Спосіб вирощування монокристалів

Спосіб вирощування монокристалів, який відрізняється тим, що проводять дискретне витягування на затравку з нерухомого по вертикалі тигля з розплавом, автоматично підтримують у тиглі постійний рівень розплаву, корегують його C2 2 (19) 1 3 непрямий контроль діаметра МК за допомогою датчика рівня розплаву [В.И. Горилецкий, Б.В. Гринев, Б.Г. Заславский и др. "Рост кристаллов. Галогениды щелочных металлов", Харьков: АКТА, 2002, 535 с.]. Відомий спосіб [А.с. СРСР №374902, В01J17/18] вирощування МК безперервним витягуванням на затравку з нерухомого по вертикалі тигля з розплавом, відповідно до якого безупинно підживлюють розплав вихідною сировиною, безпосередньо подаючи її в тигель, і автоматично підтримують постійний рівень розплаву, коректуючи його температуру по сигналу датчика рівня розплаву. Відхилення рівня розплаву від заданого значення свідчить про те, що підживлення розплаву здійснюється з більшою або меншою масовою швидкістю, обумовленої значенням маси вихідної сировини в одиницю часу, чим це необхідно для забезпечення постійного збільшення маси МК. Основним недоліком цього способу вирощування МК є невисока точність підтримки масової швидкості підживлення розплаву (ця точність залежить не тільки від гранулометричного складу й інших показників подаваної в розплав вихідної сировини, але і від рівномірності її надходження в розплав), що не дозволяє належною мірою стабілізувати рівень розплаву, а, виходить, і діаметр МК. Безпосередня подача сировини в тигель, де знаходиться вирощуваний МК, приводить до нестабільності гідродинамічних потоків у розплаві, порушенням теплових полів і умов проведення кристалізації, що є причиною неоднорідності структури МК, особливо при необхідності введення активатора (домішки). Відомий спосіб [Пат. США №1892739, кл. 25262.3] вирощування МК безперервним витягуванням на затравку з нерухомого по вертикалі тигля з розплавом з автоматичною підтримкою в тиглі постійного рівня розплаву, корекцією його температури по сигналу датчика рівня розплаву і підживленням розплаву вихідною сировиною, що здійснюють, попередньо подаючи вихідну сировину в розташовану коаксиально тиглеві кільцеву ємність для розплавлення. Це зменшує нестабільність рівня розплаву в тиглі, оскільки вихідна сировина в нього надходить не безпосередньо з бункера, розташованого над ростовою піччю, а малими порціями розплаву з кільцевої ємності, що знаходиться практично на одній висоті з тиглем. Загальним недоліком розглянутих способів вирощування МК є неможливість одержання рівної бічної поверхні кристала. Це зв'язано з тим, що при рості великих МК границя кристал - розплав є опуклою убік розплаву й у процесі росту МК нестабільна, об'єм підрозплавної частини МК унаслідок цього також нестабільний і форма її поверхні постійно міняється. На стінках тигля в процесі росту МК виникають паразитні кристалічні нарости. Ці фактори істотно викривлюють значення діаметра МК [В.И. Горилецкий, Б.В. Гринев, Б.Г. Заславский і ін. "Рост кристаллов. Галогениды щелочных металлов", Харьков: АКТА, 81196 4 2002, залежність (3.28)]. Крім того, незважаючи на введення кільцевої ємності для подачі сировини в тигель, домогтися рівномірної швидкості подачі сировини в розплав цілком не вдається. Відомий спосіб вирощування МК [В.И. Горилецкий, Б.В. Гринев, Б.Г. Заславский і ін. "Рост кристаллов. Галогениды щелочных металлов", Харьков: АКТА, 2002, С. 318-320] дискретним витягуванням на затравку з нерухомого по вертикалі тигля з розплавом з автоматичною підтримкою в тиглі постійного рівня розплаву, корекцією його температури по сигналу датчика рівня розплаву і підживленням розплаву вихідною сировиною, попередньо подаваною у розташовану коаксиально тиглеві кільцеву ємність для розплавлення, відповідно до якого задають висоту дискретного витягування МК (Dhs) і наступної зміни (Dh0) рівня розплаву, тривалість (to) робочого циклу вирощування МК і складових його стадій, у тому числі, стадії 1 - дискретного витягування (t1) МК, стадії 2 - управління (t2), що складається з операцій виміру падіння рівня розплаву (Dh) після підйому МК, порівняння отриманого значення з заданим (Dh0) і корекції температури розплаву по результату порівняння, стадії 3 – підживлення розплаву (t3) і стадії 4 витримки після підживлення розплаву (14), потім послідовно здійснюють ці стадії, після чого робочий цикл повторюють. При дискретному витягуванні МК піднімають на задану висоту Dhs за мінімально можливий час ("підсмикують"), t1=2 с. Тривалість і висоту дискретного витягування підбирають так, щоб при підйомі МК не тільки не відірвався від розплаву, але зберіг контакт із розплавом по найбільшій площі зіткнення, а рівень розплаву за період підйому змінився б на величину Dh, як можна більш відчутну для датчика. По стрибкоподібній зміні рівня розплаву Dh судять про зміну діаметра МК [В.Й. Горилецкий, Б.В. Гринев, Б.