Пристрій для вирощування кристалів направленою кристалізацією розплаву

МІЖ С ЗО В И/00 Пристрій для вирощування кристалів направленою кристалізацією розплаву. Винахід відноситься до технології виробництва кристалів, зокрема до вирощування кристалів із розплаву і може бути використаний для Відомий пристрій для вирощування кристалів направленою кристалізацією розплаву» який включає наявність речовини, що кристалізується в контейнері з конічною нижньою частиною для відбору кристалічного зародку і наявність над розплавом пробки для зменшення вільного об'єму над розплавом [1]. Контейнер в цьому випадку розміщений вертикально, кристалізацію злитку ведуть знизу вверх. Недоліком наведеного пристрою с поява механічних напруг в кристалі внаслідок його взаємодії з стінками контейнера як в процесі вирощування, так і в процесі післяростового охолодження через різницю коефіцієнтів термічного розширення матеріалу, що кристалізується та матеріалу контейнера. Дія на кристал стінок контейнера приводить до збільшення густини дислокацій, виникнення в кристалі блоків та тріщин. Найбільш близьким до запропонованого по технічній сутності та ефекту, що досягається, є пристрій для здійснення направленої кристалізації розплаву, приведений в [2], який і обраний нами в якості прототипу. Згідно даного технічного рішення, речовина, що кристалізується, розміщена в конічній кварцевій ампулі, яка, в свою чергу, знаходиться в зовнішньому захисному контейнері. Конічна частина ампули служить для відбору кристалічного зародку. До недоліків приведеного пристрою слід віднести наявність вільного об'єму над розплавом, що може привести до випаровування частини розплаву. Для речовин, хімічний склад пари яких відрізняється від складу розплаву, це викликає відхилення хімічного складу від стехіометричного. Крім того, взаємодія злитку із стінками контейнера негативно впливає на якість кристалу. Завданням винаходу є створення пристрою, який виключає взаємодію кристалу із стінками контейнеру в процесі вирощування і післяростового охолодження без наявності вільного об'єму над поверхнею розплаву. Завдання досягається тим, що в пристрої для вирощування кристалів направленою кристалізацією розплаву, що містить трубчатий контейнер круглого перерізу видовженої форми з розміщеною в його порожнині трубчатою вкладкою, а також засіб для відбору кристалічного зародку, відрізняється тим, що засіб для відбору кристалічного зародку розміщений у ііроиці і виконаним у ішиімді citusoctiuiu І конісннером скриікяо каналу змінного перерізу, яка своєю нижньою частиною спирається на верхній торець трубчатої вкладки, причому зовнішній діаметр трубчатої вкладки та пробки однакові з діаметром порожнини контейнера, а довжина його вибирається із розрахунку, що сума об'ємів його порожнини і порожнини каналу для відбору кристалічною зародку дорівнює об'єму розплаву речовини, що крисідлізуєгьея, іустина якої в розплаві менша ніж іустина у твердій фазі. І Порівняльний аналіз з прототипом показує, що запропонований пристрійі містить ряд суттєвих переваг, а саме: додатково містить пробку з каналом дня відбору кристалічного зародку, а її розміщення на верхньому кінці вкладки надійно фіксує її в потрібному положенні. Таким чином, вкладка має цілком інше в порівнянні з прототипом функціональне призначення. Суттєвим також є співвідношення об'ємів порожнини вкладки та каналу для відбору кристалічного зародку до об'єму розплаву речовини, що кристалізується. Якщо об'єм розплаву буде меншим від суми об'ємів вкладки та каналу для відбору кристалічного зародку, то розплав не заповнить повністю вищезгаданий канал і зародження кристалу буде ускладнено. В протилежному випадку надлишок розплаву буде виливатись через верхній горець каналу для відбору кристалічного зародку, що також небажано, поскільки викликає додаткові витрати вихідного матеріалу. Крім того, пробка забезпечує надійну ізоляцію поверхні розплаву від вільного об'єму* а форма каналу для відбору крисіалічного зародку дозволяє використати монокристалічну затравку і вести кристалізацію розплаву в потрібному кристалографічному напрямку. \ Сутгєвим є те, що всі викладки принципу роботи запропонованого пристрою для вирощування кристалів без контакту із стінками конгейнеру справедливі для тих речовин, густина яких у розплаві менше густини у твердій фазі, тобто вони кристалізуються із зменшенням об'єму (таких речовин у природі більше 90%). Схема пристрою приведена на фіг. 1-3. В порожнині контейнера 1 знаходиться вкладка 2, а в її порожнині вихідна речовина 3. Над речовиною 3 розміщена пробка 5 з каналом для відбору кристалічного зародку 4. Пробка 5 знаходиться трохи вище верхнього зрізу вкладки, поскільки вихідна речовина в полікристздіічному стані займає об'єм більший ніж в розплаві. Працює пристрій слідуючим чином. Перед процесом вирощування встановлююсь об'єм трубчатої вкладки (форма ціліндра) та каналу для відбору кристалічного зародку (заповнюють водою та визначають її об'єм). В порожнині конгейнеру 1 розміщують вкладку 2, а в її порожнині - речовину, що кристалізуєгься 3 (фіг.