Способ гомогенизации раствор-расплавов или расплавов при выращивании монокристаллов

 

Изобретение относится к выращиванию монокристаллов, в частности к стадии предподготовки раствор-расплавов или расплавов, т.е. их гомогенизации, предшествующей росту кристалла. Для решения поставленной задачи осуществляют перемешивание раствор-расплавов или расплавов путем создания управляемого теплового поля в тигле, содержащем расплав или раствор-расплав. При этом используют нагревательную печь с вертикальным расположением нагревательных элементов, разделенных на секции, и осуществляют последовательное отключение нагрева секций печи с интервалом, обеспечивающим последовательное смещение центра схождения конвективных потоков, возникающих в расплаве или раствор-расплаве, от центра к стенкам тигля. 3 ил.

Изобретение относится к области выращивания монокристаллов из расплавов или раствор-расплавов, в частности к стадии их предподготовки, предшествующей росту кристалла, т.е. гомогенизации раствор-расплавов или расплавов.

Степень гомогенизации раствор-расплавов или расплавов, находящихся в тигле, на стадии, предшествующей выращиванию кристаллов, играет важную роль при получении многих кристаллов. При гомогенизации достигают полноты протекания синтеза, высвобождения из расплава или раствор-расплава газообразных продуктов реакции и высокой однородности по составу. Гомогенизацию проводят за счет повышения температуры, длительности изотермического процесса и механического перемешивания.

Как правило, перед началом роста осуществляют перегрев расплава при температуре несколько выше температуры плавления и выдерживают в течение определенного времени для достижения его гомогенного состояния [1,2]. Готовность плава для роста проверяют по температуре насыщения при повторных затравлениях.

Использование высоких температур для подготовки расплава имеет ряд недостатков. Подготовленные расплавы или раствор- расплавы участвуют в многократных ростовых процессах, и высокотемпературная гомогенизация может привести к неконтролируемому изменению состава и, в конечном итоге, повлиять на качество выращенных кристаллов. Кроме того, в том случае, когда в шихте применяются легколетучие соединения, например оксид молибдена, соединения цезия и другие, уменьшается ресурс работы нагревательных печей вследствие повышенной агрессивности летучих компонентов.

Более эффективным способом гомогенизации наплавленного в тигле расплава или раствор-расплава является способ механического перемешивания [3].

Однако по достижении гомогенного состояния для проведения процесса роста, как правило, необходимо переоснащение ростовой установки в разогретом состоянии, в частности замена мешалки на затравкодержатель. Это достаточно трудоемкая операция, зачастую небезопасная для здоровья обслуживающего персонала, поскольку большинство раствор-расплавов обладают токсическими свойствами. Кроме того, переоснастка при высоких температурах может явиться причиной загрязнения исходной шихты.

Для решения поставленной задачи для гомогенизации расплавов или раствор-расплава перемешивание осуществляют путем создания управляемого теплового поля в тигле, содержащем расплав или раствор-расплав. При этом используют нагревательную печь с вертикальным расположением нагревательных элементов, разделенных на секции, и осуществляют последовательное отключение нагрева секций печи с интервалом, обеспечивающим последовательное смещение центра схождения конвективных потоков, возникающих в расплаве или раствор-расплаве, от центра к стенкам тигля.

При использовании для выращивания кристаллов прецизионных нагревательных печей с вертикальным расположением нагревательных элементов, описанных в работе [4], на поверхности расплава или раствор-расплава создается осесимметричное тепловое поле, в котором конвективные потоки сходятся в центре расплава. В соответствии с изобретением в результате последовательного отключения подачи мощности на одну из секций печи в расплаве или раствор-расплаве устанавливается неосесимметричное тепловое поле, в котором схождение конвективных потоков сдвигается от центра тигля в сторону отключенной секции нагревательных элементов.

На фиг. 1 представлена схема терморегулирования и коммутации нагревательных элементов в трехсекционной нагревательной прецизионной печи для создания теплового поля с неосесимметричным тепловым полем. На фиг. 2 показано изменение температуры в центре расплава или раствор-расплава в зависимости от времени в режиме переключений секций (T_{периода}=30 мин). На фиг. 3 представлены картины конвективных потоков на поверхности расплава или раствор- расплава: а) осесимметричное тепловое поле, б) неосесимметричное тепловое поле при отключении первой секции нагревательных элементов.

