Способ выращивания кристаллов методом вернейля и установка для его осуществления

 

Изобретение относится к выращиванию монокристаллов тугоплавких соединений, используемых в лазерной технике, микроэлектронике , оптике, медицине, точном приборостроении. Способ выращивания кристаллов включает подачу шихты в камеру Изобретение относится к выращиванию монокристаллов тугоплавких соединений по методу Вернейля. например таких как рубин, корунд с титаном, лейкосапфир, рутил, титанат стронция, ферриты и ряд других, используемых в лазерной технике, микроэлектронике , оптике, медицине,, точном приборостроении. Цель изобретения - увеличение размеров выращиваемых кристаллов с высокой оптической однородностью. кристаллизации через многоканальную горелку с одновременной подачей через ее каналы потоков кислорода и водорода, плавление шихты и рост кристалла. При этом наружную стенку камеру кристаллизации нагревают дополнительными потоками кислорода и водорода, которые подают сверху через каналы дополнительной горелки . Приведены режимные параметры способа . Устройство для осуществления способа содержит камеру кристаллизации в виде двух изолированных коаксиальных муфелей . Во внутреннем муфеле размещен кристаллодержатель. Над ним коаксиально размещены основная и дополнительная горелки . Причем дополнительная горелка соединена с наружным муфелем. Устройство снабжено автоматической системой поддержания фронта кристаллизации и диаметра кристалла. Для подачи шихты устройство содержит бункер и дозатор, связанный с автоматической системой. Даны соотношения для определения размеров муфелей..2 с.и. 4 з.гт. ф-лы, 3 ил. На фиг. 1 приведена схема устройства; на фиг.2 - камера кристаллизации; на фиг.З - график распределения температуры на внутренней стенке внутреннего муфеля. Устройство для выращивания кристаллов содержит камеру кристаллизации, выполненную в виде двух изолированных коаксиальных муфелей 1 и 2. В полости камеры кристаллизации установлен с возможностью вращения и вертикального перемещения кристаллодержатель 3. Над ним размещены основная многоканальная -у Ј 00 го о ю N СЛ OJ

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51>5 С 30 В 11/10

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ (21) 4844212/26 (22) 28.06.90 (56) 07.06.93. Бюл. ГФ 21 (71) Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова (72) И.H.Öèãëåð, К.ll.Чиркина, В.M.Öàðåâ, В.И.Гусев и И.И.Каргин (73) Институт кристаллографии им.А.B.Øóáникова (56) Попов С.К. Выращивание кристаллов синтетического корунда. в виде буль и стер; жней. Сб. статей "Рост кристаллов", АН

СССР, т.2, с.141, 1956.

Вильке К.Т. Выращивание кристаллов, Л.: Недра. 1977, с.394. (54) СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ МЕТОДОМ ВЕРНЕЙЛЯ И УСТАНОВКА

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к выращиванию монокристаллов тугоплавких соединений, используемых в лазерной технике. микроэлектронике. оптике, медицине, точном приборостроении. Способ выращивания кристаллов включает подачу шихты в камеру

Изобретение относится к выращиванию монокристаллов тугоплавких соединений по . методу Вернейля, например таких как рубин, корунд с титаном. лейкосапфир, рутил, титанат стронция. ферриты и ряд других, используемых в лазерной технике, микроэлектронике, оптике. медицине, точном приборостроении.

Цель изобретения — увеличение размеров выращиваемых кристаллов с sblcoKoA .. оптической однородностью., Я), 1820925 АЗ кристаллизации через многоканальную горелку с одновременной подачей через ее каналы потоков кислорода и водорода, плавление шихты и рост кристалла. При этом наружную стенку камеру кристаллизации нагревают дополнительными потоками кислорода и водорода, которые подают сверху через каналы дополнительной горелки. Приведены режимные параметры способа. Устройство для осуществления способа содержит камеру кристаллизации в виде двух изолированных коаксиальных муфелей. Во внутреннем муфеле размещен кристаллодержатель. Над ним коаксиально размещены основная и дополнительная горелки. Причем дополнительная горелка соединена с наружным муфелем. Устройство снабжено автоматической системой поддержания фронта кристаллизации и диаметра кристалла. Для подачи шихты устройство содержит бункер и дозатор. связанный с автоматической системой. Даны соотношения для определения размеров муфелей. 2 с.и, 4 э.rf, ф-лы, 3 ил.