Г. Заславский і ін. "Рост кристаллов. Галогениды щелочных металлов", Харьков: АКТА, 2002, формула 3.32]: (1) d=D×[Dh/(Dh+Dh)]1/2, де d, D - діаметр МК і тигля, відповідно; Dh - падіння рівня розплаву після підйому МК; Dhs - висота дискретного витягування МК. Як випливає з фіг. Додатка, - на стадії 1 - дискретного витягування МК рівень розплаву падає дуже швидко (реальна тривалість стадії дискретного витягування t1=2 с), тому його зміна відображається на малюнку вертикальною лінією, - стадія 2 - управління (t2=118 с) складається з послідовно виконуваних операцій виміру падіння рівня розплаву (Dh) після підйому МК, порівняння отриманого значення з заданим (Dh0) і корекції температури розплаву по результату порівняння, - на стадії 3 - підживлення рівень розплаву плавно підвищується, - на стадії 4 - здійснюють витримку після підживлення до досягнення постійного рівня розплаву в тиглі. У відомому способі протягом робочого циклу вирощування МК здійснюється всього одне 5 дискретне витягування МК на задану висоту Dhs, при цьому Dh0=1,8 мм (стадія 1, фіг. Додатка). При такому підйомі на бічній поверхні МК виникають гофри, що повторюються за часом з частотою проведення цієї операції. Крім того, при підйомі МК на значну висоту виникають порушення стабільності гідродинамічних потоків у розплаві, що є причиною неоднорідності структури МК, особливо при необхідності введення активатора і твердих вимог по рівномірності його розподілу по всій довжині МК. У кожнім робочому циклі вирощування МК здійснюють єдине управління за результатами зміни рівня розплаву після дискретного витягування МК (стадія 2, фіг. Додатка). Крім твердих вимог, пред'явлених до чутливості датчиків виміру рівня розплаву і переміщення МК додатково виникає необхідність правильності визначення величини і знака керуючого впливу при проведенні управління, що залежить від появи хвиль на поверхні розплаву в результаті обертання МК і тигля, продовження процесу стікання сировини в тигель з кільцевої ємності. Дійсно, при тривалості робочого циклу t0=18¸22 хв. частота fy управляючих впливів (упр.) - корекцій температури розплаву складає усього: Fy=1/(18¸22) упр./хв.=1×60/(18¸22) упр./год.»2¸3 упр./год. Така низька частота управління приводить до того, що протягом росту МК теплові збурення в розплаві не встигають компенсуватися керуючими впливами, найчастіше визначеними неточно в силу зазначених вище причин, що викривлює очікуваний результат управління і порушує монотонність зміни (аж до стрибкоподібного) результуючих умов кристалізації, Унаслідок цього виникають додаткові перешкоди в забезпеченні стабільного діаметра МК. Протягом робочого циклу вирощування здійснюється всього одне підживлення розплаву (стадія 3, фіг. Додатка), причому протягом заданого інтервалу підживлення подається вся порція сировини, необхідна для нарощування маси МК і досягнення постійного рівня розплаву в тиглі. При великих розмірах МК ця маса досить значна, що приводить до істотних коливань температури в кільцевій ємності, куди надходить вихідна сировина, і в розплаві, а, виходить, і до відповідних коливань швидкості росту МК. Отже, порушення стаціонарності умов кристалізації при проведенні підживлення розплаву приводить до коливань діаметра МК. Таким чином, відомий спосіб не дозволяє забезпечити необхідну якість МК унаслідок зазначених недоліків. Цей спосіб обраний як прототип. В основу дійсного винаходу поставлена задача створення способу вирощування МК, що забезпечив би підвищення їхньої якості за рахунок підвищення точності підтримки діаметра вирощуваного МК шляхом виключення порушень при зміні умов кристалізації. Рішення задачі забезпечується тим, що в способі вирощування МК дискретним витягуванням на затравку з нерухомого по 81196 6 вертикалі тигля з розплавом з автоматичною підтримкою в тиглі постійного рівня розплаву, корекцією його температури по сигналу датчика рівня розплаву, підживленням розплаву вихідною сировиною, попередньо подаваною у розташовану коаксиально тиглеві кільцеву ємність для розплавлення, при цьому задають висоту дискретного витягування МК (Dhs) і величину падіння рівня (Dh0) розплаву, тривалість (t0) робочого циклу вирощування МК і складових його стадій, у тому числі, стадію дискретного витягування (t1) МК, стадію управління (t2), що складається з операцій виміру падіння рівня розплаву (Dh) після підйому МК, порівняння отриманого значення з заданим (Dh0) і корекції температури розплаву по результату порівняння, стадію підживлення розплаву (t3) і стадію витримки після підживлення розплаву (t4), потім послідовно здійснюють ці стадії, після чого робочий цикл повторюють, відповідно до винаходу, на початку робочого циклу стадії дискретного витягування, управління і підживлення розплаву виконують кілька разів, після чого здійснюють підживлення до досягнення постійного рівня розплаву в тиглі, при цьому перед початком