Пример. В платиновый тигель объемом 400 см³ (диаметром 80 мм) загружают шихту для выращивания кристалла двойного бората цезия-лития CsLiB₆O₁₀ (CLBO) состава: Cs₂CO₃ (осч) - 240,9 г; Li₂CO₃ (осч) - 54,65 г; B₂O₃ (осч) - 212,75 г; MoO₃ (чда) - 56,8 г. Шихту предварительно перемешивают механически. Тигель помещают в нагревательную прецизионную печь при t = 850^oC для получения расплава. Вокруг муфеля печи расположены 15 нагревательных элементов (НЭ), разделенных на 3 секции по 5 в каждой (фиг. 1). Температуру в печи поддерживают при помощи терморегулятора типа РИФ-101, состоящего из термостата холодных спаев термопары (T), задатчика температуры (ЗТ), пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора (ПИД) и силового блока (БС). На выходе БС установлен коммутатор (K), позволяющий коммутировать подачу мощности (U) на каждую из секций НЭ с заданной частотой. Для обеспечения устойчивости процесса терморегулирования при отключении секций НЭ сигналом отрицательной обратной связи является ЭДС от трех последовательно соединенных термопар, установленных в каждой из секций НЭ. Отключение секций НЭ производилось через каждые 30 мин. Запись показаний температуры от времени получена при помощи Pt- Pt/10%Rh термопары, помещенной в центре ростового тигля на 5 мм ниже поверхности раствор-расплава (фиг.2). Экспериментально установлен оптимальный режим переключения нагревательных секций печи, равный 30 мин, что обеспечивает неосесимметричное тепловое поле с колебанием температуры в центральной точке расплава порядка 5 градусов. После 16 часов такого режима гомогенизации - перемешивания раствор-расплава - печь переключают в ростовой режим с равномерным подводом мощности ко всем НЭ. Затем, через 2 часа, необходимых для выравнивания температуры во всем объеме раствор-расплава, в печь опускают на платиновом стержне затравку из монокристалла CLBO, ориентированную в направлении [011] и определяют температуру насыщения по скорости оплавления затравки при касании раствор-расплава. После затравления проводят рост при снижении температуры со скоростью 1-2 град/сутки. В случае неготовности расплава при недостаточной гомогенизации температура насыщения была выше обычной на 10-20 град по той причине, что плотность кристалла CLBO меньше плотности раствор-расплава. Неоднородность расплава по составу приводит к обогащению поверхностного слоя основным веществом и изменению реальной температуры начала роста.

Таким образом, в результате последовательного отключения нагрева секций печи с интервалом, обеспечивающим последовательное смещение центра схождения конвективных потоков расплава или раствор-расплава от центра к стенкам тигля, в тигле устанавливается режим нерегулярной конвекции, способствующий эффективной гомогенизации находящегося в тигле раствор-расплава. В осесимметричном тепловом поле на поверхности раствор-расплава наблюдается конвективная картина потоков в виде сходящихся в центре лучей (фиг. 3а), а при включении режима гомогенизации в соответствии с предложенным способом картина потоков теряет осевую симметрию, и центр схождения конвективных потоков смещается в сторону отключенной секции НЭ (фиг. 3б).

Источники информации 1. A.Jiang et all. Flux growth of large single crystals of low temperature phase barium metaborate.-J.of Crystal Growth, 1989, v.79, p. 352-366.

2. Безматерных Л.Н., Темеров В.Л., Васильева Е.П., Жгун В.И. Способ выращивания монокристаллов гематита. - Авторское свидетельство N 1740505, Бюллетень N 22, 15.06.92.

3. Р. Н. Андреев, В.Н.Войцеховский, А.Г.Калинцев и др. Опыт выращивания монокристаллов титанилфосфата калия (КТР) и изготовления из них нелинейных элементов. - Оптический журнал, 1995, N 11, с.75-79.

4. Кох А. Е. , Кох В.Е., Гец B.A., Кононова Н.Г. Прецизионная нагревательная печь для выращивания кристаллов. - Приборы и техника эксперимента, 1998, N 4, с 153-158.

Формула изобретения

Способ гомогенизации расплавов или раствор-расплавов при выращивании монокристаллов путем перемешивания расплавов или раствор-расплавов, отличающийся тем, что гомогенизацию проводят в нагревательной печи с вертикальным расположением нагревательных элементов, разделенных на секции, и осуществляют последовательное отключение нагрева секций печи с интервалом, обеспечивающим последовательное смещение центра схождения конвективных потоков расплава или раствор-расплава от центра к стенкам тигля.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3