Способ выращивания монокристаллов германата висмута

 

Использование: получение кристаллов для ядерной физики, физики высоких энергий . Сущность изобретения: монокристаллы вытягивают из расплава в платиновом тигле на вращающуюся затравку. После отрыва выращенного кристалла от расплава мощность высокочастотного индуктора уменьшают в 1,5-2,5 раза в течение 2-10 с. Получают кристаллы без трещин, тигли не деформируются. 1 табл.

союз соВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4911952/26 (22) 19.02.91 (46) 23,04,93, Бюл, M. 15 (71) Институт монокристаллов АН УССР (72) С.cb,Бурачас, В,П,Мартынов, Е.Н,Пирогов, В.Г.Бондарь, В,И,Кривошеин, С,К.Бондаренко и Б.В,Загвоздкин (56) Авторское свидетельство СССР

N 762257, кл. С 30 В 15/00, 1979 (непублик.), Авторское свидетельство СССР

М 1700954, кл. С 30 B 15/00, 1989 (непублик.), Изобретение относится к технологии получения монокристаллов германата висмута со структурой эвлитинэ BI4GeaO<2 (BGO) и может быть использовано при промышленном производстве кристаллов, находящих все более широкое применение в ядерной физике, физике высоких энергий и других областях науки и техники при быстро растущем на них спросе на мировом рынке.

Изобретение может быть использовано и при выращивании других кристаллов методом Чохральского (гранатов, ниобатов, TBHталатов, силикатов и др.).

Цель изобретения — повышение производительности, выхода годного и увеличение срока службы платиновых тиглей.

В основе заявляемого технического решения лежат следующие физические явления. После отрыва кристалла от расплава начинается быстрое охлаждение его нижней приосевой части вследствие лучистой теплопроводности,по кристаллу и резкого уменьшения подвода тепла от расплава, В

„„ЯЦ„„1810401 А1. (я)л С 30 B 15/00. 29/32 (54) СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ГЕРМАНАТА ВИСМУТА (57) Использование: получение кристаллов для ядерной физики, физики высоких энергий. Сущность изобретения, монокристаллы вытягивают из расплава в платиновом тигле на вращающуюся затравку. После отрыва выращенного кристалла от расплава мощность высокочастотного индуктора уменьшают в 1,5 — 2,5 раза в течение 2 — 10 с.

Получают кристаллы без трещин, тигли не деформируются. 1 табл. то же время боковая поверхность кристалла продолжает нагреваться излучением от раскаленных боковых стенок тигля,.Такой процесс ведет к резкому возрастанию радиального градиента температуры и связанных с ним термоупругих нй1ряжений, что может привести к растресгиванию кристалла, Снижение подводимой к индуктору высокочастотной мощности приводит к значительному уменьщению радиального градиента температуры в нижней части кристалла (за счет уменьшения подогрева боковой поверхности кристалла оголенными стенками тигля) и уменьшению возникающих после отрыва кристалла термоупругих напряжений.

В результате кристалл после отрыва не растрескиэается и сохраняет то качество, которое было достигнуто на стадии роста. Дефектная часть и (или) специально сформированный нижний конус у кристалла, выращенного описанным способом, от1810401

Кристалл вращается и вытягивается хлаждение кристалла

Кристалл вращается. сутствуют, т,е. доля кристалла годной для изготовления из него изделий (сцинтилляторов) близка к 100 .

Кроме того, в результате быстрого охлаждения стенок тигля кристаллизация расплава начинается снизу и от стенок тигля. В итоге расплав застывает таким образом, что деформация тигля полностью отсутствует, что увеличивает их срок службы, 3а счет сокращения времени снижения мощности и отсутствия роста дефектной части (нижнего конуса) длительность непроизводительного заключительного зтапа выращивания (охлаждение кристалла и кристаллизационного узла) сокращается с 15—

20 ч до 8-10 ч, т,е, в 2 раза, Это повышает производительность ростовых установок на

6 — 8о(,.

Снижать мощность быстрее 2 с на существующих ростовых установках с АСУТП нецелесообразно из-за особенностей их конструктивных и схемных решений, приводящих к нестабильности и нарушениям работы АСУТП и ростовой установки.

При времени снижения мощности более

10 с в некоторых случаях наблюдается растрескивание кристалла в ходе его последующей обработки (т,е, достаточно велики остаточные напряжения, которые иногда приводят к растрескиванию), Снижение мощности менее чем в 1,5 и более чем в 2,5 раза недостаточно эффективно, так как приводит к растрескиванию кристалла либо в ходе охлаждения, либо в ходе последующей обработки, Это связано с тем, что в первом случае охлаждение периферии кристалла идет существенно медленнее его приосевой части, а во втором случае наоборот. Например, для германата висмута в одном из опытов температура стенок тигля в первом случае снижается с 1146 до 1024 С в течение 60 с., а во втором случае с 1148 до 972" С в течение того же времени.