На фиг.1 приведена схема устройства; на фиг.2 —; на фиг.3— график распределения температуры на внутренней стенке внутреннего муфеля.

Устройство для выращивания кристаллов содержит камеру кристаллизации, выполненную в виде двух изолированных коаксиальных муфелей 1 и 2. В полости камеры кристаллизации установлен с возможностью вращения и вертикального перемещения кристаллодержатель 3. Над ним размещены основная многоканальная

1820925 горелка 4 и установленная коаксиально ей дополнительная горелка 5, При этом дополнительная горелка 5 соединена с наружным муфелем 2. Муфели 1 и 2 окружены пятислойной футеровкой 6 и металлической обшивкой 7, в которой выполнено окно 8.

Шихту к выращиваемому кристаллу подают из бункера 9 через дозатор 10, который обеспечивает равномерную и регулируемую в автоматическом или ручном режиме подачу шихты с точностью не менее 2; . Внутренний муфель состоит из трех секций: верхней — секции факела, средней — секции кристаллизации и нижней — секции охлаждения, Наружный муфель состоит из двух секций:верхней — секции факела и нижней— секции охлаждения. Система автоматического поддержания фронта кристаллизации и диаметра кристалла включает источник излучения 11, установленные диаметрально ему рентгено-оптический преобразователь

12, передающую камеру 13, пульт оператора

14, состоящего иэ телевизионного монитора

15 и блока выделения и индикации строки, задания номера строки 16, подсистемы измерения диаметра кристалла 17, состоящей иэ компаратора TV сигнала 18, генератора счетных импульсов 19,.счетчика 20, устройства 21 сравнения текущего значения диаметра кристалла с заданным, программатора 22 диаметра кристалла, таймера времени кристаллизации 23, подсистемы управления подачей шихты и подсистемы управления расходов газов.

Устройство работает следующим образом.

После включения системы нагрева в камеру кристаллизации вводят кристаллодержатель 3 с эатравочным кристаллом. Последний в зоне расположения фронта кристаллизации оплавляют путем увеличения расхода кислорода, Из бункера 9 кристаллизуемый материал в виде мелкодисперсного порошка-шихты подают в дозатор 10, и далее шихта непрерывным потоком в регламентируемом технологией количества транспортируется с помощью газа, например кислорода, по центральному каналу основной горелки 4 и направляется в пламя основной горелки 4. В верхней секции факела внутреннего муфеля 1 шихта плавится и потоком газов направляется на вершину предварительно оплавленного эатравочного кристалла.

В результате согласования расхода шихты, теплонапряженности пламени горелки и скорости опускания кристаллодержателя 3 с эатравочным и выращиваемым 24 кристаллом из секции кристаллизации в секцию охлаждения с более низкой температурой осуществляется выращивание кри сталла, Расширение кристалла 24 до нужного диаметра осуществляется путем увеличения расхода газов и шихты, в отдельных случаях дополнительно, путем изменения скорости опускания кристаллодержателя 3 в ручном режиме.

Система автоматического поддержа10 ния фронта кристаллизации и диаметра растущего кристалла включается в работу непосредственно перед оправлением затравочного кристалла и включения подачи шихты, а выключается по достижении эа18 данной длины кристалла.

Система автоматического поддержания фронта кристаллизации и диаметра растущего кристалла работает следующим образом, 20 При включенном источнике рентгеновского излучения 11 в результате просвечивания через камеру кристаллизации изображение растущего кристалла 2 в виде проекции поступает на рентгено-оптиче25 ский преобразователь 12, считывается передающий телевизионной камерой 13 и в виде сигнала поступает в пульт оператора

14, Оператор на блоке обработки телеви30 зионного сигнала задает номер строки, на которой в процессе роста должен располагаться фронт кристаллизации, контролируя при .этом правильность выбора на экране монитора (заданная строка подсвечивается

35 на экране монитора).

