Способ выращивания монокристаллов оксидов и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 78611 5/00, 15/11, 29/3 ИСАНИЕ ОБ ТЕН ВТОРСКО ВИДЕТЕПЬСТВ. Р тносится к области войс Изобретение получения монок ких например, к шедших в силу с рокое прим ехнике, кв ретение мо имической ение в акуститовой электрот быть испольомышленности исталлов оксидов, так ниобат лития, наоих оптических ке, радиот нике. Изоб зовано в х ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(5 Й) СПОСОБ ВЫРАЦИВАНИЯ ИОНОКРИСТАЛЛОВ ОКСИДОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЦЕСТВЛЕНИЯ(57) 1. Способ выращивания монокристаллов оксидов, включающий затравливание кристалла на ориентированную затравку, ее разращивание до заданногодиаметра при автоматическом регулировании мощности нагревателя в зависимости от изменения регулируемого параметра и последуюцее вытягиваниекристалла в камеру охлаждения, о тл и ц а ю щ,и й с я тем, что, с целью исключения колебаний температурыв процессе вытягивания и повышенияза счет этого выхода годных кристаллов, затравливание ведут из расплава,уровень которого находится ниже кром-.ки тигля на величину 0,35-0,15 его диаметра, разращивание ведут при ускорении изменения регулируемого параметра,. а вытягивание кристалла ведут при постоянной величине мощности, подводимой к нагревателю, в условиях радиальной симметрии теплового поля и при наличии линейного осевого градиента температуры в камере охлаждения, равного 15-50 град/см;2, Устройство для осуществления способа по и.1, включающее камеру роста с тиглем внутри, снабженную индуктором для нагрева, камеру охлаждения, размещенную над ней и снабженную теплоизолирующей системой с платиновым экраном, .установленным над тиглем, смотровое окно, выполненное в З стенке камеры охлаждения, и автоматическую систему контроля диаметра кристалла, о т л и ц а ю щ е е с тем, цто платиновый экран выполнен диаметром 0,85-0,7 и высотой 12-1 диаметра тигля и установлен над кройкой тигля на расстоянии 0,1-0,3 диаметра экрана, верхний виток и;духтора О удален от соседнего витка на.расстоя- О, ние 0,35-0,4 диаметра тигля, смотро- д все окно имеет квадратное сечение с размером не более О, 1 диаметра тигля и выполнено непосредственно над кромкой тигля, а тигель установлен на полой подставке.для получения кристаллов повышенногооптического качества.Широко известен способ выращивания монокристаллов ниобата лития. Монокристаллические були постоянногодиаметра выращивают из находящегосяв тигле расплава. Изменение диаметрапостоянно компенсируют путем регулирования мощности нагревателя, от ко Оторого к расплаву подводится тепло.Затравливание кристалла осуществляют на ориентированную затравку путем погружения ее в расплав. Придаютзатравке вертикальное. перемещениес постоянной скоростью. Разращиваниекристалла до заданного диаметра осуществляют вручную. Для получения качественного монокристалла процесс ведут как можно более равномерно.ИзмеОнение теплового баланса производятвручную путем регулировкиподводимой энергии к нагревателю, используемой для нагрева расплава с визуальным контролем условий роста. Оператор, производящий. регулировку, долженбыть достаточно опытным, посколькунеобходимо очень тщательно регулировать мощность с тем, цтобы диаметркристалла был как можно ближе к требуемой величине. Для выращиваниякристалла с постоянным диаметром повсей длине; оператору необходимо непрерывно производить регулировку подводимой энергии к нагревателю, 35Недостатком известного способа является его низкая эффективность, особенно при продолжительном наблюдении.При этом решения о необходимых действиях по регулированию могут бытьприняты лишь по истечении определенного времени, в пределах котороготепловые условия роста могут сноваизмениться, Регулировка производитсяслишком редко, и при этом возникают 45дефекты.Известно устройство для выращивания монокристаллов по Чохральскому,Устройство содержит тигель с расплавом, цилиндрический платиновый экран, 5 Онагрев которого производится от двухтрех дополнительных витков индуктора,удаленных от основных витков, греющих тигель, смотровое окно для визуального контроля за ростом кристалла, теплоизоляционную систему,Недостатком такого устройства явяяется наличие смотрового окна достаточно больших размеров, которое искажает симметрию теплового поля в ростовой системе. При ручном разращивании кристалла от затравки до требуе.