.Параметры выращиваемого монокристалла:форма - цилиндрическаяДиаметр - 80 ммДлина - 120 мм (в цилиндрическойчасти)15Объем - ЬОЗ смВес - 2400 гТигель с корундовой заготовкой помещают в рабочую зону вакуумной. камеры высокотемпературной печи, Закрепляют в затравкодержателе ориентированный монокристаллический корундовый затравочный стержень. Герметизируют и вакуумируют рабочую камерупечи до 10мм рт.ст. Разогревают 25тигель до 2100 С и расплавляют шихту.При этом расплав равномерно распределяется в тигле на уровне 130,7 мм,а верхний край вольфрамовой обечайкивыступает над уровнем расплава на4,3 мм,Перед затравлением устанавливаюттемпературу расплава на 10 С вышеточки плавления, т.е, 2045 С, и ввоодят затравочный стержень в соприкосновение с поверхностью расплава. Спустя 10 мин после соприкосновения .включают подъем затравки вверх и осуществляют управляемое затравливание -с помощью переменной скорости подъема40создают несколько перешейков. Затемостанавливают перемещение затравкии проводят стадию разращивания кристалла до диаметра 80 мм, т.е. до момента достижения фронтом кристаллизации стенок обечайки,45Разращивание кристалла и последующий его рост осуществляют путем прецизионного уменьшения подводимой ктиглю нагревательной мощности, Кристаллизацию цилиндрической, части проводят в течение 30. ч со средней скоростью 4 мм/ч. По мере роста кристалла уровень расплава в промежутке между стенкой тигля и обечайкой понижа 55 2 6ется и к концу формирования цилиндрической части расплав практическиполностью переходит внутрь обечайки,В конце кристаллизации с целью отрыва кристалла от дна тигля включаютподъем затравки и в течение 5 ч соскоростью около 0,8 мм/ч поднимаютмонокристалл вверх.По окончании роста прекращаютподъем затравки и в течение 10 чсо скоростью около 175 С/ч снижаюттемпературу тигля до 300 С и отключао,ют нагрев, Через 6 ч естественногоохлаждения. в вакууме вскрывают камеру, освобождают затравку от затравкодержателя, выгружают тигель и достаютиз него кристалл с вольфрамовой обечайкой. Малая адгеэия вольфрама ккорунду способствует отделению мококристалла от обечайки, После обрезания с обоих торцов контрольных шайбполучают готовый монокристалл цилиндрической формы диаметром 80 мм и длиной 120 мм.В полученных монокристаллах от- .дельные пузыри и их скопления обнаружены лишь в верхней и нижней нецилиндрических неиспользуемых частях.В цилиндрической части монокристалловэти структурные дефекты не наблюдались. В выращиваемых известным способом монокристаллах корунда доля участков с указанными дефектами составляет от 20 до 100/, в среднем достигая не менее 301,Как показали исследования, выращивание монокристаллов корунда по предлагаемому способу можно проводить ив инертной среде, Кроме того, путемзагрузки в тигель двух и более корундовых заготовок с вольфрамовыми обечайками можно в одном процессе получать два и более монокристаллов требуемой Формы и размеров, При этомнеобходимо соблюдение в рекомендован-ных пределах соотношения внутреннегопериметра тигля и суммы периметроввсех заготовок. Способность расплававтягиваться под действием сил поверхностного натяжения внутрь обечайкии заполнять в ней малейшие зазорыи неплотности позволяет осуществитьпроцесс кристаллизации в обечайкелюбой сложной формы.