В случае изменения положения фронта кристаллизации по вертикали относительно выбранного, изменяется номер строки телевизионного изображения (при развертке

40 сверху вниз), на которой появляется изображение растущего кристалла, и в результате сравнения фактического положения фронта кристаллизации с заданным в автоматическом режиме работы системы формируется

45 сигнал в блоке 10 и подается в подсистему управления подачей шихты 25 на коррекцию в сторону увеличения или уменьшения подачи шихты; Коррекция расхода шихты на увеличение в случае замедления роста кри50 сталла (тенденция к расположению изображения растущего кристалла ниже выбранной строки) и уменьшение подачи в случае ускорения роста (тенденция к расположению изображения выше выбранной

55 строки).

Измерение диаметра растущего кристалла производится на выбранной оператором строке, расположенной на заданное количество строк ниже строки, на которой располагается фронт кристаллизации {вы1820925 бранная строка подсвечивается на экране монитора при наличии изображения кристалла или его иммитатора). Для отсечения иэображения стенок — камеры кристаллизации дискриминаторы, выделяющие полезную часть телевизионного иэображения (задается оператором и подсвечивается на экране монитора).

Стабилизация диаметра растущего кристалла осуществляется посредством управления расходов газа следующим образом.

С помощью амплитудного компаратора

18 иэ строки. на которой осуществляется измерение диаметра растущего кристалла, выделяется сигнал от кристалла. На время действия этого сигнала разрешается работа счетчика 20, который считывает стабильные счетные импульсы, формируемые генератором 19. Так как выращиваемый кристалл может иметь форму. отличную от цилиндрической за счет; различной скорости роста по различным кристаллографическим направлениям (например. при выращивании кристаллов корунда вдоль оптической оси или перпендикулярно к оптической оси, или при выращивании кристаллов титана стронция вдоль одной из кристаллографических плоскостей), за время оборота кристалла вокруг своей оси (при поступлении сигнала от датчика вращения) выделяется максимальное значение счетчика 20.(реальная форма и размеры кристалла видны на экране монитора).

Данное значение. пропорциональное максимальному диаметру кристалла, сравнивается со значением, заданным устройством сравнения текущего значения диаметра кристалла с заданным 21 (вырабатывается как функция времени в программаторе диаметра кристалла 22).

Результат сравнения поступает на вход подсистемы управления расходом газов 26.

0: помощью этой подсистемы расход газа (количества тепла, выделяемое факелом основной или дополнительной горелок, корректируется для исключения даже небольших отклонений диаметра кристалла от заданного значения, которые могут произойти s результате изменения тепловых усилий роста в рабочем обьеме камеры кристаллизации, а также при переходе от одного материала к другому в ходе одного цикла кристаллизации при выращивании многослойного кристалла.

Так, в эксперименте установлено, что при выращивании сложного кристалла, например лейкосапфир-рубин-лейкосапфира,. с постоянным диаметром при переходе от одного материала к другому расход кислорода, согласно программе автоматического регулирования расхода газов, меняется на

4 — 6 от общего расхода. кислорода центральной горелки и соответственно берется тем больший процент измерения расхода,. тем больше диаметр выращиваемого кристалла.

Процесс выращивания кристаллов повышенной оптической однородности диаметром от 10 до 100 мм с использованием вновь разработанных систем нагрева и расположения фронта кристаллизации эффективно осуществляется при условии их

10 работы в соответствии со следующими требова нйями:

Система нагрева.

Для основной горелки скорость истече15 ния кислорода (О ) по внутренним каналам равна 0,3 — 2 5. м/с, а в каждом последуюи водорода (Hg) в первом потоке равно 0,1—

0,85, а в последующем потоке 0,21 — 1;2 при отношении расхода О /Hz в первом потоке

1.8 — 2,75, длина фронтов горения не должна различаться более 15 . При этом конструкцией каналов истечения газов горелки дол25 жно быть обеспечено различие периметров начального контакта реагирующих газов каждого внешнего и внутреннего фронтов

30 горения не более 27fo. Выполнение этих условий обеспечивает получение факела с эффективным, размером, где диаметр факела (и) равен не менее 0,7 диаметра кристалла O p., а его длина (мм) 0,6 — 1,2 расстояния от торца горелки до расположения фронта кристаллизации.

