способ выращивания тугоплавких монокристаллов

Формула изобретения

СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ ТУГОПЛАВКИХ МОНОКРИСТАЛЛОВ типа сапфир, рубин, алюмоиттриевый гранат, включающий вакуумную плавку исходной шихты, внесение затравки, вытягивание монокристалла при одновременном охлаждении расплава и последующее охлаждение выращенного монокристалла, отличающийся тем, что температуру внесения затравки устанавливают по появлению на поверхности расплава единичного кристалла размером 1 - 3 мм, скорость вытягивания монокристалла увеличивают ступенчато от 0,1 мм/ч в начале вытягивания до 1,0 мм/ч в конце процесса, охлаждение расплава ведут со скоростью 0,5 - 2,0^oC/ч, а охлаждение монокристалла - со скоростью 24 - 50^oС/ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии выращивания тугоплавких кристаллов сапфира, рубина, граната и т.п. и может быть использовано на предприятиях оптической, химической и электронной промышленности.

Известен способ получения монокристаллов лейкосапфира на затравку [1] Однако этот способ не позволяет получать монокристаллы достаточно большого размера и высокого оптического качества.

Наиболее близким к изобретению является известный способ выращивания монокристаллов лейкосапфира на затравку [2] позволяющий получать монокристаллы диаметром до 150 ММ и весом до 10 кг. Однако способ не обладает универсальностью и не позволяет получать кристаллы предельно высокого качества, т. к. скорость охлаждения кристалла слишком велика и не согласована со скоростью его подъема.

Цель изобретения повышение качества и однородности монокристаллов.

Указанная цель достигается тем, что в способе выращивания монокристаллов типа сапфира, включающем наличие величин градиентов температуры в пределах 0,05-1,0^оС/мм и отношение вертикальных градиентов температуры к радиальным больше единицы, вакуумную плавку исходной шихты, внесение затравки и вытягивание монокристалла из охлаждающего расплава, температуру внесения затравки устанавливают по появлению единичного кристалла размером 1-3 мм на поверхности охлаждаемого расплава. Скорость вытягивания монокристалла изменяют ступенчато от 0,1 мм/ч в начале кристаллизации до 1,0 мм/ч в конечной стадии процесса.

Благодаря такому решению можно более точно и достоверно определять оптимальную температуру внесения затравки в расплав вне зависимости от состава исходной шихты и наличия в ней примесей: отсутствие кристалла на поверхности расплава указывает на превышение оптимального температурного уровня. В результате вносимая в расплав затравка может оплавиться (при малом диаметре затравки) или растрескаться (при большом диаметре затравки) или вынудить резко замедлять скорость внесения затравки. Если же на поверхности расплава появляется несколько кристаллов или плавает льдинка, это указывает на пониженную по сравнению с оптимальной температурой поверхности расплава и может привести к беспорядочной кристаллизации и замораживанию расплава.

Указанные отличия предлагаемого способа, заключающиеся в ступенчатом повышении скорости вытягивания монокристалла от 0,1 мм/ч в начале процесса до 1,0 мм/ч в конечной стадии, позволяют создать оптимальные условия роста моно кристалла. Начальная стадия процесса роста монокристалла, регулируемая скоростью вытяжки затравки, должна протекать значительно медленнее последующих с целью формирования правильной кристаллической решетки, исключения появления дислокаций и блоков и образования пузырей. В последующих стадиях роста скорость вытяжки монокристалла должна быть увеличена во избежание пристрастия кристалла к стенкам тигля и как следствие его растрескивания. Обычно одну треть процесса ведут при скорости 0,1 мм/ч, а остальное при скорости 1,0 мм/ч. Такой характер подъема затравки создает наиболее благоприятные условия для достижения однородности и частоты монокристалла при минимальной продолжительности процесса. Это позволяет также использовать затравку минимальной толщины, необходимой только для того, чтобы выдерживать вес будущего кристалла. При выращивании лейкосапфира можно исходить из расчета площади поперечного сечения затравки в 10 мм² на 1 кг монокристалла.

Процесс осуществляют следующим образом.

Шихту заданного состава расплавляют в тигле в вакуумированной электропечи. Затем температуру расплава доводят до оптимального уровня, соответствующего началу кристаллизации. Если температура расплава ниже оптимальной, то на его поверхности плавает часть затвердевшего расплава, внешне похожая на льдинку. Ее размер тем больше, чем ниже температура расплава. Если же температура выше оптимальной, то на поверхности расплава видны только конвекционные потоки. Оптимальна температура, при которой на поверхности расплава сохраняется единичный кристаллик размером 1-3 мм. При установленной таким образом температуре в расплаве опускают затравку, в результате чего на поверхности начинается образование перешейков. Затем затравку начинают поднимать со скоростью, величину которой, согласно изобретению, изменяют ступенчато от 0,1 мм/ч в начальной стадии процесса кристаллизации до 1,0 мм/ч при его завершении. Обычно одну треть процесса проводят при скорости подъема затравки 0,1 мм/ч, а остальное при 1,0 мм/ч. Одновременно с этим температуру расплава снижают со скоростью 0,5-2,0^оС/ч. Интервал скоростей определяется тем, что при более высокой скорости не успевает формироваться правильная структура кристаллической решетки и сопровождается появлением в кристалле пузырей и повышенной концентрации вакансий. Более медленное охлаждение нецелесообразно, т. к. удлиняет процесс при том же качестве кристалла. Процесс завершают охлаждением выращенного кристалла со скоростью снижения температуры 25-50^оС/ч. При более высокой скорости охлаждения в кристаллах резко возрастает вероятность появления напряжений, приводящих к образованию дислокаций и блоков. Более медленные скорости не приводят к заметному улучшению качества кристаллов, но удлиняют процесс.

П р и м е р. Выращивание производят в электропечах с нагревателями из вольфрамовых прутков. В качестве шихты используют бой кристаллов, выращенных методом Вернейля или горизонтальной направленной кристаллизацией, или прессованные таблетки. Тигель вместе с шихтой помещают в электропечь, из которой откачан воздух до остаточного давления 10^-4-10^-6 мм рт.ст. После расплавления шихты визуально контролируют температуру расплава, наблюдая состояние его поверхности. Затравку опускают в точку поверхности расплава, имеющую температуру кристаллизации, о чем судят по наличию на поверхности расплава единичного кристалла размером 1-3 мм. После опускания затравки в расплав и образования перешейков включают автоматический подъем затравки. На начальной стадии процесса (в данном примере на протяжении одно трети) подъем ведут при скорости 0,1 мм/ч, а затем при скорости 1,0 мм/ч. Одновременно с подъемом затравки включают автоматическое снижение температуры со скоростью 0,5-2,0^оС/ч. Процесс выращивания заканчивают, когда весь расплав закристаллизовывается. Подъем затравки выключают и задают автоматическое снижение температуры со скоростью 25-50^оС. При этом чем больше размер кристалла, тем медленнее снижение температуры. Так, например, 30-35^оС/ч обычно применяют при массе кристалла 12-15 кг, 45-50^оС при массе 5 кг.

Предлагаемым способом получены кристаллы сапфира диаметром до 160 мм и массой до 15 кг. Остаточные напряжения в кристаллах не превышают 10-12 кг/см², плотность дислокаций 10-10² см^-2. Блоки и пузыри отсутствуют в 85-90% объема кристалла. Ультрафиолетовая граница прозрачности 0,14 мкм.