Способ выращивания монокристаллов группы дигидрофосфата калия

 

Использование: в технологии выращивания кристаллов на затравках, ростовая поверхность которых представляет собой естественную грань. Сущность изобретения: монокристаллы выращивают из переохлажденного раствора на размещенную на дне формы затравку, соответствующую ее размерам и вырезанную параллельно естественной грани. В качестве затравки используют пластину из дефектного кристалла и в начале процесса визуально контролируют возникновение в растущем кристалле источника центра образования дефектов, который удаляют на всю толщину затравки. Изобретение направлено на уменьшение количества отходов скоростной технологии выращивания кристаллов больших размеров. 1 с. п. ф-лы, 3 ил. 1 пр.

Изобретение относится к технологии выращивания кристаллов на затравках, ростовая поверхность которых представляет собой естественную грань. Изобретение может быть использовано, например, в скоростной технологии выращивания кристаллов группы КДР сечением более 150х150 мм². Изобретение направлено на уменьшение количества отходов скоростной технологии выращивания кристаллов больших размеров. Такая задача возникла в процесс разработки технологии выращивания кристаллов ДКДР скоростным способом на затравках размеров более 150х150 мм². Стоимость каждой затравки большого размера высока из-за трудоемкости процесса ее получения и значительной цены используемого сырья. Если затравка становится дефектной и на ней растет кристалл плохого качества, это приводит к большим экономическим потерям. Необходимым условием высокого качества кристалла является отсутствие во время его роста на поверхности грубых ступеней, которые приводят к захвату микрочастиц раствора, образованию прослоек, напряжения и других дефектов. Прямой причиной образования грубых ступеней является действие на растущей поверхности избыточно мощного центра роста при достаточно высоком пересыщении раствора. Сложность поставленной задачи, а именно выращивание кристаллов большого сечения с высокой скоростью и необходимого качества, состоит в том, что необходимо одновременное выполнение этих требований. Известны традиционные способы выращивания кристаллов больших размеров и достаточно высокого качества, основанные на использовании в качестве затравки пластины Z-среза или пирамиды кристалла. Недостатком таких способов является большая длительность циклов выращивания, обусловленная малым переохлаждением раствора и, как следствие, низкой скоростью роста. Другим недостатком таких способов выращивания является то, что из-за формы кристалла и зоны регенерации затравки при изготовлении оптического элемента образуется большое количество отходов кристаллического материала. В качестве прототипа выбран способ выращивания монокристаллов группы дигидрофосфата калия, свободный от указанных недостатков. Способ включает в себя помещение затравки, вырезанной параллельно естественной грани кристалла, в специальную форму, которая ограничивает рост кристалла в стороны. Форму с затравкой устанавливают в кристаллизатор и заливают раствором. Переохлаждение постепенно доводят до значения, обеспечивающего высокую скорость роста. Вместе с ростом переохлаждение постепенно доводится до рабочего значения интенсивность движения раствора. Недостатком прототипа является наличие отходов, особенно при выращивании кристаллов больших размеров. Это связано с тем, что рост кристалла идет на затравке, вырезанной параллельно естественно грани, поэтому при регенерации такой затравки практически отсутствует промежуточный поликристаллический слой между затравкой и наросшим слоем. При наличии в такой затравке каких-либо дефектов на них возникают достаточно мощные центры роста, которые при переохлаждениях, применяемым в этом способе, часто становятся источниками центров образования дефектов. Это приводит к захвату микровключений раствора и прослойкам. Для кристаллов КДР и ДКДР, например, это особенно проявляется при переходе к размерам более 150х150 мм². Кристаллы таких размеров представляют сейчас наибольший интерес для нелинейной оптики. Целью изобретения является снижение отходов. Поставленная цель достигается тем, что в способе выращивания монокристаллов группы дигидрофосфата калия из переохлажденного раствора на размещенную на дне формы заправку, соответствующую ее размерам и вырезанную параллельно естественной