Для дополнительной горелки скорость истечения 02 (м/с) равна O,T- — 6.3, отношение скоростей истечения 02 и Н равно 0,5—

4,5, оптимальная длина факела (мм) равна

1,1 — 2.0 расстояния между торцом горелки, и расположением фронта кристаллизации. .Пламя и продукты горения основной и . дополнительной горелок не перемешиваются;

Для камеры кристаллизации:

- диаметр кристаллодержателя 0 равен

45 диаметру кристалла О р, толщина стенок д муфелей внутреннего ä и наружного равна д,для дк — (5 — 10), а для д, — {10—

50 15); внутренние диаметры муфелей внутреннего 0 и наружного 0чв в месте сочленения их с горелками определяется конструкцией системы нагрева при соблюдении условия, что газовые каналы обоих горелок не должны быть приближены к керамике муфелей ближе, чем на 2 мм, Размер внутреннего муфеля отвечает

55 соотношениям размеров при условии. что внутренний диаметр секции кристаллизащем потоке в 1,1 — 3,4 раза больше. Отно20 шение скоростей истечения кислорода (Ог) 1820925 ции D x равен D+ (4 — 10) мм, а высота этой секции На равна (1 — 2)D, высота секции факела Н» равна (0,75 — 5 4)D, высота секции охлаждения На = (5 — 20}D, нижний диаметр секции факела и верхний диаметр секции охлаждения этих конусных секций с внутренней стороны равны диаметру секции кристаллизации Ос.к,а нижний диаметр . секции охлаждения образуется в результате угла а ррааввнноом м 0О,5 — 1,5О при вершине конуса, начинающегося в месте сочленения с секцией кристаллизации и длины секции охлаждения.

Размер наружного муфеля отвечает соотношениям размеров при условии, что внутренний диаметр 01 секций охлаждения и факела в месте их сочленения равен

Dc,x+ 2 да + (3 — 32) длина секции факела Нн1 равна (0,75 — (6,3)О, а общая длина муфеля камеры внешнего обогрева Н1 равна Нв — (1—

7)D, — Послойное распределение материалов футеровки производится таким образом, чтобы внутренняя граница каждого слоя находилась в зоне предельной температуры применения данного материала с

10%-ным запасом.

Как показал эксперимент, использование в конструкции футеровки последовательно, например, корунда, пенокорунда, пеноглековеса, ультралегковеса и асбокартона обеспечивает возможность оптимизировать теплоперенос от внутренней стенки муфеля к наружной стенке корпуса и изготовить корпус оптимального размера, возможность быстрой, точной обработки, конструкции и длительный срок ее эксплуатации, Экспериментально подтверждено, что система автоматического поддержания фронта кристаллизации обеспечивает, определяемое технологией, расположение фронта кристаллизации с точностью не хуже

1/2 — 1/4 толщины слоя расплава в зависимости от кристаллиэуемого материала, П р и. м е р.. На кристаллизационной установке для выращивания кристаллов повышенной оптической однородности с внутренним диаметром секции кристаллизации внутреннего муфеля Ос.к равным 40 мм с трехходовой основной горелкой при диаметре наружного кольцевого канала для подачи газа равном 24,8 мм и двухходовой дополнительной горелкой выращены безблочные кристаллы длиной до 160 мм и диаметром до, 30 мм с плотностью дислокации,,1 03 1 04 СМ2 радиальный rpa диент показателя преломления в таких кристаллах Ь = (3.1 — 3,3)10, что в два раза

-5 меньше; чем в ранее известных кристаллах.

Кристаллы, выращенные. в .предложенных условиях имеют отклонения по диаметру не более чем на 2;(„что лучше в 6,0 раз ранее

5 выращенных, суммарный расход газов уменьшился на 12,7, расход шихты уменьшился в среднем на 9.4, энергоемкость процесса снизилась в 2-5 раз, Как.показали эксперименты, кристаллы, 10 выращенные на предлагаемой установке, обладают повышенной оптической одно. родностью, что обеспечивает изготовления высококачественных активных элементов для лазеров, деталей конструкций для ма15 шиностроения, приборостроения, оптической, часовой и ювелирной промышленности.

