Способ выращивания монокристаллов сложных оксидов из расплава и устройство для его осуществления

союз соеЕ 1 скихСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРеспуБлин А 1 1 (11) 51) 5 С 30 В 15/14 КОМИТЕТ СССРНИЙ И ОТНРЦТЙ Госуд АРстВенн ПО ДЕЛАМ ИЗОБ ЕНИЯ ОПИСАН О ЕТЕПЬСТВУ АВТОРСКОМ(72) И,Ф. Дубовик емпераростьюм интерстьв 50-. иту25 лаждение в интервале 700-850 К ведут со с 0 град/ч, а в осталь температур - со ско рад/ч. П, Назаренк вал А. Келппз 1 с аС 1 оп бГ д), Са Ы зо 1 Ы 1", 1 87-398.вка Японии 01 д 17/18,еС а 1 1 гуопа 1 сгуз 1 а 1 з.83, ч. 80,Тпчез 1 РЬуюВ 1(54 )СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ ИОНОКРИСТАЛЛОВ СЛОЖНЫХ 01 СИДОВ ИЗ РАСПЛАВА ИУСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57)1. Способ выращивания монокристаллов сложных оксидов из расплава,включающий эатравливание монокристалла на ориентированную затравку,ее разрашивание до заданного диаметра при регулировании мощностинагревателя, вытягивание монокристалла с последующим перемещениемего в камеру охлаждения в условияхпостоянного осевого градиента температуры, равного 15-50 град/сми охлаждение до комнатной темпера"туры, о т л и ч а ю щ и й с ячто, с целью улучшения качествмонокристаллов лантангаллиевогосиликата различной ориентации, награнице раздела кристалл-расплавобеспечивают осевой градиент температуры, равный 75-120 град/см, перемещение монокристалла в камеруохлаждения осуществляют со скоростью8-14 мм/ч, выдерживают в ней 2-3 ч 60 г2. Устройство для выращивания монокристаллов сложных оксидов из расплава, включающее камеру роста с тиглем для расплава, снабженную индукционным нагревателем, камеру охлаждения, размещенную над ней, внутри которой установлены керамический и платиновый экраны, а снаружи - один из витков индукционного нагревателя, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью улучшения качества монокристаллов лантангаллиевого силиката различной ориентации, между камерами установлены два коаксиальных кольца, в верхней части которых выполнено не менее че 1 ырех симметричных. прорезей шириной основания 0,72-0,75 и высотой 0,4- 0,5 высоты колец, внешнее кольцо выполнено с возможностью воашения и имеет высоту 0,15-0,35 диаметра тигля, а внутреннее кольцо имеет высоту 0,2 - 0,4 диаметра тигля, на нем установлен керамический разрезной диск толщиной 0,1-0;2 диаметра тигля с центральным отверстием диаметром 0,4-0,7 диаметра тигля, в камере охлаждения установлен дополнительно керамический экран с внутренним диаметром, равным диа- ъ метру центрального отверстия диска, и высотой, равной высоте платинового экрана высота и диаметр которого соответственно равны 2,0-2,5 и 0,75-1,0 диаметра тигля, в наруж 0 вом керамическом экране выполнено не менее четырех симметричных прорезей, ширина которых ранна 0,2-0,3 а высота - 0,25-0,35 высоты плати 228526нового экрана, а ниток индукционного нагревателя камеры охлаждения расположен на расстоянии 0,6-1,0 диаметра тигля, 1Изобретение относится к области выращивания монокристаллон сложных оксидов иэ расплава, в частности лантангаллиеного силиката методом Чохральского, и может быть использовано в химической и электронной промыпленностях.Целью изобретения является улучшение качества монокристаллов лан 1тангаллиевого силиката различной ориентации.На чертеже представлено предложенное устройство.В таблице приведены показатели оптического качества и структурного совершенства монокристаллов лантангаллиевого снлнката, выращенных по способу-аналогу, способу-прототипу и по предлагаемому способу при различных режимах вдоль направлений, перпендикулярных оптической оси 7.