мой величины диаметра кристалла практически невозможно получать кристаллы одного и того же диаметра.Известен способ выращивания, в котором управление процессом роста кристалла осуществляют путем программного изменения подводимой энергии к нагревателю, Величину и характер изменения подводимой энергии к нагревателю во времени определяют на основе данных предыдущих опытов по выращиванию кристаллов. Малейшее отличие в этом случае тепловых условий от предыдущего опыта приводит к несоответствию программы с конкретными условиями роста,. вследствие чего происходит отклонение диаметра от заданного.Следует заметить, что основной причиной, приводящей к изменению диа" метра кристалла, является изменение теплоотвода от кристалла по мере опускания зеркала расплава и перемещение растущей части кристалла относительно стенок тигля.Величина и характер изменения тепловых условий в ходе роста кристалла в основном зависят от конструкции кристаллизационного устройства. Малейшее изменение в расположении деталей кристаллизационного устройства, а также в начальном уровне расплава в тигле требует новой программы изменения подводимой энергии к нагревателю, В связи с этим регулирование подводимой энергии к нагревателю по программе не нашло промышленного применения. Устройство для осуществления этого способа аналогично устройству при ручном управлении, так как необходима коррекция йрограммы на основании визуального контроля.Известныболее прогрессивные способы выращивания монокристаллов, в которых постоянный диаметр прддерживают автоматически путем регулирования подводимой энергии к нагревателю на основании прямой или косвенной информации об изменении диаметра кристалла, Устройство для осуществления, этих способов содержит следящую систему, которая в процессе роста кристалла непрерывно следит за контролируемым параметром.и, если этот параметр отклоняется от задан5 786110 10 20 25 ЗО 35 4 О 60 ной величины, то регулируют подводимую энергию к нагревателю так, цтобыконтролируемый параметр изменялся всоответствии с заданной величиной, 0качестве контролируемых параметров вкосвенных методах могут быть изменение веса кристалла во времени, изменение массы расплава во времени, атакже изменение убывания расплава втигле. Хотя с помощью этих способови удается получить кристалл со сравнительно небольшими отклонениями отзаданного диаметра в процессе роста,однако при этом не достигается болееважная цель - высокая оптическая однородность. Это связано с тем, цтов процессе вытягивания кристалла израсплава вследствие опускания уровнярасплава и уменьшения теплоотвода отповерхности растущего кристалла происходит изменение тепловых условий.В результате чего при регулированиипостоянства диаметра производитсякоррекЦия температуры расплава. Изменение условий теплоотвода от кристалла и температуры расплава приводит кнеоднородностям и ухудшению качествакристалла, так как при этом в процессе роста изменяются велицина и характер температурных напряжений в кристалле, и в соответствии с диаграммойсостояния изменяется состав растущего кристалла. Способы роста, в которых для постоянства диаметра растущего кристалла, кроме коррекции температуры, применяется еще и коррекция по скорости вытягивания, не исключают эти недостатки, а еще большеих усугубляют, так как при этом искусственно вносятся еще большие изменения в процесс роста. Известен способ, в котором процесс выращивания кристаллов ниобата лития ведут автоматически, Платформа с тиглем и расплавом непрерывно взвешивается на электронных весах. Сигнал весов непрерывно Фиксируется на ленте самописца и используется для регулировки подводимой энергии к нагревателю, Процесс выращивания включает затравливание, соприкосновение ориентированной затравки с расплавом, что фиксируется по изменению веса, частичное погружение затравки в расплав, разращивание (диаметра) верхнего конуса кристалла, наращивание цилиндрической части кристалла, автома 6тическое регулирование с помощью следящей системы,Постоянное вмешательство следящейсистемы в процесс выращивания обусловливает основной недостаток известного способа и устройства автоматического управления процессом ростамонокристаллов, так как постоянноевмешательство приводит к искусственным колебаниям температуры расплава,связанным с самим управлением. В своюочередь, колебания температуры отрицательно сказываются на оптическойоднородности кристалла и снижают выход годных кристаллов,Применение кристаллов ниобата лития в квантовой электронике предъявляет к качеству кристаллов повышенные требования, особенно к однородности структуры кристалла по высоте.