Способ выращивания профилированных кристаллов тугоплавких соединений

Авторы патента:

Остапенко Константин Александрович (RU)

C30B15/34 - выращивание из пленки кристаллов с определенными гранями с использованием формоизменяющих матриц или щелей

Владельцы патента RU 2534144:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") (RU)

Изобретение относится к области выращивания из расплава профилированных кристаллов тугоплавких соединений методом Степанова, например лейкосапфира, рубина, алюмоиттриевого граната, которые могут быть использованы в приборостроении, машиностроении, термометрии, химической промышленности. Способ включает формирование столбика расплава 5 между затравкой 7 и верхним торцом формообразователя, который снабжен вертикальным кольцевым питающим капилляром 3 постоянного сечения и, по крайней мере, одним вертикальным каналом 4 малого диаметра, выполненным в верхней части формообразователя. В процессе выращивания кристалла 6 расстояние от верхнего торца формообразователя до уровня расплава Н_эфф поддерживают не более 0,8h, а питающий капилляр 3 выполняют длиной L, определяемой из соотношения 2,5h>L>h, где h - высота подъема расплава в капилляре. Технический результат - стабильность процесса выращивания профилированных кристаллов длиной до 500 мм и более с продольными каналами малого диаметра. 1 ил.

Изобретение относится к области выращивания из расплава профилированных кристаллов тугоплавких соединений по способу Степанова, например лейкосапфира, рубина, алюмоиттриевого граната и других тугоплавких соединений, которые могут быть использованы в приборостроении, машиностроении, термометрии, химической промышленности.

Известно устройство и способ получения профилированных кристаллов в виде труб из расплава на торце формообразователя (А.с. СССР №1592414, МПК C30B 15/34, заявл. 26.11.86, опубл. 15.09.90, бюл. №34), в котором используют формообразователь с кольцевым питающим капилляром и одним вертикальным каналом, выполненным в верхней части формообразователя. К недостаткам такого устройства следует отнести невозможность на практике, при малом диаметре вертикального канала, получения кристаллов с продольными каналами длиной более 40 мм, поскольку в процессе выращивания внутренний мениск продольного канала или схлопывается, или разрывается.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является устройство, позволяющее реализовать способ получения профилированных кристаллов (Патент Украины №36892, МПК C30B 15/34, заявл. 22.02.2000, опубл. 16.04.2001, бюл. №3, 2001), в котором получение кристаллов с продольными каналами малого диаметра осуществляют с использованием формообразователя, состоящего из внешнего и внутреннего элементов с капиллярным зазором между ними, причем внутренний элемент (фиксатор) изготовлен из несмачиваемого расплавом материала и вставлен в вертикальный канал малого диаметра, выполненный в верхней части внутреннего элемента формообразователя. Образование продольных каналов малого диаметра в выращиваемом кристалле, как заявляют авторы, осуществляется за счет того, что расплав не смачивает фиксатор (фиг.2 в указанном патенте). Однако данное изобретение не позволяет устойчиво получать кристаллы с продольными каналами, так как предлагаемый авторами в качестве несмачиваемого материала вольфрам, как показала практика, при выращивании кристаллов смачивается расплавом и в силу этого процесс выращивания становится трудновоспроизводимым и даже невозможным.

Задача и обеспечиваемый изобретением технический результат - стабильность процесса выращивания профилированных кристаллов длиной до 500 мм и более с продольными каналами малого диаметра.

Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что в способе выращивания профилированных кристаллов тугоплавких соединений с продольными каналами малого диаметра, включающем формирование столбика расплава между затравкой и верхним торцом формообразователя, снабженным вертикальным кольцевым питающим капилляром постоянного сечения и, по крайней мере, одним вертикальным каналом малого диаметра, выполненным в верхней части формообразователя, согласно изобретению в процессе выращивания кристалла расстояние от верхнего торца формообразователя до уровня расплава H_эфф поддерживают не более 0,8h, а питающий капилляр выполняют длиной L, определяемой из соотношения 2,5h>L>h, где h - высота подъема расплава в капилляре.

Высоту подъема расплава в капилляре можно определить по известной формуле Жюрена h=2σ·cos Ө/ρgr, где

σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости,

Ө - угол смачивания расплавом материала формообразователя,

ρ - плотность расплава,

g - ускорение силы тяжести,

r - радиус или ширина капилляра.