Таким образом, в результате снижения подводимой к индуктору высокочастотной мощности в 1,5-2,5 раза в течение 2 — 10 с (непосредственно сразу после отделения кристалла от расплава увеличением скорости вытягивания) кристалл не растрескивается и у него отсутствует дефектный нижний конус. При этом доля годного качественного кристаллического материала близка к

100% (т,е. увеличивается по сравнению с прототипом на 5 — 107;), отсутствуетдеформация тигля, производительность ростовых установок увеличивается на 6 — 8, Заявляемый способ включает следующие операции:

4,5

I, Затравление

2.Разращивание верхнего конуса

3. Рост при постоянном диаметре

4. Отделение кристалла от расплава

5. О

В заявляемом способе операция формирования нижнего конуса исключается, а повышение выхода годных кристаллов, исключение деформации тигля и повышение производительности ростовых установок осуществляется за счет применения нового приема, а именно . уменьшением подводимой к индуктору высокочастотной мощности в 1,5 — 2,5 раза в течение 2-10 с непосредственно после отделения кристалла от расплава увеличением скорости вытягивания, Пример. Тигель с наплавом шихты германата висмута помещают в кристаллизационный узел установки "Кристалл — 613".

Германат висмута расплавляют в платиновом тигле диаметром 100 и высотой 120 мм в окислительной атмосфере, опускают в расплав вращающуюся со скоростью

40 об/мин затравку и вытягивают ее со скоростью 1,5 мм/ч, С помощью АСУТП разращивают верхний конус и далее кристалл постоянного диаметра (например

55 1 мм). При достижении длины кристалла 200 мм увеличивают скорость вытягивания до 2000 мм/ч (и тем самым отрывают его от расплава) и поднимают на высоту 50 мм, Сразу же после отрыва кристалла (контролируется по приборам

АСУТП) в течение времени t (2 — 10 с) снижают подводимую к индуктору высокочастотную мощность в и (1,5 — 2,5) раза. Затем начинают охлаждение по заданной программе АСУТП (100-150 град/ч). После охлаждения кристалла его извлекают из кристаллизационного узла и оценивают его качество.

По результатам испытаний время t < 2 с осуществить практически нецелесообразно из-за нарушений в работе АСУТП, При

2 с < t < 10 с и 1 5 «2,5 кристалл не растрескивается. При t 10 с, и < 1,5 и n > 2,5 кристалл растрескивается либо в ростовой камере, либо при дальнейшей обработке, Результаты испытаний способа приведены в таблице, Авторами были проведены сравнительные испытания заявляемого технического решения, Всего было проведено 35 опытов по режимам в соответствии с формулой (или близким к ним) для различных монокристаллов германата висмута. Более

1810401

Примечания

Кратность уменьшения

ВЧ мощности и, раз

Объем годной части кристалла, 7, KLAN& опыта

Длительность снижения ВЧ мощности t, с

40-50

90 — 95

Способ по аналогу

Способ по прототипу

15

Заявляемый способ: запредельный режим

Частично запредельный режим

Граничный режим

1,4

2,6

10

1,5

2,5

Граничный режим

1,8

99,5

Режим, близкий к оптимальному

2,0

99,5

1,9

99,5

Режим, близкий к оптимальному

10 l,7

99,5

50 опытов было проведено по прототипу и аналогам.

Все кристаллы, полученные в соответствии с формулой изобретения, не имели трещин и дефектного нижнего конуса, объем годной части кристалла составил 98-100%.

В то же время кристаллы, полученные по аналогам и прототипу, имели трещины и дефектные части. Объем годной части этих кристаллов составил 40-957;, При выращивании по заявляемому способу деформация тиглей полностью отсутствует, в то время как при выращивании по прототипу и аналогам она наблюдается в

30 — 50 случаев.

Длительность операции охлаждения кристалла до его полного остывания по заявляемому способу 8 — 10 ч, а по прототипу и аналогам 15 — 20 ч.

Таким образом, испытания показали, что заявляемый способ позволяет повысить выход годных кристаллов и производительность ростовых установок, увеличить срок службы платиновых тиглей.

Указанный способ может применяться при выращивании многих монокристаллов сложных оксидов методом Чохральского (например, ниобата и танталата лития, нио5 бата бария — стронция, алюмоиттриевого граната, силиката гадолиния и др.).

Формула изобретения

10 Способ выращивания монокристаллов германата висмута, включающий расплавление исходного материала в платиновом тигле с помощью высокочастотного индуктора, затравление на вращающуюся

15 затравку, разращивание конусной части кристалла, вытягивание его цилиндрической части, отделение кристалла от расплава и его охлаждение, о тл и ч а ю щи и с я тем, что, с целью повышения производи20 тельности, выхода годных кристаллов и увеличения срока службы платиновых тиглей, после отделения кристалла мощность индуктора уменьшают в 1,5-2,5 раза в течение 2 — 10 с,