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

 

1. Способ выращивания монокристаллой сложных оксидов из расплава, включающий затравливание монокристалла на ориентированную затравку, ее разрапщвание до заданного диаметра при регулировании мощности нагревателя, вытягивание монокристалла с последуюпрш перемещением его в камеру охлаждения в условиях постоянного осевого градиента температуры , равного 15-50 град/см и охлаждение до комнатной температуры , отличающийся тем, что, с целью улучшения качества монокристаллов лантангаллиевого силиката различной ориентации, на границе раздела кристалл-расплав обеспечивают осевой градиент температуры , равный 75-120 град/см, перемещение монокристалла в камеру охлаждения осуществляют со скоростью 8-14 мм/ч, выдерживают в ней 2-3 ч и охлаждение в интервале температур 700-850 К ведут со скоростью 25-30 град/ч, а в остальном интервале температур - со скоростью 50- 60 град/ч. 2. Устройство для вьфащивания 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 зкраны, а снаружи - один из витков индукционного нагревателя, отличающееся тем, что, с целью улучшения качества монокристаллов лантангаллиевого силиката различной ориентации, между камерами установлены два коаксиальных кольца, в верхней части которых выполнено не менее чеч-ьфех симметричньгх прорезей шириной основания 0,72-0,75 и высотой 0,4- 0,5 высоты колец, внешнее кольцо выполнено с возможностью вращения 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 диаметру центрального отверстия диска, и высотой, равной высоте платинового зкрана, высота и диаметр которого соответственно равны 2,0-2,5 и 0,75-1,0 диаметра тигля, в наружю ю о© О1 ю О)

союз соеЕ1 сних

СОЦИАЛИСТИЧЕСНКХ

РЕСПУБЛИН

„.SU 1228 26

М (51)5.С 30 В 15/14 29/22

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГПФ (46) 15.02.93. Бюл. 9 6 (21) 3791338/26 (22) 21.09.84 (72) И.Ф. Дубовик и Б.П. Назаренко (56) А.A. Kaminskii et а1. Tnvestiaation of trygonal (Ьа, „ Nd„), Ga SiO„„crystals. "Phys з1Миз solidi", 1983, ч. 80, Р 1, р.р. 387-398.

Заявка Японии У 52-48590, кл. В 01 J 17/18, 1977, (54 }СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ ИОНОКРИСТАЛЛОВ СЛОЖНЫХ ОКСИДОВ ИЗ РАСПЛАВА И

УСТРОЙСТВО 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 мощности нагревателя, вытягивание монокристалла с последующим перемещением его в камеру охлаждения в условиях постоянного осевого градиента температуры, равного 15-50 ãðàä/см и охлаждение до комнатной температуры, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества монокристаллов лантангаллиевого силиката различной ориентации, на границе раздела кристалл- расплав обеспечивают осевой градиент температуры, равный 75-120 град/см, перемещение монокристалла в камеру охлаждения осуществляют со скоростью

8-14 мм/ч, выдерживают в ней 2-3 ч и охлаждение в интервале темпера. тур 700-850 К ведут со скоростью

25-30 град/ч, а в остальном интервале температур — со скоростью 50-.

60 град/ч.

2. 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 качест- g ва монокристаллов лантангаллиевого силиката различной ориентации, между камерами установлены два коакси- . С альных кольца, в верхней части которых выполнено не менее четырех симметричных. прорезей шириной основания 0,72-0,75 и высотой 0,40,5 высоты колец, внешнее кольцо вы- © полнено с возможностью воашения и имеет высоту 0,15-0,35 диаметра Об тигля, а внутреннее кольцо имеет О 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 файв с внутренним диаметром, равньм диаметру 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 наружвом керамическом экране выполнено не менее четырех симметричных прорезей, ширина которых равна 0,2-0,3 а высота — 0,25-0,35 высоты плати1728526 нового экрана, а виток индукционного нагревателя камеры охлаждения расположен на расстоянии 0,6-1,0 диаметра тигля, 1

Изобретение относится к области выращивания монокристаллов сложных оксидов иэ расплава, в частности лантангаллиевого силиката методом

Чохральского, и может быть использовано в химической и электронной промыпленностях.

Целью изобретения является улучшение качества монокристаллов лан1 тангаллиевого 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.

Предлагаем@ способ включает следующую последовательность операций: расплавляют сырье в тигле; обеспечивают осевой градиент температуры на границе раздела твердой . и 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 крист алл перемещают выращенный монокристалл в камеру охлаждения со скоростью 8-14 мм/ч, 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 вЂ” со скоростью 2530 град/ч.