Предлагаеий способ включает следующую последовательность операций:расплавляют сырье в тигле;обеспечивают осевой градиент температуры на границе раздела твердой . н жидкой фаз равным 75-120 град/см с помощью коаксиальных колец;осуществляют эатравливание кристалла на ориентированную затравку;раэращивают затравку до заданного диаметра при регулировании мощности нагревателя и вытягивают кристаллфперемещают выращенный монокристалл в камеру охлаждения со скоростью 8-14 ммч, выдерживают в ней 2-3 ч;после чего кристалл охлаждают цо комнатной температуры со скоростью 50-60 град/ч, а в области температур 700-850 К - со скоростью 25" 30 град/ч.Устройство для реализации предлагаемого способа включает камеру 1 роста с тиглем 2 внутри, снабженную индукционным нагревателем 3, верхний виток которого удален ат соседнеговитка на расстояние 0,6-1,0 диаметра тигля 2. Тигель 2 установлен втеппоиэолирующую систему, состоящуюиэ керамических экранов 4 и 5, Иеждутиглем 2 и экраном 4 находится мелкозернистая засыпка 6. Камера 7 охлаждения размещена над камерой роста 1, снаружи охвачена нятком, ин О дукционного нагревателя 3, содержитсистему теплоизолирующих керамических экранов 8 и 9 и платиновый экран1 О, высота и диаметр которого соответственно ранны 2,0-2,5 и 0,75-1,0 5 диаметра тигля 2, В наружном по отношению к платиновому керамическомэкране 8 выполнены симметрично неменее четырех прорезей 11, ширинакоторых равны 0,2-0,3, а нысота 20 0,25-0,35 высота платинового экрана10. Иежду камеройроста и камерой7 охлаждения установлены дна коаксиальные кольца: внутреннее кольцо 12высотой 0,2-0,4 диаметра тигля и 25 внешнее кольцо 13 высотой 0,15-0,35диаметра тигля, выполненное с воэможностью врацения, В верхней частиуказанных колец выполнены не менеечетырех симметричных прорезей 14 шиЗо риной основания 0,72-0,75 и высотой0,4-0,5 высоты колец. На внутреннеекольцо 12 установлен керамическийразрезной диск 15 толщиной 0,1-0,2, диаметра тигля с центральным отнерстием 16, диаметр которого составляет 0,4-0,7 диаметра тигля, ВнутРенний диаметр керамического экрана 9равен диаметру отверстия керамического разрезного диска 5, а высота равна высоте платинового экрана 10.Система теплоизолирующих экранов камеры 7 охлаждения закрыта сверху ке рамической разрезной крышкой 17 с отверстием по центру для перемещенияштока 18, на котором крепится эатравочный кристалл 19. На чертеже приведен также ныращенньй мовцкристаллвытягивания 2 мм/ч и скорости вращения 20 сб/мин, поддерживая диаметр постояннымПри длине монокристалла б 5 мм рост его цилиндрической части прекращают, так как оголенные стенки тигля 2 начинают оказывать существенное влияние на тепловой баланс, на фронт кристаллизации. Незначительным повышением температуры расплава . (на 5 К) начинают рост нижнего конуса монокристалла до последующего его отрыва от расплава. После завер шения роста отключают привод вращения штока 18 (на чертеже не показан) и увеличивают скорость вытягивания монокристалла 20 до 12 мм/ч, поддерживая ее постоянной до полного перемещения выращенного моно- кристалла 20 в камеру 7 охлаждения через отверстие 1 б в керамическом диске 15, после че.о привод вытягивающего механизма отключают. В камере 7 охлаждения монокристалл 20 выдерживают 2 ч, затем охлаждают до комнатной температуры со скоростью 50 Кч, а в области температур, в которой существует аномалия термического расширения кристаллов лантангаллиевого силиката (850- 700 К), со скоростью ЭО К/ч.