Формула изобретения

1. Способ выращивания кристаллов ме20 тодом Вернейля, включающий подачу шихты s камеру кристаллизацли через центральный канал многоканальной горелки, одновременную подачу через ее каналы чередующимися потока кислорода и водо25 рода, плавление шихты в зоне фронта кристаллизации и роста на затравочном кристалле, отл ич а ю щи и с ятем,что, с целью увеличения размеров выращиваемых кристаллов с высокой оптической однород30 ностью, наружную стенку камеры кристаллизации нагревают дополнительными потоками кислорода и водорода, подаваемыми сверху через каналы дополнительной горелки.

35 2. Способ по п,1, отличающийся тем, что максимум температуры на внутренней стенки камеры кристаллизации расположен над зоной фронта кристаллизации и выше температуры в этой зоне на 30—

40 250 С, перепад температуры между кристаллом и внутренней стенкой камеры кристаллизации составляет AT = 10 — 100 С, а температура стенки камеры кристаллиза.ции на расстоянии не более 4Д ниже зоны

45 фронта кристаллизации имеет плавное по.ниженное не более чем на 10 от температуры в области фронта кристаллизации, где

Π— диаметр кристаллодержателя, равный диаметру кристалла.

50 3. Способ.по пп,1и 2,отл ич а ющийс я тем, что скорость истечения потока кислорода по внутреннему каналу основной горелки составляет чо,„,о = 0,3 — 2,5 м/с, в каждом последующем канале скорость ис55 течения потока в 1,1 — 3,4 раза больше, отношение скоростей истечения кислорода и водорода в первом потоке составляет ч,с,. =

-0,1 — 0,85, а в последующем потоке равно ч2осн. = 0,21 — 1,2 при отношении расходов

1820925

1О кислорода и водорода в первом потоке

01осв. - 1,8 — 2,75. факел имеет диаметр не менее О,7 диаметра кристалла и длину LocH.

0,6 — 1,2 расстояния от торца основной горепки до фронта кристаллизации, скорость истечения кислорода через дополнительную горелку равно чдол.о - 0,7 — 6,0 м/с. отношение скоростей истечения кислорода и водорода составляет Одо, - 0,5 — 4,5, и оптимальная длина факела равна LA<>. - 1.1 — 2,0 расстояния между торцом дополнительной горелки и фронтом кристаллизации.

4. Установка для выращивания кристаллов методом Вернейля, содержащая камеру кристаллизации, кристаллодержатель, установленный в ней с воэможностью вращения и вертикального перемещения, размещенную над ним основную многоканальную горелку, дополнительную горелку, бункер, снабженный средством подачи шихты в камеру кристаллизации. и средство контроля, отличающаяся тем, что, с целью, увеличения размеров .выращиваемых кристаллов с высокой оптической однородностью, камера кристаллизации выполнена в виде двух изолированных коаксиальных муфелей, окруженных многослойной футеровкой, дополнительная горелка установлена коаксиально основной и соединена с наружным муфелем, бункер снабжен доэатором, размещенным под ним, а средством контроля выполнено в виде автоматической системы поддержания фронта кристаллизации и

5 диаметра кристалла, связанной с дозатором и средством подачи газов в горелки, 5. Установка по п.4. о т л и ч а ю щ а -я ся тем, что внутренний муфель выполнен трехсекционным. высота верхней секции

10 которого равна Hs) - (0,75 — 5.4)0, высота средней секции равна На -(1- 2)D и высота нижней секции равна Нвз - (5 - 20)0, наружHMA муфель имеет длину Нн = Нв! + Нвя + Нвз (1 — 7)0 и выполнен иэ двух секций, высота

15 верхней секции равна(0,75 -6,3)D, а нижняя секция выполнена в форме усеченного конуса с углом наклона образующей к вертикальной оси 0,5 — 1,5О.

6. Установка по пп.4 и 5, о т л и ч а ю20 щ а я с я тем, что с целью стабилизации процесса роста, автоматическая система поддержания фронта кристаллизации и диаметра кристалла включает источник рентгеновского излучения, установленный

25 снаружи камеры кристаллизации, размещенные диаметрально противоположно подсистемы преобразования и обработки информации, связанные соответственно c подсистемами подачи шихты и расхода га30 зов.

1820925

Составитель И.Циглер

Редактор Т.Никольская Техред М.Моргентал Корректор Н.Милюкова

Заказ 2041 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-ÇS, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101