Устройство для реализации предлагаемого способа включает камеру 1 роста с тиглем 2 внутри, снабженную индукционным нагревателем 3, верхний виток которого удален ат соседнего витка на расстояние 0,6-1,0 диаметра тигля 2. Тигель 2 установлен в теппоиэолирующую систему, состоящую иэ керамических экранов 4 и 5. Между тиглем 2 и экраном 4 находится мелкозернистая засыпка 6. Камера 7 охлаждения размещена над камерой роста 1, снаружи охвачена витком, ин10 дукционного нагревателя 3, содержит систему теплоизолирующих керамических экранов 8 и 9 и платиновый экран

10, высота и диаметр которого соот.ветственно равны 2,0-2,5 и 0,75-1,0

1э диаметра тигля 2. В наружном по отношению к платиновому керамическом экране 8 выполнены симметрично не менее четырех прорезей .11, ширина которых равны 0,2-0,3, а высота щ 0,25-0,35 высота платинового экрана

l0. Между камерой 1 роста и камерой

7 охлаждения установлены два коакси. альные кольца: внутреннее кольцо 12 высотой 0,2-0,4 диаметра тигля и

25 внешнее кольцо 13 высотой 0,15-0,35 диаметра тигля, выполненное с воэможностью врацения. В верхней части указанных колец выполнены не менее четырех симметричных прорезей 14 шищ риной основания 0,72-0,75 и высотой

0,4-0,5 высоты колец. На внутреннее кольцо 12 установлен керамический разрезной диск 15 толщиной 0,1-0,2, диаметра тигля с центральным отверстием 16, диаметр которого составляет 0,4-0,7 диаметра тигля. Внутрен ний диаметр керамического экрана 9 равен 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 перемещения штока 18, на котором крепится эатравочный кристалл 19. На чертеже приведен также выращенньй моя< кристалл

1228526 вытягивания 2 мм/ч и скорости вращения 20 сб/мин, поддерживая диаметр постоянным.

При длине монокристалла б5 мм рост его цилиндрической части прекращают, так как оголенные стенки тигля 2 начинают оказывать существенное влияние на тепловой баланс, на фронт кристаллизации. Незначительным повьнпением 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 монокристалла 20 в камеру 7 охлаждения через отверстие lб s 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 К ч, а в области температур, в которой существует аномалия термического расширения кристаллов лантангаллиевого силиката (850- 700 К), со скоростью 30 К/ч.

При этом платиновый экран 10, крышка 17 и керамические экраны

8, 9„ прорези ll, выполненные в экране 8, а также удаленный верхний виток, на указанное расстояние обеспечивают выравнивание теплового поля в камере 7 охлаждения, повьппают ее инерционность при охл ажи денни и обеспечивают линейный температурный градиент по длине кристалла в области аномалии термического расширения 3 град/см.

Для сравнительной оценки качества монокристаллов лантангаллиевого силиката, выращенных по способам-аналогам н предложенному (см. таблицу), измеряли диаметр и длину кристаллов: блочность и разориентацию блоков (методом рентгено-структурного анализа); угол аномальной двуосностн 2, характеризующий из" мененне. обыкновенного и необыкновенного показателей преломления кристалла прежде всего из-за остаточных термических напряжений в периферий" ных и центральных участках кристалла (оптическим методом с помощью полвризационнОГО микроскопа;

sin 27=:;An,/hn,, де Д n =n - и.=

- -O,0112 (Л = О,ЬЗ мкм) — естественное двулучепреломление: H Дп изменение двулучепреломления; определяли визуально наличие трещин.

Первоначально растили монокрис I0 таллы лантангаллиевого силиката по режимам и в устройстве, приведенным в .Г11, Вырастить монокристаллы наиболее трудных ориентаций !11 70) и (10T0) диаметром более 4 мм, длиной

15 более 15 мм и свободные от трещин и блочности не удалось. Иэ них невозможно было изготовить образцы удовлетворительного качества.

Использовав приемы аналога f 2l

20 удалось увеличить размеры выращиваемых кристаллов таких же ориентаций, однако из-за трещин и блочности изготовить образцы удовлетворительного оптичсского качества и из25 мерить их параметры было невозможно.

Техническое решение C 3) выбрано в качестве прототипа по максималь30 ному количеству общих признаков. Выращивать же монокрнсталлы лантангаллиевого силиката н соответствии с этим техническим решением из-за асимметрии теплового поля не представляется возможным. Поэтому в таблице приведено сравнение предлагаемого способа со способами-аналогами (1 и 23.

В таблице приведен только один нз основных параметров — градиент температуры на границе раздела твердой и жидкой фаз.

Выращивание монокристаллов лантангаллиевого силиката предложенным способом при градиентах температур на границе раздела фаз расплав — крис ,талл ниже 70 грац/см н вьче

120 град/см позволчет увеличить размеры монокристаллов, но блоки и трещины в них имеются го всей длине.

При градиентах 75 град/см и

120 град./см наблюдается умен>.шение блочности, а единичные трека.иы имеются только в нижней части моиокристалла. (нижний KQHyc), оптн.-и..кое качество улучшается.

