Пристрій для вирощування монокристалів тугоплавких оксидів методом горизонтальної спрямованої кристалізації

Реферат: Винахід належить до технології високотемпературної кристалізації. Пристрій для вирощування монокристалів тугоплавких оксидів методом горизонтальної спрямованої кристалізації, який складається з вакуумної камери з тепловим вузлом, що містить систему багатошарових внутрішніх та зовнішніх екранів, які оточують нагрівальний елемент та утворюють приймальну і вихідну частини тунелю, волокуші з механізмом переміщення та контейнером для вихідної сировини, струмовводів і нагрівального елемента з петлеподібно вигнутого прутка, який складається з верхньої та нижньої секцій з незалежним управлінням потужністю кожної секції, верхня секція нагрівального елемента виконана у вигляді перевернутої П-подібної конструкції, нижня секція нагрівального елемента виконана пласкою, причому кожна петля нижньої секції розташована під аналогічною верхньою, а виводи кожної з нагрівальних секцій направлені в різні сторони, до кожної з петель обох секцій нагрівального елемента через ізолятори кріпляться опорні вертикальні стійки, переріз верхніх частин прутків відносно до бокових та нижніх більший в 1,6-1,8 разу. Винахід дозволяє збільшити розмір вирощуваних кристалів без порушення оптичної якості та структурної досконалості кристала. UA 115514 C2 (12) UA 115514 C2 UA 115514 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до технології високотемпературної кристалізації з розплаву і може бути застосовано для одержання особливо великих монокристалів тугоплавких оксидів у вигляді пластин, наприклад сапфіра. Зростаючий попит на особливо великі кристали високої структурної та оптичної якості нарівні зі збільшенням продуктивності процесу вирощування вимагають від виробників постійного удосконалення існуючих пристроїв для вирощування кристалів, покращення їх економічних та технологічних показників. А це, в свою чергу, залежить від процента виходу кінцевого продукту з кристала. Для прикладу, з кристалів сапфіра виготовляють підкладки різних розмірів та орієнтації, в тому числі і прямокутні пластини. Найбільш раціональне їх виготовлення може бути у випадку вирощування кристалів горизонтальною спрямованою кристалізацією (ГСК) з близькими до необхідного виробу розмірами. Одержання великих монокристалів другими методами (наприклад, методом Кіропулоса), особливо для виготовлення підкладок з орієнтацією (0001), є проблематичним. До того ж процент виходу товарної частини кристала в даному випадку є низьким. Відомий пристрій для вирощування монокристалів - тугоплавких матеріалів методом горизонтальної спрямованої кристалізації [Патент РФ № 2046159, С30В11/00, С30В29/22], що містить контейнер для розміщення шихти з конічною частиною для розміщення затравки, витковий нагрівач опору, теплоізоляційну оболонку з внутрішнім тепловим екраном, а також систему внутрішніх і зовнішніх торцевих екранів, витковий нагрівач виконаний у вигляді певної кількості незалежних секцій, кожна з яких складається з непарного числа витків різного перерізу з максимальним перерізом витка посередині, в яких витки розміщені під кутом до поздовжньої осі контейнера, під ним в кожній секції встановлені додаткові теплові екрани, а теплоізоляційну оболонку над і під контейнером виконана змінного перерізу з мінімальною товщиною в зоні максимального діаметра перерізу витка кожної секції. Недоліком відомого пристрою є складність управління системою багатосекційного нагрівача для створення стабільного теплового поля в зоні росту і відпалу, що не завжди передбачувано, якщо є зміни теплоізоляційних властивостей екранів і потужності нагрівача в результаті вигоряння. Відомий пристрій для вирощування тугоплавких монокристалів методом горизонтальної спрямованої кристалізації [патент РФ № 2208665, С30ВП/00, С30В13/16, С30В15/14], що включає камеру росту з розміщеним в ній тепловим вузлом, який складається з системи багатошарових екранів у формі прямокутного паралелепіпеда та нагрівача. Нагрівач виконаний у вигляді моноблока, виготовленого із листкуватого графітового моноліту, який одержано шляхом спікання графітових волокон при температурі 2600 °C. Нагрівач кріпиться з однієї сторони багатошаровим гнучким струмовводом за допомогою вольфрамового клина, а з іншої жорстким струмовводом. З'єднувальні поверхні нагрівача та струмовводу мають випуклу та увігнуту форми відповідно. Конструкція пристрою дозволяє вирощувати великогабаритні монокристали шириною до 500 мм, а також має підвищену стійкість і стабільність, що дає можливість знизити градієнт температури в зоні кристалізації та використання електроенергії. Недоліком такої конструкції є недостатній ступінь управління температурним