Способ выращивания монокристаллов оксидов и устройство для его осуществления

 

1. Способ выращивания монокристаллов оксидов, включающий затравливание кристалла на ориентированную затравку , ее разращивание до заданного диаметра при автоматическом регулировании мощности нагревателя в зависимости от изменения регулируемого параметра и последующее вытягивание кристалла в камеру охлаждения, о т личающ .ийся тем, что, с целью исключения колебаний температуры в процессе вытягивания и повышения за счет этого выхода годных кристаллов , затравливание ведут из расплава, уровень которого находится ниже кромки тигля на величину 0,35-0,15 его диаметра, разращивание ведут при ускорении изменения регулируемого параметра ,, а вытягивание кристалла ведут при постоянной величине мощности, подводимой к нагревателю, в условиях радиальной симметрии теплового поля и при наличии линейного осевого градиента температуры в камере охлаждения , равного 15-50 град/см. 2. Устройство для осуществления способа по П.1, включающее камеру роста с тиглем внутри, снабженную индуктором для нагрева, камеру охлаждения , размещенную над ней и снабженную теплоизолирующей системой с платиновым экраном, установленным над тиглем , смотровое окно, выполненное в стенке камеры охлаждения, и автоматическую систему контроля диаметра аягеая кристалла, отличающееся ttisaa тем, что платиновый экран выполнен диаметром 0,85-0,7 и высотой 1,2-1,,8 диаметра тигля и установлен над кромкой тигля на расстоянии 0,1-0,3 диаметра экрана, верхний виток индуктора О удален от соседнего витка на,расстояние 0,35-0,t диаметра тигля, смотровое окно имеет квадратное сечение с размером не более 0,1 диаметра тигля и выполнено непосредственно над кромкой тигля, а тигель установлен на полой подставке.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧ ЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСКОМ / СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) (21) 2729400/26 (22) 28.02.79 (46) 23.01.93. Бюл, NÃ 3 (72) О.А.Лракелов, К.Г.Белабаев, С.Ф.Бурачас, M,Ô.ÄóáoBèê, Б.П.Назаренко, В.Х.Саркисов и Б.Л.Тиман (56) Клюев В.П. и др. КристаллограФия, h" 13, 1968, с. 531.

Бурачас С.Ф. и др. Сб. Получение и исследование монокристаллов, Харьков, 1976, r-. 1-6.

G Zydzik. Mater Res. Bull т. 10, 1 975, с. 9-1 4, (54) СПОСОБ ВЫРАЦИВАНИЯ ИОНОКРИСТАЛЛОВ ОКСИДОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЦЕСТВЛЕНИЯ (57) 1. Способ выращивания монокристаллов оксидов, включающий затравливание кристалла на ориентированную затравку, ее разращивание до заданного диаметра при автоматическом регулировании мощности нагревателя в зависимости от изменения регулируемого параметра и последуюцее вытягивание кристалла в камеру охлаждения, о тл и ч а ю щ,и и с я тем, что, с целью исключения колебаний температуры в процессе вытягивания и повышения за счет этого выхода годных кристаллов, затравливание ведут из расплава, уровень которого находится ниже кром-. ки тигля на величину 0,35-0,15 его

Изобретение относится к области получения монокристаллов оксидов, таких например, как ниобат лития, нашедших в силу своих оптических I

„„5U„„786110 А1 (s<)g С 30 В 15/00, 15/14> 29/30 диаметра, разращивание ведут при ускорении изменения регулируемого параметра, а вытягивание кристалла ведут при постоянной величине мощности, подводимой к нагревателю, в условиях радиальной симметрии теплового поля и при наличии линейного осевого градиента температуры в камере охлаждения, равного 15-50 град/см;