грани, в качестве затравки используют пластину из дефектного кристалла, и в начале процесса визуально контролируют возникновение в растущем кристалле источника центра образования дефектов, который удаляют на всю толщину затравки. Сущность изобретения заключается в удалении из кристаллической пластины, вырезанной параллельно естественной грани, дефекта, на котором образуется ведущий центр роста. Такой центр при излишней мощности становится источником образования дефектов и приводит к браку. Проведенные авторами эксперименты показали, что если на месте мощного центра роста изготовить отверстие диаметром несколько миллиметров и снова поставить затравку на рост, то центр роста как правило, исчезает или становится слабее. Подобный эффект можно объяснить тем, что мощный центр роста представляет собой, в отличие от элементарной винтовой дислокации, некоторую совокупность винтовых дислокаций, которая после регенерации удаленной части кристалла меняет свою структуру, что и отражается на мощности центра роста в сторону ее снижения. На фиг.1 изображена помещенная в форму затравка с мощным источником центра образования дефектов, от которого идут грубые ступени; на фиг.2 затравка с отверстием на месте источника дефектов; на фиг.3 вид растущего кристалла без грубых ступеней на затравке после удаления источника дефектов. Способ реализуется следующим образом. Затравку 1, вырезанную параллельно естественной грани кристалла, например параллельно грани пирамиды кристалла ДКДР, помещают в форму 2, поперечное сечение которой совпадает с сечением затравки 1. В конкретном примере затравка выполнена в виде диска, а форма является цилиндрической. Внутренний диаметр формы и диаметр затравки 210 мм. Форму 2 с затравкой 1 устанавливают в кристаллизатор (на чертеже не указан), который заполняют недонасыщенным (перегретым) раствором. В конкретном случае используют раствор соли КДР в D₂O с кислотой D₃PO₄ с общим процентом дейтерирования 95% и точкой насыщения около 50^оС. Температуру в кристаллизаторе постепенно снижают до достижения необходимого значения переохлаждения, которое в конкретном случае составляет 3,5-4^оС, с одновременным увеличением динамики раствора. В конкретном примере динамика увеличивается за счет увеличения частоты вращения крыльчатки помпы, которая гонит раствор в форму. После вывода на режим значений ΔТ и динамики раствора осуществляют визуальную оценку качества роста кристалла. При обнаружении на растущей поверхности мощного центра 3 роста, дающего грубые ступени 4, процесс роста прекращают, например, путем сливания раствора из кристаллизатора. Дефектный кристалл извлекают после снижения температуры в кристаллизаторе до комнатной. Определяют на нем положение источника центра образования дефектов, например, по сохранившейся морфологии поверхности и по трещинкам вокруг него, и выполняют на его месте отверстие 5 (см. фиг.2) диаметром несколько миллиметров. В конкретном случае на месте центра образования дефектов высверливают трубчатым сверлом отверстие диаметром 10 мм. После этого затравку 1 с отверстием 5 ставят на рост по той же методике. Если по визуальному наблюдению после выхода на рабочие значения переохлаждения и динамики раствора грубые ступени роста отсутствуют, то процесс роста продолжают необходимое время. В конкретном случае на затравке 1 удаления мощного источника центра образование дефектов был выращен кристалл 6 толщиной 20 мм без видимых дефектов (см. фиг.3). Следует отметить, что минимальный диаметр отверстия определяется точностью локализации источника дефектов и необходимостью максимально удалить этот источник из затравки. Максимальный диаметр ограничен из соображений трудности зарастания отверстия большого диаметра без образования дефектов, дающих центры роста такой же или даже большей мощности.

Формула изобретения

СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ГРУППЫ ДИГИДРОФОСФАТА КАЛИЯ из переохлажденного раствора на размещенную на дне формы затравку, соответствующую ее размерам и вырезанную параллельно естественной грани, отличающийся тем, что, с целью снижения отходов, в качестве затравки используют пластину из дефектного кристалла и в начале процесса визуально контролируют возникновение в растущем кристалле источника центра образования дефектов, который удаляют на всю толщину затравки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3