полем на фронті кристалізації вздовж окремих напрямків, що необхідно, через зміненення теплових умов в процесі росту внаслідок зміни радіаційної і кондуктивної складових теплопереносу в різних взаємно перпендикулярних напрямках. Це буде призводити до порушення технологічних режимів та утворення в кристалі, що вирощується, різного роду дефектів. Відомий пристрій для вирощування монокристалів тугоплавких оксидів горизонтальною спрямованою кристалізацією [патент РФ. № 2320789, С30В11/02], що складається з вакуумної камери з тепловим вузлом, що містить систему багатошарових внутрішніх та зовнішніх екранів, які оточують нагрівальний елемент та утворюють приймальну і вихідну частини тунелю, волокуші з механізмом переміщення та контейнером для вихідної сировини, струмовводів і нагрівального елемента, який складається з верхньої та нижньої секції з незалежним управлінням потужністю кожної секції. Теплові потоки випромінювання нагрівальних секцій задають роздільно, один з яких являє собою розташований над поверхнею розплаву плаский нагрівач, а інший виконаний у вигляді перевернутої П-подібної форми і розміщений під контейнером і з його бічних сторін. Нагрівальні секції виконані з вуглеграфітового матеріалу, що мають певну конфігурацію, необхідну для формування симетричного теплового поля на межі розподілу фаз. Недоліком при використанні вуглеграфітового нагрівача є підвищення вірогідності карбідизації молібденової та вольфрамової оснастки у високотемпературній області, що призводить до зниження строку експлуатації окремих елементів конструкції теплового вузла. 1 UA 115514 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 До загальних недоліків відомих пристроїв можна віднести неможливість забезпечення вирощування кристалів великого розміру, що обумовлює низьку продуктивність вирощування кристалів. Як найближчий аналог вибраний останній з наведених аналогів. В основу винаходу поставлено задачу розробки пристрою для вирощування монокристалів тугоплавких оксидів методом горизонтальної спрямованої кристалізації, який дозволить збільшити розміри кристалів, що вирощуються, підвищити продуктивність процесу при збереженні високої структурної та оптичної досконалості і однорідності функціональних характеристик. Рішення поставленої задачі забезпечується тим, що пристрій для вирощування монокристалів тугоплавких оксидів методом горизонтальної спрямованої кристалізації, який складається з вакуумної камери з тепловим вузлом, що містить систему багатошарових внутрішніх та зовнішніх екранів, які оточують нагрівальний елемент та утворюють приймальну і вихідну частини тунелю, волокуші з механізмом переміщення та контейнером для вихідної сировини, струмовводів і нагрівального елемента з петлеподібно вигнутого прутка, який складається з верхньої та нижньої секцій з незалежним управлінням потужністю кожної секції, згідно з винаходом верхня секція нагрівального елемента виконана у вигляді перевернутої Пподібної конструкції, нижня секція нагрівального елемента виконана пласкою, причому кожна петля нижньої секції розташована під аналогічною верхньою, а виводи кожної з нагрівальних секцій направлені в різні сторони, до кожної з петель обох секцій нагрівального елемента через ізолятори кріпляться опорні вертикальні стійки, переріз верхніх частин прутків відносно до бокових та нижніх більший в 1,6-1,8 разу. Нагрівальний елемент запропонованого пристрою являє собою конструкцію з двох секцій, які виконано з петлеподібно вигнутого вольфрамового прутка. При цьому важливо, що секція виконана у вигляді П-подібної конструкції з вигнутого прутка, розташована зверху, що при регулюванні її потужності спричиняє, зміну нагріву контейнера як зверху, так і з боків. Вказаний нагрів підтримує попередньо сформоване симетричне теплове поле з необхідним розподілом температури вздовж фронту кристалізації по ширині кристала. Зміна потужності нижньої пласкої секції формує розподіл температури та несиметричність теплового поля по товщині кристала без зміни симетричності теплового поля та величини розподілу температури в інших напрямках. Саме таке розташування секцій дозволяє запобігти перегріву кристала з боків при зміні потужності нижньої секції. Оскільки кожен пруток нижньої секції розташований під аналогічним прутком верхньої секції, а виводи кожної з нагрівальних секційнаправлені в різні сторони, то така конструкція максимально забезпечує симетрію теплового поля по ширині кристала. Крім того, за рахунок збільшення перерізу верхніх частин прутків П-подібної секції нагрівача відносно до бокових у 1,6-1,8 разу забезпечується необхідний розподіл температури вздовж фронту кристалізації по ширині кристала впродовж всього ростового процесу. Також