ї). її кількість беруть із розрахунку, що в розплавленому стані вона заповнить об'єм вкладки і каналу для відбору кристалічною зародку 4. Над речовиною розміщають пробку 5, після чого контейнер герметизують і розміщують в ростовій печі з градієнтним участком температури. Речовина плавиться і займає об'єм порожнини вкладки, о. пробка під шєю.апасноївягилаишіїоіпьсял.по^ш^н і.нижньою. частиною впирапъся в верхній торець вкладки (фіг.2). При цьому проходить заповнення каналу для відбору кристалічного зародку розплавом, а також фіксація пробки відносно стінок контейнера. Подальший процес формування кристалічного зародку (або вирощування на орієнтовану в потрібному кристалографічному напрямку затравку ), а також вирощування власне кристалу 6 {фоходить аналогічно прототипу, з тою лиш різницею, що в запропонованому варіанті кристалізація направлена зверху вниз. Пробка з каналом для иідбору кристалічного зародку непорушна по підношенню до спнок контейнеру, а канал має перемінний переріз і забезпечує фіксацію затравки або зформованого кристалу по відношенню до пробки і стінок контейнера. Поскільки густина розплаву речовини менше густини у твердій фазі, тобто об'єм закристалізованої фази менше об'єму розплаву, кристал росте без контакту із стінками контейнера (фіг.З). Приводимо приклад реалізації запропонованного технічного рішення. Приклад 1. Проведено процес вирощування кристалу хлористого калію КСІ ( ргв.-І,98 г/см3. ррогшп.^Кві г/см3). Внутрішній діаметр контейнеру із кварцевого скла 26 мм, в його порожнину щільно входить вкладка також із кварцевого скла з внутрішнім діаметром 20,5 мм і довжиною 90 мм (об'єм 29,69 см3). Пробка виготовлена із графіту (р=2,2 г/см3) і маг канал для відбору кристалічного зародку об'ємом 4,0 см3. В контейнер завантажують 61,63 г полікристалічного хлориду калію, що в роплавленому стані заповнить об'єм вкладай та каналу для відбору кристалічного зародку (33,69 см3), поскільки Уромш.-т/рровші.; Де V - об'єм; m - маса; р - густина. Контейнер відкачують (щоб запобігти згорянню графіту) і розміщують у ростовій печі з градієнтним участком. Після формування кристалічного зародку в каналі пробки переміщення фронту кристалізації ведуть із швидкістю 2 мм/год. Одержаний кристал мас діаметр 19,5 мм. Приклад 2. Аналогічно прикладу 1, проведено процес кристалізації хлористого калію, але в контейнер завантажено 59 г вихідного матеріалу. По закінченні процесу виявилось, що внаслідок часткового заповнення каналу для відбору зародку (розплав не піднявся вище самої вузької частини каналу) формування монокристалічного зародку не відбулось і злиток виявився полжристашчним. Приклад 3. Процес проведено аналогічно прикладу 1, тільки в контейнер завантажено 62 г хлористого калію. Кристал отримано аналогічно прикладу 1, а надлишок розплаву закристалізувався на верхній частині пробки. Приклад 4. Аналогічно прикладу 1 проведено процес кристалізації кристалів пруститу Ag^AsS^, хімічний склад пари якого відрізняється від розплаву, тобто вій плавиться з частковим розкладом (ррозші.~5,30 г/см3, Ртв.=5,63 г/см3). Процес проведено в вакуумованому кнарцевому контейнері з 4. вкладкою внутрішнім діаметром ЗО мм. сума об'ємів вкладки та каналу для відбору кристалічного зародку складає 62,3 см3. В контейнер завантажено 330 г полікрисіїлічної шихти, швидкість переміщення фронту кристалізації 0,5 мм/год. Одержано кристал діаметром 28 мм. Як видно із наведених прикладів, найбільш оптимальним є випадок, коли сума об'ємів каналу для відбору кристалічнога зародку та вкладки дорівнює об'єму розплаву речовини, що кристалізується. Таким чином, запропонований пристрій дозволяє виключити взаємодію речовини, що кристалізується, із стінками контейнеру в процесі вирощування і післяростового охолодження без наявносіі вільного об'єму над поверхнею розплаву. Густина дислокацій кристалів, отриманих таким чином, в 5-10 разів менша, ніж в отриманих згідно прототипу. Намічається, використання запропонованого пристрою в Інституті електронної фізики НАН України при вирощуванні кристалів, перспективних для потреб оптоелектроніки. Даний пристрій може бути використаний при вирощуванні кристалів широкого ряду речовин з врахуванням їх фізикохімічних властивостей. Ф НАН України проф. Шпеник О. Б. Роман І. Ю. Пристрій для вирощувшшя кристалрэ направленою кристалізацією розплаву ФІГ. І ФІГ. 2 Автори: Пекар Я.М. Турок І.І. ФІГ. З