2. Устройство для осуществления способа по и.1, включающее камеру роста с тиглем внутри, снабженную индуктором для нагрева, камеру охлаждения, размещенную над ней и снабженную теплоизолирующей системой с платиновым экраном, .установленным над тиглем, смотровое окно, выполненное в стенке камеры охлаждения, и автоматическую систему контроля диаметра кристалла, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что платиновый экран выполнен диаметром 0,85-0,7 и высотой 1„2-1,8 диаметра тигля и установлен над кромкой тигля на расстоянии 0,1-0,3 диаметра экрана, верхний виток и;духтора удален от соседнего витка на.расстояние 0,35-0,4 диаметра тигля, смотровое окно имеет квадратное сечение с размером не более О, 1 диаметра тигля и выполнено непосредственно над кромкой тигля, а тигель установлен на полой подставке. свойств широкое применение в акустике, радиотехнике, квантовой электронике. Изобретение может быть использовано в химической промышленности

786110 для получения кристаллов повышенного оптического качества.

Широко известен способ выращивания монокристаллов ниобата лития. 1о- 5 нокристаллические були постоянного диаметра выращивают из находящегося в тигле расплава. Изменение диаметра постоянно компенсируют путем регулирования мощности нагревателя, от ко- 1( торого к расплаву подводится тепло.

Затравливание кристалла осуществляют на ориентированную затравку путем погружения ее в расплав. Придают затравке вертикальное перемещение с постоянной скоростью. Разращивание кристалла до заданного диаметра осуществляют вручную. Для получения качественного монокристалла процесс ведут как можно более равномерно. Изме- () нение теплового баланса производят вручную путем регулировки подводимой энергии к нагревателю, используемой для нагрева расплава с визуальным контролем условий роста. Опера- 25 тор, производящий. регулировку, должен быть достаточно опытным, поскольку необходимо очень тщательно регулировать мощность с тем, чтобы диаметр кристалла был как можно ближе к тре- 3р буемой величине. Для выращивания кристалла с постоянным диаметром по всей длине; оператору необходимо непрерывно производить регулировку подводимой энергии к нагревателю, 35

Недостатком известного способа является его низкая эффективность, особенно при продолжительном наблюдении.

При этом решения о необходимых действиях по регулированию могут быть 4п приняты лишь по истечении определенного времени, в пределах которого тепловые условия роста могут снова измениться. Регулировка производится слишком редко, и при этом возникают 45 дефекты.

Известно устройство для выращиваHNR монокристаллов по Чохральскому.

Устройство содержит тигель с расплавом, цилиндрический платиновый экран, 5 нагрев которого производится от двухтрех дополнительных витков индуктора, удаленных от основных витков, греющих тигель, смотровое окно для визуального контроля за ростом кристалла, теплоизоляционную систему.

Недостатком такого устройства явяяется наличие смотрового окна достаточно больших размеров, которое искажает симметрию теплового поля в ростовой системе. При ручном разращивании кристалла от затравки до требуемой величины диаметра кристалла практически невозможно получать кристаллы одного и того же диаметра.

Известен способ выращивания, в котором управление процессом роста кристалла осуществляют путем программного изменения подводимой энергии к нагревателю. Величину и характер изменения подводимой энергии к нагревателю во времени определяют на основе данных предыдущих опытов по выращиванию кристаллов. Малейшее отличие в этом случае тепловых условий от предыдущего опыта приводит к несоответствию программы с конкретными условиями роста,. вследствие чего происходит отклонение диаметра от заданного.

Следует заметить, что основной причиной, приводящей к изменению диа" метра кристалла, является изменение теплоотвода от кристалла по мере опускания зеркала расплава и перемещение растущей части кристалла относительно стенок тигля.

Величина и характер изменения тепловых условий в ходе роста кристалла в основном зависят от конструкции кристаллизационного устройства. Малейшее изменение в расположении деталей кристаллизационного устройства, а также в начальном уровне расплава в тигле требует новой программы изменения подводимой энергии к нагревателю. В связи с этим регулирование подводимой энергии к нагревателю по программе не нашло промышленного применения. Устройство для осуществления этого способа аналогично устройству при ручном управлении, так как необходима коррекция йрограммы на основании визуального контроля.