Схлопывание продольного отверстия в растущем кристалле происходит вследствие того, что сила, воздействующая на расплав, обусловленная смачиванием расплавом материала формообразования, направлена в сторону оси продольного отверстия в кристалле, и любое дополнительное воздействие на расплав, например вибрация или изменение температурного режима, приводит к схлопыванию отверстия в кристалле. Чем меньше диаметр отверстия в кристалле, тем больше сила «схлопывания» и тем труднее вырастить такой кристалл.

Поставленная авторами задача решалась путем уменьшения силы «схлопывания» за счет увеличения сопротивления прохождению расплава в питающем капилляре, конкретно, за счет увеличения его длины.

Заявляемое изобретение поясняется чертежом, на котором схематично изображен в разрезе формообразователь для выращивания профилированных кристаллов с продольными капиллярными каналами малого диаметра, а также расплав и растущий кристалл.

Формообразователь для выращивания профилированных кристаллов, с помощью которого реализуется заявляемый способ, выполнен из внешнего 1 и внутреннего 2 элементов с кольцевым питающим капилляром 3 и вертикальным каналом 4 малого диаметра, выполненным в верхней части формообразователя. Рост кристалла 6 осуществляют на затравку 7 из столбика расплава 5 на верхнем торце формообразователя.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом.

Камеру, в которой проводят выращивание кристалла, наполняют инертным газом, затем расплавляют загрузку в тигле и погружают нижний торец формообразователя в расплав. Расстояние от уровня расплава до верхнего торца формообразователя составляет Н_эфф. Расплав за счет капиллярных сил поднимется по питающему капилляру 3 к верхнему торцу формообразователя. Далее опускают затравку 7 в виде трубки до касания верхнего торца формообразователя, производят затравление и включают перемещение затравки вверх. Из столбика расплава 5 начинается рост стержня 6, диаметр которого практически равен диаметру верхнего торца формообразователя, с продольным капиллярным каналом, соответствующим вертикальному каналу 4 малого диаметра, выполненному в верхней части формообразователя.

Поддерживая в предлагаемом диапазоне соотношение между Н_эфф, длиной питающего капилляра L и высотой подъема расплава в капилляре h, тем самым обеспечиваем минимальную величину силы «схлопывания» и практически исключаем схлопывание продольных каналов диаметром от 0,5 мм до 1,2 мм.

Когда величина Н_эфф составляет более 0,8h, то, как показывает практика, расплав либо может не подняться к верхнему торцу формообразователя из-за высокого сопротивления питающего капилляра прохождению по нему расплава, обусловленного повышенной длиной питающего капилляра, либо время его прохождения до верхнего торца формообразователя будет недопустимо долгим - более 30 минут.

Если длина питающего капилляра L меньше h, то сила «схлопывания» превалирует над силой сопротивления прохождению расплава в питающем капилляре, возникающей из-за вязкости расплава, увеличивается вероятность схлопывания в кристалле продольного канала малого диаметра при вибрациях или изменениях температурного режима.

Если длина питающего капилляра L составляет более 2,5h, то расплав либо не доходит до рабочего торца формообразователя из-за большого сопротивления прохождению расплава в питающем капилляре, либо время его прохождения до верхнего торца формообразователя будет недопустимо долгим - более 40 минут.

В результате использования предлагаемого способа практически исключается «схлопывание» продольных каналов и имеется возможность выращивания кристаллов достаточно большой длины (500 мм и более) с продольными каналами диаметром от 0,5 мм до 1,5 мм.

Пример конкретной реализации изобретения.

Эксперименты проводили на установке для выращивания кристаллов типа СЗВН-20.800/22-И1 с графитовой тепловой зоной. Формообразователь и тигель изготовили из молибдена. Диаметр тигля составлял 70 мм, глубина - 65 мм. Формообразователь имел верхний торец диаметром 12 мм, в котором выполнено по оси вертикальное отверстие диаметром 0,8 мм, т.е. формообразователь предназначен для выращивания стержня диаметром 12 мм с продольным каналом диаметром 0,8 мм. Высота формообразователя составляла 60 мм. При погружении формообразователя на 30 мм величина Н_эфф равнялась 30 мм. Ширина питающего капилляра равнялась 1 мм. Высота подъема расплава h в таком капилляре составляет 43 мм, т.е. Н_эфф=30 мм <0,8h=34,4 мм. Питающий капилляр L выполнен длиной 1,5h=64 мм. Загрузка тигля составляла 300 г оксида алюминия (бой кристаллов, полученных методом Вернейля). Выращивание кристаллов осуществляли со скоростью 0,8-1,2 мм/мин в среде инертного газа аргона с избыточным давлением 0,05 кгс/см².

