Спосіб вирощування монокристалів оксиду алюмінію

Изобретение относится к области выращивания монокристаллов и может быть использовано для выращивания монокристаллов тугоплавких оксидов, в частности, оксида алюминия, из расплавов известными методами, например горизонтальной направленной кристаллизацией расплава в тигле (ГНК), методом Чохральского, Степанова, Киропулоса. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому и выбранным в качестве прототипа является способ выращивания монокристаллов тугоплавких оксидов, включающий направленную кристаллизацию расплава в замкнутом объеме кристаллизационной камеры, в которой перед кристаллизацией создают давление 20-30 Па и проводят термическую диссоциацию спирта с выделением водорода и оксида углерода, а кристаллизацию ведут под давлением 0,1 -0,15 МПа в атмосфере следующего состава, об.%: водород и углекислый газ 10-20; паров воды - не более 5-10-6; аргон -остальное [1]. Монокристаллы, выращенные данным способом, имеют низкую себестоимость благодаря тому, что в защитной газовой среде такого состава срок службы нагревателя и экранов, изготавливаемых из дорогостоящих и дефицитных материалов, в 5-6 раз больше, чем, например, в условиях вакуума. Однако выращивание монокристаллов в восстановительной газовой среде при этих давлениях приводит к образованию в кристаллах высокой концентрации анионных вакансий различного зарядового состояния. Такие кристаллы характеризуются наличием интенсивных полос поглощения в ультрафиолетовой области спектра и повышенным коэффициентом поглощения в видимой и инфракрасной областях спектра. Визуально дефекты в таких кристаллах обнаруживаются как эффект "тиндалевского" рассеяния луча He+Ne-лазера. Кроме того, очистка исходного сырья за счет испарения примесей в процессе кристаллизации при давлениях аргона 0.1-0,15 МПа малоэффективна. Поэтому получение качественных кристаллов в этом случае возможно только из сырья высокой степени чистоты, например α-оксида алюминия, выращенного методом Вернейля. Использование более дешевых видов сырья (электрокорунд, глинозем) приводит к резкому снижению выхода бездефектного (товарного) кристалла. Значительная часть объема кристаллов (до 50%) в этом случае содержит газовые пузырьки и другие включения размером от 3 до 30 мкм. В основу изобретения поставлена задача разработать способ выращивания монокристаллов оксида алюминия, который обеспечил бы получение кристаллов с улучшенными оптическими характеристиками, а также снижение себестоимости технологического процесса. Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе выращивания монокристаллов оксида алюминия, включающем направленную кристаллизацию расплава в защитной газовой среде, согласно изобретению, кристаллизацию проводят в защитной атмосфере оксида углерода при давлении от 30 до 60 Па. Защитную атмосферу создают следующим образом. Непосредственно в кристаллизационной камере размещают дополнительный нагреватель, позволяющий получать температуру до 1700 К. Внутри нагревателя размещают молибденовый тигель, заполненный графитом и оксидом алюминия. При нагреве до температуры более 1300 К происходит реакция восстановления оксида алюминия с образованием оксида углерода. Необходимое давление в кристаллизационной камере поддерживают изменением температуры взаимодействия графита с оксидом алюминия, объемом реагентов. Откачка кристаллизационной камеры осуществляется при этом только низковакуумным механическим насосом. Высоковакуумный паромасляный насос из технологии исключается, что значительно упрощает технологию. Защитные свойства газовой среды на основе СО проявляются следующим образом, СО связывает в СО2 образующийся в процессе диссоциации жидкого оксида кислород. Специальные измерения показали, что а этом случае кислород, как атомарный, так и молекулярный, в зоне нагрева практически не регистрируется. Основными компонентами газовой среды являются СО и СО2, которые откачиваются насосом. Оба эти газа при этих давлениях и температурах практически не взаимодействуют с W и Мо. Эффект окисления и массопереноса практически не проявляется, что обеспечивает срок службы нагревателя