Известны более прогрессивные способы выращивания монокристаллов, в которых постоянный диаметр поддерживают автоматически путем регулирования подводимой энергии к нагревателю на основании прямой или косвенной информации об изменении диаметра

f кристалла. Устройство для осуществления. этих способов содержит следя.щую систему, которая в процессе роста кристалла непрерывно следит за контролируемым параметром.и, если этот параметр отклоняется от задан5 786110

20

60 ной величины, то регулируют подводимую энергию к нагревателю так, цтобы контролируемый параметр изменялся в соответствии с заданной величиной. l3 качестве контролируемых параметров в косвенных методах могут быть изменение веса кристалла во времени, изменение массы расплава во времени, а также изменение убывания расплава в тигле. Хотя с помощью этих способов и удается получить кристалл со сравнительно небольшими отклонениями от заданного диаметра в процессе роста, однако при этом не достигается более важная цель - высокая оптическая однородность. Это связано с тем, цто в процессе вытягивания кристалла из расплава вследствие опускания уровня расплава и уменьшения теплоотвода от поверхности растущего кристалла происходит изменение тепловых условий.

В результате чего при регулировании постоянства диаметра производится коррекЦия температуры расплава. Изменение условий теплоотвода от кристалла и температуры расплава приводит к неоднородностям и ухудшению качества кристалла, так как при этом в процессе роста изменяются величина и характер температурных напряжений в кристалле, и в соответствии с диаграммой состояния изменяется состав растущего кристалла. Способы роста, в которых для постоянства диаметра растущего кристалла, кроме коррекции температуры, применяется еще и коррекция по скорости вытягивания, не исключают эти недостатки, а еще больше их усугубляют, так как при этом искусственно вносятся еще большие изменения в процесс роста.

Известен способ, в котором процесс выращивания кристаллов ниобата лития ведут автоматически, Платформа с тиглем и расплавом непрерывно взвешивается на электронных весах. Сигнал весов непрерывно Фиксируется на ленте самописца и используется для регулировки подводимой энергии к нагревателю, Процесс выращивания включает затравливание, соприкосновение ориентированной затравки с расплавом, что фиксируется по изменению веса, частичное погружение затравки в расплав, разращивание (диаметра) верхнего конуса кристалла, наращивание цилиндрической части кристалла, автома6 тическое регулирование с помощью следящей системы.

Постоянное вмешательство следящей системы в процесс выращивания обусловливает основной недостаток известного способа и устройства автоматического управления процессом роста монокристаллов, так как постоянное вмешательство приводит к искусственным колебаниям температуры расплава, связанным с самим управлением. В свою очередь, колебания температуры отрицательно сказываются на оптической однородности кристалла и снижают выход годных кристаллов.

Применение кристаллов ниобата лития в квантовой электронике предьявляет к качеству кристаллов повышенные требования, особенно к однородности структуры кристалла по высоте.

Искусственные колебания температуры расплава, возникающие в процессе автоматического управления процессом роста, приводят к ухудшению этой важной характеристики.

Целью изобретения является исключение колебаний температуры в процессе вытягивания и повышения за счет этого выхода годных кристаллов.

Указанная цель достигается тем, что затравливание ведут из. расплава, уровень. которого находится ниже кромки тигля на величину 0,35-0,15 его диаметра, разращивание ведут из расплава, уровень которого находится ниже кромки тигля на величину 0,35-0,15 его диаметра, разращивание ведут при ускорении изменения регулируемого параметра, а вытягивание кристалла ведут при постоянной величине мощности, подводимой к нагревателю, в условиях радиальной симметрии теплового поля и при наличии линейного осевого градиента температуры в камере охлаждения, равного 15-50 град/см.