В результате выращивали стержни диаметром 12 мм и длиной до 500 мм с продольными каналами диаметром 0,8 мм.

Было проведено: 1 серия экспериментов с формообразователем-прототипом; 4 серии экспериментов с формообразователями по предлагаемому изобретению, всего 30 циклов выращивания.

Во время первой серии, состоящей из 5 циклов выращивания, проводилось пробное выращивание кристаллов по методике прототипа. В отверстии 4 внутреннего элемента формообразователя на плотной посадке фиксировался вольфрамовый стержень диаметром 0,8 мм, который выступал над верхним торцом формообразователя на 0,5-3 мм (в различных экспериментах). Все попытки получить стержень с продольным отверстием закончились неудачей из-за чрезвычайной неустойчивости процесса выращивания. В результате получали только сплошной стержень.

Во время второй серии из 5 циклов Н_эфф=0,9 h=38,7 мм, где h=43 мм. В этом случае расплав во всех 5-ти экспериментах не поднялся к верхнему торцу формообразователя (по-видимому, из-за высокого сопротивления питающего капилляра прохождению по нему расплава, возникающего вследствие вязкости расплава). Выращивать кристалл было невозможно.

Во время третьей и четвертой серий длина питающего капилляра 1) L=40 мм <h=43 мм и 2) L=115 мм >2,5 h=107,5 мм. Было проведено по 5 циклов выращивания в указанных вариантах. В первом случае практически всегда происходило «схлопывание» продольного канала малого диаметра. Во втором случае расплав не поднимался до рабочего торца формообразователя.

Во время пятой серии из 10 циклов поддерживались заявляемые соотношения Н_эфф=30 мм <0,8 h=34,4 мм и 2,5h=107,5 мм >L=100 мм >h=43 мм. Это позволило устойчиво выращивать стержни диаметром 12 мм с внутренним каналом диаметром 0,8 мм длиной до 500 мм.

При соблюдении заявляемых соотношений получены также стержни с продольным отверстием диаметром 1,2 мм.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет стабильно получать кристаллы длиной до 500 мм и более с продольными каналами малого диаметра.

Заявляемое изобретение найдет применение в приборостроении, часовой промышленности, термометрии, химической промышленности.

Способ выращивания профилированных кристаллов тугоплавких соединений с продольными каналами малого диаметра, включающий формирование столбика расплава между затравкой и верхним торцом формообразователя, снабженного вертикальным кольцевым питающим капилляром постоянного сечения и, по крайней мере, одним вертикальным каналом малого диаметра, выполненным в верхней части формообразователя, отличающийся тем, что в процессе выращивания кристалла расстояние от верхнего торца формообразователя до уровня расплава Н_эфф поддерживают не более 0,8h, а питающий капилляр выполняют длиной L, определяемой из соотношения 2,5h>L>h, где h - высота подъема расплава в капилляре.

Изобретение относится к технологии получения высокочистых длинномерных кремниевых подложек для производства солнечных батарей. Способ осуществляют в технологическом реакторе, содержащем подпитывающий кремний-сырец 1, формообразователь 4 с отверстием 5, индукционный нагреватель 3, обеспечивающий столб расплава 2 кремния над формообразователем 4, и кремневую затравку 6, подаваемую в отверстие формообразователя снизу, при этом в технологическом реакторе создают кислородсодержащую атмосферу.

Способ получения слоев карбида кремния // 2520480

Изобретение относится к области получения карбида кремния, используемого в полупроводниковой промышленности в качестве материала для радиопоглощающих покрытий, диодов, светодиодов, солнечных элементов и силовых вентилей.

Устройство и способ выращивания профилированных кристаллов тугоплавких соединений // 2507320

Изобретение относится к области выращивания из расплава профилированных кристаллов тугоплавких соединений, например лейкосапфира, рубина, алюмоиттриевого граната, по способу Степанова, которые могут быть использованы в приборо- и машиностроении, термометрии и химической промышленности.

Способ получения кремниевых филаментов произвольного сечения (варианты) // 2507318

Изобретение относится к технологии получения высокочистых полупроводниковых материалов для электронной, электротехнической промышленности и солнечной энергетики.

Способ выращивания профилированных монокристаллов германия из расплава // 2491375

Изобретение относится к технологии выращивания монокристаллов германия из расплава, применяемых для изготовления оптических деталей (линзы, защитные окна) инфракрасной техники.

Устройство для выращивания профилированных кристаллов в виде полых тел вращения // 2451117

Изобретение относится к производству профилированных кристаллов из полупроводниковых материалов, применяемых в электронной промышленности. .