и тепловых экранов на уровне технологий с использованием газовых сред на основе Аr при атмосферном давлении, что в 4-5 раз больше, чем при выращивании монокристаллов в условиях вакуума. В то же время проведение кристаллизации в атмосфере СО при давлениях 30-60 Па сопровождается достаточно интенсивным испарением исходного материала и примесей. В связи с этим образованиеанионных вакансий, связанных с нарушением стехиометрии кристалла по кислороду, не происходит. Оптические характеристики кристаллов при этом не снижаются. Они отличаются высокой прозрачностью во всем рабочем диапазоне длин волн (включая ультрафиолетовый диапазон - 0,2-0,25 мкм). Оптическое качество и структурное совершенство кристаллов не уступают лучшим кристаллам, выращенным по вакуумной технологии. "Тиндалевское" рассеяние в объеме кристаллов полностью отсутствует, что свидетельствует об их высокой однородности. Кроме того, высокая скорость испарения примесей в этих условиях позволяет использовать дешевые виды сырья (электрокорунд, глинозем). Таким образом, реализация предлагаемого способа выращивания обеспечивает получение монокристаллов высокою оптического качества и структурного совершенства, себестоимость которых ниже себестоимости кристаллов, выращенных в газовых средах при атмосферном давлении. Экономический эффект связан с использованием более дешевого сырья. Интервал рабочих давлений защитной среды выбран с учетом следующих обстоятельств. При давлении СО менее 30 Па, защитные свойства среды начинают резко падать, В этом случае не весь кислород связывается в СО2, происходит окисление вольфрамовых и молибденовых элементов теплового узла, их распыление и массоперенос. При увеличении давления СО более 60 Па возможна "карбадизация" молибденового тигля с образованием жидкого карбида молибдена, и как следствие этого, утечка расплава. Кроме того, в этом случае возникают дуговые разряды в зоне нагреоа. Кристаллизация при этом невозможна. Заявляемый способ включает следующие операции: 1. Загрузку тигля. 2. Установку тигля в тепловую зону вакуумной кристаллизационной камеры. 3. Откачку низковакуумным насосом. 4. Включение дополнительного нагревателя. 5. Регулировку температуры. 6. Включение основного нагревателя. 7. Выращивание кристалла. 8. Снижение температуры печи по заданной программе. Пример реализации заявляемого способа. Для реализации предлагаемого способа выращивания использовали серийную установку СЗВН155.320.35/22-И1, предназначенную для выращмьания крупногабаритных монокристаллов лейкосапфира и других оксидов методом направленной кристаллизации расплава в тигле. После загрузки молибденового тигля исходным сырьем его помещали в тепловую зону вакуумной кристаллизационной камеры, затем откачивали установку низковакуумным насосом до давления 10-20 Па; включали дополнительный нагреватель и нагревали смесь АІ 2О3 с графитом до температуры 1400°С; после начала реакции взаимодействия и выделения СО проводили регулировку температуры дополнительного нагревателя, так чтобы в камере установилось давление 40 Па; затем включали основной нагреватель и проводили выращивание кристалла направленной кристаллизацией расплава в тигле. При этом все операции процесса выращивания кристалла (подъем температуры, расплавление исходного сырья, затравление, кристаллизацию расплава и снижение температуры) проводили при давлении защитной газовой среды на основе СО равном 40 Па. Откачку кристаллизационной камеры при этом осуществляли только низковакуумным механическим насосом. Сравнительные характеристики технологий и кристаллов, полученных в различных условиях, приведены в таблице. Таким образом, проведение выращивания монокристаллов оксида алюминия в защитной газовой среде СО при давлениях от 30 до 60 Па дает возможность получать монокристаллы высокого оптического качества и структурного совершенства, себестоимость которых при использовании в качестве исходного сырья электрокорунда или глинозема в 1,5 раза ниже, по сравнению с прототипом. Это достигается более высоким процентом выхода бездефектного материала (90% против 40% для кристаллов, выращенных при атмосферном давлении аргона).