В устройстве для осуществления способа платиновый экран выполнен диаметром 0 85-0,7 и высотой 1,2-1,8 диаметра тигля и установлен над кромкой тигля на расстоянии 0,1-0,3 диаметра экрана, верхний виток индуктора удален от соседнего витка на расстояние 0,35-0,4 диаметра тигля, смотровое окно имеет квадратное сечение с размером не более 0,1 диаметра тигля и выполнено непосредственно над кромкой тигля, а тигель установлен на полой подставке.

7 78611

Предложенная конструкция создает условия термической симметрии. Это достигается установкой тигля в индукторе, конструкцией индуктора, уста новкой теплового экрана относительно тигля и его габаритами, расположением и размерами смотрового окна (смотровое окно необходимо только на этапе затравливания) относительно кромки 0 тигля, первоначальным уровнем расплава в тигле, оголенным дном тигля. При этом выращивание кристалла на начальном участке ведется путем коррекции подводимой энергии к нагревателю 15 (разращивание верхнего .конуса кристалла), а цилиндрическая часть растет без изменения мощности нагревате- . ля и скорости вытягивания.

Автоматическое разращивание верх- 2О него конуса кристалла ведут путем коррекции подводимой энергии на основании информации об изменении уровня расплава (или массы расплава) . На этом участке производится автоматическое разращивание верхнего конуса кристалла для того, чтобы: сформирбвать кристалл нужного диаметра, причем разращивание ведут с ускорением регулируемого параметра роста (уров- ЗО ня расплава или массы расплава) линейно уменьшаюцимся во времени до нулевого значения. Такое разращивание обеспечивает плавный выход на заданный диаметр без дальнейших переколебаний диаметра кристалла. После того, как следящая система выведет кристалл на заданный диаметр и начнется наращивание цилиндрической части кристалла, ее отключают и дальнейший щ рост проводится при постоянной подводимой к нагревателю энергии. Отключение необходимо для того, чтобы следящая система в процессе управления не вносила искусственных колебаний 4в; температуры расплава, а условия роста с помощью предлагаемого устройства при этом подобраны такими, что тепловой баланс на границе кристаллизации в процессе роста остается по- 5О стоянным и с этого момента формирование диаметра кристалла будет происходить при стабильно подводимой к нагревателю энергии.

На чертеже приведено кристаллизационное устройство, обеспечивающее выращивание кристалла предлагаемым способом.

0 8

Тигель 1 устанавливают в изоляционную систему, состоящую из двух циркониевых цилиндров 2, 3, на циркониевое кольцо 4 ° Цилиндры 2, 3 и кольцо 4 устанавливают на циркониевый круг 5 толщиной 20 мм. Зазор между стенками тигля 1 и внутренним цилиндром 2 устанавливают равным 34 мм. Дно тигля не утепляют. На цилиндр 2 устанавливают циркониевую трубу 6, внутри которой устанавливают платиновый экран 7. Причем диаметр экрана на 10 мм меньше диаметра тигля. Экран 7 устанавливают от верхней кромки тигля на расстоянии 7-8 мм. If нижней части трубы 6 над кромкой тигля устанавливают смотровое окно 8 размером 5х5 мм. Окно закрывают квар1 цевым стеклом, На цилиндр 3 устанавливают циркониевую трубу 9, Причем труба 9 выше экрана 7 на 20 мм. На экран 7 устанавливают платиновую крышку 10, а на трубу 8 - циркониевую крышку 11. Дополнительный виток

12 индуктора удаляют от верхнего витка основного индуктора 13 на расстоянии 23-26 мм. Основной верхний виток индуктора устанавливают выше кромки тигля на расстоянии 7-9 мм.