Сапфир с r-плоскостью, способ и устройство для его получения // 2448204

Изобретение относится к керамике, в частности к технологии производства монокристаллического сапфира. .

Способ выращивания профилированных кристаллов тугоплавких соединений // 2439214

Изобретение относится к области выращивания из расплава профилированных кристаллов тугоплавких соединений, например лейкосапфира, рубина, алюмоиттриевого граната и др.

Способ и установка для выращивания монокристалла сапфира с ориентацией в с-плоскости // 2436875

Изобретение относится к технологии получения керамических материалов, в частности монокристаллического сапфира в виде слитков или пластин, которые могут быть использованы при производстве светодиодов.

Способ и устройство выращивания кристаллов кремния на подложке // 2390589

Изобретение относится к области выращивания из расплава поликристаллических слоев кремния, а именно к способам нанесения тонких пленок кремния на подложку для изготовления солнечных элементов.

Способ получения пластин на основе карбида кремния // 2540668

Изобретение относится к области получения карбида кремния, используемого в полупроводниковой промышленности для радиопоглощающих покрытий, термосопротивлений, диодов, светодиодов, солнечных элементов и силовых вентилей для использования при повышенных температурах. Способ включает перемещение ленты углеродной фольги в горизонтальной плоскости относительно содержащего расплавленный кремний капиллярного питателя в вакууме при разрежении до 10-1 Торр с подачей в камеру воздуха до давления 10 Торр, скорость перемещения ленты задают в пределах 0,5-3,0 м/мин, затем извлекают полученную ленту из камеры, перематывают ее со сменой ориентации слоя полученных кристаллов SiC сверху вниз и повторяют процесс в вакууме при разрежении до 10-1 Торр без подачи воздуха при скорости перемещения ленты до 9 см/мин, затем фазу свободного кремния из полученных пластин удаляют растворением в смеси плавиковой и азотной кислот. В результате на поверхности гибкой углеродной фольги формируется самосвязанный слой микрокристаллов полупроводникового карбида кремния SiC кубической структуры, который может быть дополнительно пропитан расплавленным кремнием для сохранения сплошности и механической прочности полученного композита. 5 пр.

Устройство для выращивания из расплава тугоплавких волокон со стабилизацией их диаметра // 2552436

Изобретение относится к производству профилированных высокотемпературных волокон тугоплавких оксидов, гранатов, перовскитов. Устройство содержит ростовую камеру 1 с установленными в ней тиглем 2 для расплава с формообразователем 3, нагреватель 4 тигля 2, экраны 5, затравкодержатель 6, средство 7 его перемещения, направляющий элемент 8, расположенный на расстоянии над формообразователем 3, при этом направляющий элемент 8 имеет два или более свободно покоящихся сапфировых стержня 9, концы которых лежат в нижних точках выемок в подставках 10 из тугоплавкого металла, расположенных параллельно друг другу и скрепленных с помощью шпилек и гаек, при этом растущее волокно 11 расположено между сапфировыми стержнями 9 с возможностью соприкосновения с ними. Технический результат состоит в увеличении выхода волокна оптического качества или волокна повышенной прочности, повышении качества профилированного волокна, упрощении конструкции направляющих. 4 ил.

Способ изготовления монокристаллических цилиндрических шайб из тугоплавких соединений // 2561511

Изобретение относится к области выращивания из расплава профилированных кристаллов тугоплавких соединений методом Степанова и изготовления из них монокристаллических цилиндрических шайб, которые могут быть использованы в приборостроении, машиностроении. Способ изготовления монокристаллических цилиндрических шайб включает выращивание монокристаллов в виде лент, толщина которых превышает диаметр шайб, затем профилированные ленты режут перпендикулярно их продольной оси на бруски квадратного поперечного сечения со стороной квадрата, равной толщине ленты, после чего бруски обрабатывают до требуемого диаметра с получением цилиндрических стержней для последующей их резки на шайбы. Изобретение обеспечивает получение с высоким выходом годного шайб с высоким структурным совершенством и оптическим качеством. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

Способ получения монокристаллических волокон из тугоплавких материалов // 2577260

Изобретение относится к области металлургии, в частности к выращиванию волокон из расплава. Способ получения монокристаллических волокон из тугоплавких материалов включает размещение в вакуумной камере питателя исходного материала в виде прутка, подачу лазерного излучения на поверхность исходного материала и вытягивание исходного материала с образованием волокна, при этом при подаче лазерного излучения на поверхность исходного материала лазерный луч сканируют в двух взаимно перпендикулярных плоскостях с частотами f1=f2, равными 200÷300 Гц, с амплитудой A, равной 1,5-5 B, где B - наибольший размер держателя питателя исходного материала. Технический результат изобретения заключается в снижении энергетических потерь лазерного излучения, повышении интенсивности лазерного луча по поперечному сечению и однородности структуры получаемого волокна. 1 ил.