20, перемещенньп в камеру 7 охчаждения. Шток IB соединен с механизмом вытягивания и вращения, которые на чертеже не обозначены.

В конкретном устройстве. тигель 2 имел высоту и диаметр, равные 50 мм и толщину стенок 3 мм. Тигель 2, помещенный в керамические экраны 4,, 5 из окиси алюминия, устанавливали в индуктор 3 так, чтобы его аерхняя кромка находилась на уровне последнего из витков 3.

Индукционный нагреватель 3 с внешним диаметром 120 мм выполнен из медной трубки диаметром 15 мм . и состоял из шести витков, верхний из которых был удален от соседнего из витков на расстояние 50 мм (1,0 диаметра тигля 2). Высота экрана 5 равна 80 мм, внешний диаметр

90 мм, Керамическое кольцо 12 из окиси алюминия имело высоту и диаметр соответственно 15 и 75 мм (0,3 и 1,5 диаметра тигля), а кольцо 13 также из окиси алюминия 14 и

85 мм соответственно 0,28 и 1,7 диаметра тигля 2. В обоих кольцах выполнено симметрично по четьфе треугольные прорези высотой и шириной основания соотнетственно 7,5 и

11 мм (0,5 и 0,73 высоты кольца 12)

Диаметр разрезного керамического диска 15 иэ окиси алюминия равен

100 мм, а толщина — 8 мм (2 и 0,16 диаметра тигля), диаметр внутреннего отверстия в нем 34 мм (0.68 диаметра тигля).

Платиновый экран 10 имеет высоту 110 мм (2,2 диаметра тигля 2) и диаметр 50 мм (1 диаметр тигля).

Вйутренний диаметр керамического экрана 9 из окиси алюминия равен

34 мм, толщина стенки 4 мм.

1228526

По предлагаемому способу и па предлагаемом устройстве были проведены выращивания монокристаллов лантангяллиеного силиката тригональной сингонии (пространственная группа симметрии Р321), обладающих низкой теплопроводностью. Расплавы этих монокристаплов, как показали наши эксперименты, переохлаждаются на несколько десятков градусов.

Для выращивания монокристаллов использовалась шихта, синтезированная твердофазным методом из окислов .пантана, галлия и кремния, взятых в стехиометрическом соотношении. Шихту наплавляли в платиновый тигель 2, установленный в системе теплоиэоли" рующих экранов 4, 5 с мелкозернистой засыпкой 6, расположенных в камере роста, до уровня на 2-3 мм ниже его верхней кромки. Направление шихты и процесс роста вели в воздушной атмосфере на установке с индукционным нагревом Донец-1 д После направления шихты, которое осуществляют увеличением по заданной программе, подаваемой на индукционный нагреватель 3 электрической мощности (температура плавления лантангаллиевого силиката равна 1743+10 К,1, расплав выдерживают 1 ч при незначительном перегреве (на 20 градусон) для гомогениэации.

Вращая кольцо 13 относительно коль.

35 ца 12,,добиваются такого взаимного расположения отнерстий 14, ныйолненнья в этих кольцах, которое обеспечивает осевой градиент температуры на границе раздела тнердой и жидкой фа1 зы {граница расплав — кристалл) равным 80 град./см. В камере 7 охлаждения при этих условиях обеспечивается температурный градиент нцоль ее оси, ранный 30 град./см.

Внутренние диаметры камеры 7 охлаждения и керамического экрана 8, выполненные из окиси алюминия, равны соответственно 75 и 60 мм при толщине стенок 4 мм.

Керамическая крьппка 17, выполненная также из окиси алюминия, имеет толщину 8 мм, диаметр 100 мм, диаметр отверстия н ней равен

10 мм. На платиновый шток 18 укрепляют затравочный кристалл 19, ориентированный вдоль оптической оси ОООЦ, или перпендикулярно ей вдоль осей 11201 и (I0103.

Величины температурного гр..клиента контролируют с помощью платипо-Родиевой термопары (на чертеже не показана).

Затем к поверхности распяв а медленно подводят затравочный при"тала

19, осуществляют его контакт с Распланом и разращивают .до задап го диаметра (25 мм) при регулиров:.ппн мощности индукционного нагрева".сля 3.

Вытягивание монокристалла 20:;i»i выращивании осуществляют со cKot < <ò ю

2 мм/ч. Последующий рост мыюкристалла 20 ведут при постоянной око, о< ти

1228526

Составитель я. Шабалин

Редактор А. Пилипенко Техред И.Попович Корректор М. Самборская

Заказ 1096 Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035> Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

При градиенте температуры вьппе

75 град/см и ниже 120 град/см единичные трещины, как правило, отсутотнят,а рачориентация отдельных микроблок он не преньппает25-40угл. с, оптическое качество кристаллов улучпиется .