Затравливание кристалла осуществ— ляли на ориентированной затравке 14 из расплава, уровень которого находился ниже верхней кромки тигля 1 на

8 мм. Первоначальный уровень расплава в тигле 1 по отношению к верхней кромке тигля должен. находиться в пределах 0,35-0,15 его диаметра. При затравливании из полного расплавом тигля (расстояние от кромки тигля меньше

0,15 его диаметра) требуется для поддержания постоянного диаметра кристалла значительная коррекция подводимой энергии к нагревателю, что отрицательно скажется на качестве кристалла. При затравливании из расплава, уровень которого ниже кромки тигля на

0,35 его диаметра, будет сказываться сильное экранирующее влияние стенок тигля и процесс роста кристалла будет происходить из "переохлажденного" расплава, что также скажется на качестве кристалла. Смотровое окно необходимо только на. этапе затравливания. Оно закрыто кварцевым стеклом.

Дальше .проводят разращивание кристалла автоматически с помощью следящей системы. Кристалл после стадии разращивания перекрывает смотровое окно, П редла гаемый способ

Утвержденный регламент

4 були треснули в процессе охлаждения

Все були целые

6 кристаллов

I имели 2V = 90

5 остальных2V = 120

1 кристалл имел

2V = f00 остальные 62V 130

9 78611 после чего оно не влияет на изменение тепловых условий роста.

Разращивание осуществляют с ускорением регулируемого параметра (уровня расплава), линейно уменьшающимся во времени до нулевого значения. Такое разращивание обеспечивает плавный переход с конусной части кристалла на цилиндрическую. После выхода кристалла на заданный диаметр отключают следящую систему. Последующий рост кристалла ведут при постоянных подводимой к нагревателю энергии и скорости вытягивания. Выбранное рас- 15 положение верхнего витка индуктора, экрана и размеры экрана позволяют создать линейно меняющийся осевой температурный градиент над расплавом. Дно тигля 1 специально не утеп- 20 ляется циркониевой .кромкой. Это приводит к тому, что в процессе роста кристалла по мере убывания уровня расплава в тигле усиливается экрани-. рующее влияние оголенных стенок тиг- 25 ля, которое уменьшает теплоотвод от кристалла. Для того, чтобы в этих условиях сохранить неизменным тепловой баланс на границе кристаллизации без изменения скорости вытягивания и диа- Зр метра кристалла, необходимо уменьшать тепловой поток из расплава, Тепловой поток по кристаллу состоит из скрытой теплоты кристанлизации и теплового потока из расплава. 0 „ = 0 „ + 0, 35 где Ок — тепловой поток по кристаллу, 0 „ — скрытая теплота кристаллизации, 0 тепловой поток из расплава °

Уменьшение тепловоro потока из расплава в процессе роста кристалла достигается неутепленным дном тигля, так как зеркало расплава по мере преврацения жидкой фазы расплава в твердую приближается к дну тигля, и перепад температуры между поверхностью 4расплава и дном тигля уменьшается.

Расположением тигля в индукторе, при котором его кромка находится ниже

0 10 верхнего витка индуктора на 0,1-0,25 диаметра тигля, обеспечивают равномерный нагрев тигля высокочастотным полем.

Выращенные в этих условиях кристаллы имеют высокую оптическую однородность. Их качество значительно выше. Отсутствуют термические напряжения, что увеличивает выход годных кристаллов.

В целях сравнения оптических характеристик и выхода качественных кристаллов было проведено 11 кристаллизаций предлагаемым способом и столько же согласно утвержденному регламенту. Оптическое качество оценивалось llo величине аномальной двуосности V, которая для случая тригонального кристалла, каковым является ниобат лития, должна отсутствовать.

По современным требованиям эта величина не должна превышать 90

Сравнительные данные по вырац иваHHIo монокристаллов представлены в таблице.

Предлагаемый способ эффективен не только для получения кристаллов ниобата лития, он может быть применен для выращивания других оксидов методом Чохральского.

7861! 0

Составитель Б. Мензелинцев

Редактор Т.Шарганова Техред М.Моргентал Корректор Л.Филь

Заказ 1088 Тираж Подписное

ВНИИПИ Госуларственного комитета по изобретениям и,открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

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