Искусственные колебания температурырасплава, возникающие в процессе автоматического управления процессомроста, приводят к ухудшению этой важной характеристики,Целью изобретения является исключение колебаний температуры в процессе вытягивания и повышения за счетэтого выхода годных кристаллов,Указанная цель достигается тем,что затравливание ведут из. расплава,уровень. которого находится ниже кромки тигля на величину 0,35-0,15 егодиаметра, разращивание ведут из расплава, уровень которого находится ниже кромки тигля на величину 0,35-0,15его диаметра, разращивание ведут приускорении изменения регулируемого параметра, а вытягивание кристалла ведут при постоянной величине мощности, подводимой к нагревателю, в условиях радиальной симметрии теплового поля и при наличии линейного осевого градиента температуры в камереохлаждения, равного 15-50 град/см.В устройстве для осуществленияспособа платиновый экран выполнендиаметром 0,85-0,7 и высотой 1,2-1,8диаметра тигля и установлен над кромкой тигля на расстоянии 0,1-0,3 диаметра экрана, верхниЙ виток индуктора удален от соседнего витка на расстояние 0,35-0,4 диаметра тигля,смотровое окно имеет квадратное сечение с размером не более 0,1 диаметратигля и выполнено непосредственно надкромкой тигля, а тигель установленна полой подставке.78611Предложенная конструкция создает условия термической симметрии, Это достигается установкой тигля в индукторе, конструкцией индуктора, уста новкой теплового экрана относительно тигля и его габаритами, расположением и размерами смотрового окна (смотровое окно необходимо только на этапе затравливания) относительно кромки 1 О тигля, первоначальным уровнем расплава в тигле, оголенным дном тигля. При этом выращивание кристалла на начальном участке ведется путем коррекции подводимой энергии к нагревателю 15 (разращивание верхнего .конуса кристалла), а цилиндрическая часть растет без изменения мощности нагревате- . ля и скорости вытягивания.Автоматическое разращивание верх него конуса кристалла ведут путем коррекции подводимой энергии на основании информации об изменении уровня расплава (или массы расплава). На этом участке производится автоматическое разращивание верхнего конуса кристалла для того, чтобы сформирбвать кристалл нужного диаметра, причем разращивание ведут с ускорением регулируемого параметра роста (уров- ЗО ня расплава или массы расплава) линейно уменьшаюцимся во времени до нулевого значения. Такое разращивание обеспечивает плавный выход на заданный диаметр без дальнейших переколебаний диаметра кристалла. Пбсле того, как следящая система выведет кристалл на заданный диаметр и начнется наращивание цилиндрической части кристалла, ее отключают и дальнейший 4 О рост проводится при постоянной подводимой к нагревателю энергии. Отключение необходимо для того, чтобы следящая система в процессе управления не вносила искусственных колебаний 4 с; температуры расплава, а условия роста с помощью предлагаемого устройства при этом подобраны такими, что тепловой баланс на границе кристаллизации в процессе роста остается по О стоянным и с этого момента формирование диаметра кристалла будет происходить при стабильно подводимой к нагревателю энергии.ббНа чертеже приведено кристаллизационное устройство, обеспечивающее выращивание кристалла предлагаемым способом,0 8Тигель 1 устанавливают в изоляционную систему, состоящую из двух циркониевых цилиндров 2, 3, на циркониевое кольцо 4, Цилиндры 2, 3 и кольцо 4 устанавливают на циркониевый круг 5 толщиной 20 мм. Зазор между стенками тигля 1 и внутренним цилиндром 2 устанавливают равным 3- 4 мм, Дно тигля не утепляют. На цилиндр 2 устанавливают циркониевую трубу 6, внутри которой устанавливают платиновый экран 7, Причем диаметр экрана на 10 мм меньше диаметра тигля. Экран 7 устанавливают от верхней кромки тигля на расстоянии 7-8 мм, 6 нижней части трубы 6 над кромкой тигля устанавливают смотровое окно 8 размером 5 х 5 мм. Окно закрывают кварцевым стеклом, На цилиндр 3 устанавливают циркониевую трубу 9, Причем труба 9 выше экрана 7 на 20 мм. На экран 7 устанавливают платиновую крышку 10, а на трубу 8 - циркониевую крышку 11. Дополнительный виток 12 индуктора удаляют от верхнего витка основного индуктора 13 на расстоянии 23-26 мм. Основной верхний виток индуктора устанавливают выше кромки тигля на расстоянии 7-9 мм.