відбувається відтіснений неконтрольованих домішок та продуктів реакції розпаду вихідної сировини на периферію при вирощуванні і сприяє зменшенню флуктуацій температури на границі розподілу фаз, що призведе до більш стабільного росту кристала та зниженню вірогідності дефектоутворення. Відхилення перерізу верхніх частин прутків відносно до бокових від вказаного не забезпечує необхідний розподіл температури. Відомо, що при вирощуванні кристалів великих розмірів, з часом підвищується вірогідність деформації прутків нагрівача (зміщення). Для запобігання деформації і зміщенню збільшених по довжині прутків нагрівача до кожної з петель обох секцій нагрівального пристрою кріпляться опорні вертикальні стійки, які через ізолятори опираються на каркас теплового вузла. При цьому розмір та конструкція підтримуючих стійок і секцій нагрівального елемента виконані таким чином, що пластичність матеріалу нагрівача не впливає на зміну температурного поля, що дає змогу одержувати-великі монокристали тугоплавких оксидів, наприклад сапфіра розміром до 700×500×50 мм. В таблиці наведено параметри і характеристики вирощених монокристалів сапфіра та ітрійалюмінієвого гранату, їх теплові умови росту, а також порівняльні з прототипом результати. З таблиці видно, що найкращі результати одержані при використанні двосекційного нагрівального пристрою (при дотриманні оптимальних умов росту). На кресленні наведено конструкцію пристрою для вирощування монокристалів тугоплавких оксидів. Запропонований пристрій вирощування монокристалів тугоплавких оксидів методом ГСК включає вакуумну камеру 1, де встановлено тепловий вузол 2, що складається з нагрівальних секцій 3а, 3б, теплових 4 та відбиваючих 5 екранів, які розташовані навколо контейнера 6, виконаного у вигляді відкритого зверху короба, одна з бокових сторін якого має звуження, де 2 UA 115514 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 розміщений монокристалічний зародок - затравочний монокристал. Контейнер розміщується на полозках 7, які за допомогою приводу 8 переміщують його через градієнтне поле. Секції нагрівача розташовано на підгримуючих стійках 9, які через ізолятори 10 спираються на корпус теплового вузла. Виводи обох нагрівальних секцій жорстко з'єднані з відповідними струмовводами 11. Робота пристрою показана на прикладі реалізації способу вирощування монокристалів тугоплавких оксидів. Контейнер 6 з вихідною сировиною та встановленою в звужену частину монокристалічною заготовкою поміщають в тепловий вузол 2 вакуумної камери 1. Після відкачування камери форвакуумним насосом до тиску 20 Па, включають нагрівальні секції 3 та здійснюють нагрівання вихідної сировини до температури плавлення. Збільшення потужності проводять одночасно на обох секціях. За допомогою теплових і відбиваючих екранів та регулювання потужності окремих секцій нагрівача, формують температурні градієнти по товщині кристала, вздовж осі росту, а також по ширині кристала в зоні кристалізації при наближенні до Тпл. в межах 10 °C/см, 30 °C/см та 10 °C/см, відповідно. Плавлення сировини проводять після стабілізації температури вище температури плавлення на ≈100 °C шляхом переміщення контейнера (за допомогою привода 8) через градієнтну зону, починаючи з горня контейнера, протилежного монокристалічній заготовці, в напрямку останньої до проплавлення її частини. 1 Після цього включають привод 8 механізму переміщення контейнера в зворотному напрямку і здійснюють вирощування монокристала. Симетричний розподіл температури в осьовому напрямку і по ширині кристала встановлюють в межах 30 °C/см та 10 °C/см; відповідно. Розподіл температури по товщині кристала встановлюють в межах 10 °C/см. Швидкість вирощування встановлюють 8 мм/год. Ведуть процес росту з підтримуванням заданого розподілу температури за рахунок регулювання потужністю окремих секцій нагрівального елемента (як верхньою, так і нижньою). Вирощена частина монокристала зміщується в зону відпалу, де підтримується майже лінійний розподіл температури 7 °C/см. Вирощений монокристал витримують 10 годин при температурі не нижче температури переходу матеріалу в область пружних деформацій для зменшення в кристалі залишкових напруг. Далі здійснюють поступове охолодження монокристала до кімнатної температури. Використання запропонованого пристрою для вирощування монокристалів тугоплавких оксидів дозволяє, з однієї сторони, вирощувати великогабаритні кристали (до 700×500×50 мм), а з іншої - підвищити швидкість вирощування без порушення оптичної якості та структурної досконалості кристала (див. табл.). Вирощені на запропонованому пристрої монокристали розміром 550×350×50 мм мають 4 наступні структурні і оптичні властивості: відсутність макроблоків, щільність дислокацій -