Способ получения профильных изделий на основе монокристаллов германия // 2600380

Изобретение относится к технологии получения оптических изделий из германия путем выращивания монокристаллов германия из расплава в форме профильных изделий в виде выпукло-вогнутых заготовок, которые после обработки могут быть использованы для изготовления линз инфракрасного диапазона. Выращивание монокристаллов германия осуществляют на затравочный кристалл с использованием помещенного в тигель 2 вертикального формообразующего элемента 1, имеющего отверстия 6 в месте примыкания его нижней части к тиглю 2 для удаления образующегося при кристаллизации германия избыточного расплава, при этом в проточках вертикального формообразующего элемента 1 диаметром d размещены горизонтальные верхний и нижний формообразующие, имеющие центральные отверстия, элементы 3 выпукло-вогнутой формы с диаметрами, соответственно, d1 и d2, при этом d2>d1>d. Формообразователи придают выращенному монокристаллу форму заготовки линзы. Изобретение позволяет серийно получать монокристаллы германия (в том числе крупногабаритные) с различной формой сечения с минимизированным расходом материала. 1 ил., 2 пр.

Способ выращивания высокотемпературных монокристаллов методом синельникова-дзиова // 2626637

Изобретение относится к выращиванию высококачественных высокотемпературных монокристаллов оксидов, в том числе профилированных, например, таких как лейкосапфир алюмоиттриевый гранат, рутил, и может быть использовано в лазерной технике, ювелирной и оптических отраслях промышленности. Способ включает плавку исходной шихты в тигле и последующий рост монокристалла на затравку при одновременном охлаждении расплава и последующее охлаждение выращенного монокристалла, при этом в тигель устанавливают выполненный из тугоплавкого материла с температурой плавления выше 2300°С формообразователь с конвекционными в нижней и разгрузочными в боковых частях прорезями, в качестве исходной шихты используют поликристаллический материал или поликристалл, полученный методом плавки в холодном тигле, либо осколки монокристалла соответствующего оксида, а рост монокристаллов ведут со скоростью от 0,5 до 4 мм/ч. Технический результат изобретения состоит в повышении качества выращенных монокристаллов, в разнообразии получаемых форм при сокращении материальных и временных затрат, в возможности выращивания монокристаллов как легированных, так и без примесей. 15 з.п. ф-лы, 9 пр.

Способ радиального разращивания профилированных монокристаллов германия // 2631810

Изобретение относится к технологии выращивания профилированных монокристаллов германия из расплава, применяемых в качестве материала для детекторов ионизирующих излучений, для изготовления элементов оптических и акустооптических устройств ИК-диапазона – линз и защитных окон объективов тепловизионных приборов, лазеров на окиси углерода, а также для изготовления подложек фотоэлектрических преобразователей. Способ включает установку в тигель вертикального формообразователя с отверстиями в месте примыкания его нижней части к тиглю для удаления образующегося при кристаллизации избыточного расплава, размещение в проточках вертикального формообразователя горизонтальных формообразующих элементов выпукло-вогнутой формы, загрузку исходной шихты в вертикальный формообразователь, ее нагрев с образованием расплава, погружение затравочного кристалла в расплав, разращивание кристалла путем снижения температуры при одновременном вытягивании, остановку вертикального вытягивания кристалла и дальнейшее разращивание кристалла до полной кристаллизации расплава, при этом увеличение кристалла по радиусу от момента остановки вытягивания до полной кристаллизации расплава проводят путем общего понижения температуры, одновременно осуществляя, с периодом 20 минут, подплавления и разращивания кристалла, вызываемые повышением и понижением температуры с амплитудой ±3°С. Такой режим роста приводит к уменьшению концентраций основных дефектов структуры и связанных с ними оптических неоднородностей и физически эквивалентен дополнительному отжигу во время формирования кристалла. Тем самым решается технический результат, заключающийся в повышении структурного и оптического качества крупногабаритных монокристаллов в форме заготовки, в максимальной степени близкой к форме изготавливаемых линз и других элементов оптических, акустооптических и фотоэлектрических устройств на основе германия. 3 ил., 2 пр.