Затравливание кристалла осуществляли на ориентированной затравке 14 из расплава, уровень которого находился ниже верхней кромки тигля 1 на 8 мм. Первоначальный уровень расплава в тигле 1 по отношению к верхней кромке тигля должен, находиться в пределах 0,35-0,15 его диаметра. При затравливании из полного расплавом тигля (расстояние от кромки тигля меньше 0,15 его диаметра) требуется для поддержания постоянного диаметра кристалла значительная коррекция подводимой энергии к нагревателю, что отрицательно скажется на качестве кристалла, При затравливании из расплава, уровень которого ниже кромки тигля на 0,35 его диаметра, будет сказываться сильное экранирующее влияние стенок тигля и процесс роста кристалла будет происходить из "переохлажденного" расплава, что также скажется на качестве кристалла. Смотровое окно необходимо только наэтапе затравливания. Оно закрыто кварцевым стеклом, Дальше .проводят разращивание кристалла автоматически с помощью следящей системы, Кристалл после стадии разращивания перекрывает смотровое окно,П редла гаемыйспособ Утвержденный регламент 4 були треснули впроцессе охлаждения Все були целые 6 кристалловимели 2 Ч = 90 5 остальных 2 Ч = 120 1 кристалл имел2 Ч = ТОО остальные 62 Ч130 9 78611 после чего оно не влияет на изменение тепловых условий роста.Разращивание осуществляют с ускорением регулируемого параметРа (уровня расплава), линейно уменьшающимся во времени до нулевого значения. Такое разращивание обеспечивает плавный переход с конусной части кристалла на цилиндрическую. После выхода кристалла на заданный диаметр отклюцают следящую систему, Последующий рост кристалла ведут при постоянных подводимой к нагревателю энергии и скорости вытягивания. Выбранное рас положение верхнего витка индуктора, экрана и размеры экрана позволяют создать линейно меняющийся осевой температурный градиент над расплавом. Дно тигля 1 специально не утеп ляется циркониевой кромкой. Это приводит к тому, что в процессе роста кристалла по мере убывания уровня расплава в тигле усиливается экранирующее влияние оголенных стенок тиг ля, которое уменьшает теплоотвод от кристалла. Для того, чтобы в этих условиях сохранить неизменным тепловой баланс на границе кристаллизации без изменения скорости вытягивания и диа метра кристалла, необходимо уменьшать тепловой поток из расплава, Тепловой поток по кристаллу состоит из скрытой теплоты кристанлизации и теплового потока из расплава. О= О+ О, 35 где Ок - тепловой поток по кристаллу, О- скрытая теплота кристаллизации, О, - тепловой поток из расплаваУменьшение теплового потока из расплава в процессе роста кристалла достигается неутепленным дном тигля, так как зеркало расплава по мере преврацения жидкой фазы расплава в твердую приближается к дну тигля, и перепад температуры между поверхностью расплава и дном тигля уменьшается. Расположением тигля в индукторе, при котором его кромка находится ниже 0 10верхнего витка индуктора на 0,1-0,25 диаметра тигля, обеспечивают равномерный нагрев тигля высокочастотным полем.Выращенные в этих условиях кристаллы имеют высокую оптическую однородность, Их качество значительно выше. Отсутствуют термицеские напряжения, что увеличивает выход годных кристаллов.В целях сравнения оптических характеристик и выхода качественных кристаллов было проведено 11 кристаллизаций предлагаемым способом и столько же согласно утвержденному регламенту. Оптическое качество оценивалось по величине аномальной двуосности Ч, которая для случая тригонального кристалла, каковым является ниобат лития, должна отсутствовать, По современным требованиям эта величина не должна превышать 90/Сравнительные данные по вырациванию монокристаллов представлены в таблице. П редла га емый способ эффе кт ивен не только для получения кристаллов ниобата лития, он может быть применен для выращивания других оксидов методом Чохральского.-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул, Гагарина, 101 Произворс аказ 1088 ТиражНИИПИ Государственного комитета п113035, Москва, Жобретениям Раушская н Подписноеоткрытиям пр