При этом платиновый экран 10,крышка 17 и керамические экраны 8, 9 прорези 11, выполненные в экране 8, а также удаленный верхний виток, на указанное расстояние обеспечивают выравнивание теплового поля в камере 7 охлаждения, повышают ее инерционность при охлажчденни и обеспечивают линейный температурный градиент по длине кристалла в области аномалии термического расширения 3 град/см.Для сравнительной оценки качества монокристаллов лантангаллие" вого силиката, выращенных по способам-аналогам и предложенному (см, таблицу), измеряли диаметр и длину кристаллов: блочность и разориентацию блоков (методом рентгено-структурного анализа); угол аномальной двуосности 2, характеризующий из" менение обыкновенного и необыкновенного показателей преломления кристалла прежде всего из-за остаточных термических напряжений в периферий" ных и центральных участках кристалла (оптическим методом с помошью.пол 5 ризационного микроскопа;з 1 п 2 Ч=БЬп,/Лп где Д п=п и,=-0,02 ( д = О,ЬЗ мкм) - естественное двулучепреломление: 8 Дп,изменение двулучепреломления; одределяли визуально наличие трещин.Первоначально растили монокрисО таллы лантангаллиевого силиката порежимам и в устройстве, приведеннымв .Г 3, Вырастить йонокристаллы наиболее трудных ориентаций 1 701 и1 ОО. диаметром более 4 мм, длиной15 более 15 мм и свободные от трещини блочности не удалось. Иэ них не"возможно было изготовить образцыудовлетворительного качества,Использовав приемы аналога ( 220 удалось увеличить размеры выращиваемых кристаллов таких же ориентаций, однако из-за трещин и блочности изготовить образцы удовлетворительного оптичсского качества и из 25 мерить их параметры было невозможно.Техническое решение 1 33 выбранов качестве прототипа по максималь ному количеству общих признаков. Выращивать же монокристаллы лантангаллиевого силиката н соответствии сэтим техническим решением из-за асимметрии теплового поля не представляется возможным. Поэтому в таблице приведено сравнение предлагаемого способа со способами-аналогамии 23.40В таблице приведен только один нзосновных параметров - градиент температуры на границераздела твердой и жидкой фаз.45Выращивание монокристаллов лантангаллиевого силиката предложеннымспособом при градиентах температурна границе раздела фаз расплав - крис,талл ниже 70 грац/см и вече 50120 град/см позволчет увелгчнть размеры монокристаллов, но блоки и трещины в них имеются го всей длине.При градиентах 75 град/см и120 град./см наблюдается уме 1.жениеблочности, а единичные трекали имеются только в нижней части мм окристалла. (нижний конус), опти:икое качество улучшается.)20, перемещеттньпт в камеру 7 ох 1 тдждения. Шток 18 соединен с механизмом вытягивания и вращения, которые ца чертеже не обозначены. В конкретном устройстве. тигель 2имел высоту и диаметр, равные 50 мми толщину стенок 3 мм. Тигель 2,помещенный в керамические экраны 45 из окиси алюминия, устанавливалив индуктор 3 так, чтобы его верхняя кромка находилась на уровнепоследнего из витков 3,Индукционный нагреватель 3 свнешним диаметром 120 мм выполнениз медной трубки диаметром 15 мми состоял из шести витков, верхнийиз которых был удален от соседнегоиз витков на расстояние 50 мм(1,0 диаметра тигля 2). Высота экрана 5 равна 80 мм, внешний диаметр90 мм, Керамическое кольцо 2 изокиси алюминия имело высоту и диаметр соответственно 15 и 75 мм(0,3 и 1,5 диаметра тигля), д кольцо 13 также из окиси алюминия 14 и85 мм соответственно 0,28 и 1,7диаметра тигля 2. В обоих кольцахвыполнено симметрично по четьФетреугольные прорези высотой и шириной основания соотнетственно 7,5 и11 мм (0,5 и 0,73 высоты кольца 12)Диаметр разрезного керамическогодиска 15 иэ окиси алюминия равен100 мм, а толщина - 8 мм (2 и 0,16диаметра тигля), диаметр внутреннего отверстия в нем 34 мм (0.68 диаметра тигля).