вирощування МК задають кількість зазначених стадій (N) і їхню тривалість (tц). Таким чином, у винаході, так само, як і в прототипі, послідовно виконують операції робочого циклу: дискретного витягування, управління, підживлення розплаву і витримки після підживлення розплаву. Ці операції є основними. На відміну від прототипу, на початку робочого циклу вирощування МК виконують декілька (N) стадій дискретного витягування МК, підживлення і управління, після чого здійснюють підживлення до досягнення постійного рівня розплаву в тиглі. Як випливає з фіг.: - виконання на початку робочого циклу кілька разів стадій дискретного витягування, управління і підживлення розплаву забезпечує: - можливість підйому МК на меншу задану висоту (Dhs), у результаті рівень розплаву зменшується також на меншу величину (Dhi); - збільшення кількості керуючих впливів (fyпp), а, виходить, скорочення періоду, коли ці впливи відсутні; - рівномірність розподілу кількості подаваної вихідної сировини, необхідного для росту МК, завдяки чому процес витягування МК стає більш плавним, зменшуються похибки по величині переміщення МК, аналогічно в меншому ступені відбуваються коливання рівня розплаву внаслідок дискретного витягування, що підвищує, у порівнянні з прототипом, стабільність гідродинамічних полів у розплаві, збільшує стаціонарність процесу кристалізації а, отже, і однорідність структури МК; - наступне підживлення до досягнення постійного рівня розплаву в тиглі здійснюється в меншому об'ємі, тому виникає і менше порушень теплових умов у кільцевій ємності й у розплаві; надходження сировини в розплав невеликими порціями (можливо з меншою масовою швидкістю) 7 у декількох стадіях підживлення дозволяє зменшити масу сировини, подаваної для досягнення постійного рівня розплаву в тиглі. Тому в пропонованому способі рівень розплаву піддається меншим коливанням, що стабілізує гідродинамічні процеси в розплаві, створює стаціонарні умови проведення управлінь, чим досягається плавність зміни умов проведення кристалізації; - задана кількість стадій (N) і їхня тривалість (tц) дозволяють здійснити кілька додаткових операцій контролю зміни рівня розплаву, порівняння його з заданим значенням і корекції температури розплаву, що забезпечує більш плавний характер відповідних змін масової швидкості кристалізації і збільшення в кілька разів обсягу інформації для формування керуючих впливів, підвищуючи якість управління, завдяки чому зменшуються відносні відхилення діаметра вирощуваного МК і підвищується його якість. На фіг.1 приведена діаграма зміни рівня розплаву при вирощуванні МК по запропонованому способі. У табл. 1 приведена порівняльна оцінка параметрів запропонованого способу і прототипу. У табл. 2 приведені сцинтиляційні характеристики МК NaI(TІ), вирощених з використанням способу прототипу і пропонованого способу. На фіг.2 Додатка приведена діаграма зміни рівня розплаву при вирощуванні МК по способі прототипові. Пропонований винахід реалізують на промислових установках типу "РОСТ" у такий спосіб. Для вирощування МК натрію йодистого, активованого талієм [NaІ(TІ)], діаметром 420мм і висотою 500мм циліндричний тигель діаметром 500 мм і висотою 150мм поміщають у ростову піч з розмірами 0950х1300мм. Коаксиально верхній частині тигля розташована кільцева ємність висотою 70 мм, із внутрішнім і зовнішнім діаметрами 500 і 600мм, що має з тиглем загальну стінку з отворами [А.с. СРСР №374902, В01J17/18]. Тигель із сировиною нагрівають донним (потужністю 8кВт) і бічним (потужністю 6 кВт) нагрівачами. У тигель завантажують сіль натрію йодистого в кількості 50кГ, а в бункер - 27 кГ (у процесі кристалізації використовують 10 бункерів) висушеної вихідної сировини з рівномірно перемішаним йодистим талієм у кількості 1,6кГ. Вакуумирують об'єм ростової камери і сушать сировину при відкачці з нагріванням до 500°С протягом 24 годин. Потім підвищують температуру нагрівачів ірозплавляють сировину в тиглі. Після розплавлення сировини стикають затравку з розплавом, оплавляють ії і підбирають рівноважну температуру, при якій плавлення затравки припиняється (~780°С). Витримують затравку в контакті з розплавом при цій температурі протягом однієї години. Потім шляхом зниження температури зі швидкістю до 2°С/год., радіальне розрощують МК до заданого діаметра 420 мм протягом 30¸35 год.. 81196 8 По досягненні заданого діаметра МК стикають щуп датчика рівня розплаву, що є стандартним вузлом (заявка №200506063 від 21.06.05, С30 В 15/20, Україна, розрішальна здатність ~1 мкм), застосовуваним на установках "РОСТ", з поверхнею розплаву. Потім при початку росту МК у довжину включають усю систему автоматизованого управління ростом МК. При цьому в обчислювальному пристрої (регулятор діаметра типу РПМД-3.0) задають наступні параметри: Dhs - висоту дискретного витягування МК; у конкретному прикладі Dhs=0,33 мм (контроль величини переміщення з точністю