Платиновый экран 10 имеет высоту 110 мм (2,2 диаметра тигля 2) идиаметр 50 мм (1 диаметр тигля).Вйутренний диаметр керамическогоэкрана 9 из окиси алюминия равен34 мм, толщина стенки 4 мм. 1228" 6По предлагаемому способу и пдттредлдгаемом устройстве бьцти проведены выращивания монокристдллов пантангаллиеного силикдта тригональной сингонии (пространственная группа симметрии Р 321), обладающих низкой теплопроводностью. Расплдвы этих монокристаллов, как показали наши эксперименты, переохлаждаются на несколько десятков градусов,Для выращивания монокристалловиспользовалась шихта, синтезированная твердофазным методом из окислов .пантана, галлия и кремния, взятых в стехиометрическом соотношении, Шихту наплдвляли в платиновый тигель 2, установленный в системе теплоиэоли" рующих экранов 4, 5 с мелкозернистой засыпкой 6, расположенных в камереуороста, до уровня на 2-3 мм нижеего верхней кромки. Направление шихты и процесс роста вели в воздушной атмосфере на установке с индукционньтм нагревом "Донец д После направления шихты, котороеосуществляют увеличением по заданной программе, подаваемой на индукционный нагреватель 3 электрической мощности (температура плавления лантангаллиевого силиката равна 1743+10 К расплав выдерживают 1 ч при незначительном перегреве (на 20 градусов) для гомогениэации.Вращая кольцо 13 относительно коль 35ца 12, добиваются такого взаимного расположения отнерстий 14, нт.Молненньтх в этих кольцах, которое обеспечивает осевой градиент температуры нд границе раздела тнердой и жидкой фдзы (граница расплав - кристдттттт равным 80 град./см. В камере 7 охлаждения при этих условиях обеспечивается температурный градиент нцоль ее оси, равный 30 град,/см.Внутренние диаметры камеры 7 охлаждения и керамического экрана 8,выполненные из окиси алюминия, равны соответственно 75 и 60 мм притолщине стенок 4 мм,Керамическая крьппка 17, вьтполненная также из окиси алюминия,имеет толщину 8 мм, диаметр 100 мм,диаметр отверстия н ней равенО мм. На платиновый шток 18 укрепляют затравочный кристалл 19, ориентированный вдоль оптической осиГОООЦ, или перпендикулярно ейвдоль осей 1"120 ) и (10)10.т. Величины температурного гр,тдиентаконтролируют с помощью плдтитт -Родиевой термопары (на чертеже не показана).Затем к поверхности расптпттд медленно подводят затравочнь й при "тдля 19, осуществляют его контакт е рдспланом и разращивают .до здддп годиаметра (25 мм) при регулиров:,т;ттттмощности индукционного нагревателя 3, 1 Вытягивание монокристаллд 2 Г) прп выращивании осуществляют со створ стью 2 мм/ч, Последующий рост моттокристдттла 20 ведут при постоятптой сттот 1 осттт1228526 Прр градиенте температуры вьппе 15 градlсм и ниже 120 град/см единичные трещины, как правило, отсутСоставитель а. Шабалин илипенко Техред И.Попович Корректор М. Самборскаяор А Заказ 109 Тираж . Подного комитета СССРний и открытий5, Раушская наб., д и 4 5 П одственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. тная,НИИПИ Государствело делам изобрет 3035, Москва, Жотнят,а рачориентация отдельных микроблокон не преньппает 25-40 угл.с,оптическое качество кристаллов улучщается .