EA003419B1

EA003419B1 - Method and device for growing sapphire monocrystals by n.bletskan's

Info

Publication number: EA003419B1
Application number: EA200200655A
Authority: EA
Inventors: Николай Иванович Блецкан
Original assignee: Закрытое Акционерное Общество Научно-Производственное Объединение "Корунд"
Priority date: 2002-07-09
Filing date: 2002-07-09
Publication date: 2003-04-24
Also published as: EA200200655A1

Abstract

1. A method for growing sapphire monocrystals, comprising providing a melt of an initial material in a crucible, contacting a sapphire seed crystal with the melt, controlling the speed of the crystal lift and regulating the melt temperature field, characterized in that growing is carried out inside a prism coaxial to the seed crystal, the prism faces are parallel to the crystal crystallographic faces. 2. The method of claim 1, characterized in that the seed crystal is in the form of a rectangular prism oriented in ( 1010 ( direction, side faces of which coincide with planes {0001} and {1120} and the monocrystal is grown inside the rectangular prism, constituting 0.65 - 0.7 of the crucible working volume, wherein two side faces of the prism are parallel to the plane {0001} and the other two to {1120} to the crystal seed plane. 3. A device for growing sapphire monocrystals, comprising screens, a heater, a crucible with a die, a seed holder with a sapphire crystal seed fixed thereto, systems of speed regulation of the crystal lift the heater power are housed in a vacuum chamber, characterized in that the die is a prism co-axial to the seed crystal, the faces of the prism are parallel to the crystal crystallographic faces. 4. The device of claim 3, characterized in that the seed crystal is in the form of a rectangular prism oriented in ( 1010 ( direction, side faces of which coincide with planes {0001} and {1120} the die is in the form of rectangular prism, the volume of which constitutes 0.65 - 0.7 of the crucible working volume, wherein two side faces of the prism are parallel to the plane {0001} and the other two to {1120} to the crystal seed plane. 5. The device of claim 4, characterized in that the crucible with the heater are housed inside a reflector of two co-axial molybdenum cylinders, a gap between them is filled with sintered mixture of tungsten with nickel or molybdenum, the inner diameter of the reflector is 1.6 - 1.8, and the height is 0.8 - 0.9 of the outer diameter and the height of the crucible respectively.

Description

Изобретение относится к технологии выращивания из расплава монокристаллов тугоплавких веществ, преимущественно монокристаллов сапфира.The invention relates to the technology of growing from a melt of single crystals of refractory substances, mainly sapphire single crystals.

Известен способ выращивания монокристаллов сапфира, включающий получение расплава исходного материала в тигле, введение в контакт с расплавом затравочного кристалла сапфира, управление скоростью подъёма последнего и регулирование температурного поля расплава. Известно также устройство для выращивания монокристаллов сапфира, содержащее установленные в вакуумной камере экраны, нагреватель, тигель с формообразователем, затравкодержатель с закрепленным в нем затравочным кристаллом сапфира, системы регулирования скорости подъёма затравочного кристалла и мощности нагревателя (авт. св. СССР № 1132606, МКИ С 30В 17/00, 1983 г.).There is a known method of growing sapphire single crystals, which includes obtaining a melt of the starting material in a crucible, bringing a sapphire seed crystal into contact with the melt, controlling the lifting rate of the latter, and controlling the temperature field of the melt. It is also known a device for growing sapphire monocrystals containing screens installed in a vacuum chamber, a heater, a crucible with a shaper, a seed holder with a sapphire seed crystal fixed in it, a system for controlling the speed of raising the seed crystal and heater power (ed. St. USSR № 1132606, MKI S 30B 17/00, 1983).

Недостатком известной технологии является сравнительно низкое качество монокристаллов в связи с наличием большого числа газовых пузырьков. Кроме того, производительность известных устройств для выращивания монокристаллов является низкой, а их обслуживание дорогим и трудоемким.A disadvantage of the known technology is the relatively low quality of single crystals due to the presence of a large number of gas bubbles. In addition, the performance of the known devices for growing single crystals is low, and their maintenance is expensive and time consuming.

Данное изобретение позволяет существенно увеличить выход годных монокристаллов, значительно повысить производительность установок для выращивания монокристаллов сапфира. Это достигается тем, что в способе выращивания монокристаллов сапфира, включающим получение расплава исходного материала в тигле, введение в контакт с расплавом затравочного кристалла сапфира, управление скоростью подъема последнего и регулирование температурного поля расплава, выращивание осуществляют в объёме призмы, соосной затравочному кристаллу, причем грани призмы параллельны кристаллографическим граням последнего; затравочный кристалл используют в виде прямоугольной призмы, ориентированной в направлении <1010>, боковые грани которой совпадают с плоскостями {0001} и {120}, а выращивание монокристалла производят в объеме прямоугольной призмы, составляющим 0,65-0,7 рабочего объема тигля, причем две боковые грани этой призмы параллельны плоскости {0001}, а две другие - плоскости {120} затравочного кристалла; в устройстве для выращивания монокристаллов сапфира, содержащем установленные в вакуумной камере экраны, нагреватель, тигель с формообразователем, затравкодержатель с закреплённым в нем затравочным кристаллом сапфира, системы регулирования скорости подъема затравочного кристалла и мощности нагревателя, формообразователь выполнен в виде соосной затравочному кристаллу призмы, грани которой параллельны кристаллографическим граням последнего; при использовании затравочного кристалла в виде прямо угольной призмы, ориентированной в направлении <1010>, боковые грани которой совпадают с плоскостями {0001} и {1120}, формообразователь выполнен в виде прямоугольной призмы, объем которой составляет 0,65-0,7 рабочего объема тигля, причём две боковые грани формообразователя параллельны плоскости {0001}, а две другие - плоскости {120} затравочного кристалла; тигель с нагревателем помещены внутри отражателя из двух соосных молибденовых цилиндров, зазор между которыми заполнен спечёным порошком смеси вольфрама и никеля или вольфрама и молибдена, внутренний диаметр отражателя составляет 1,6-1,8, а высота - 0,8-0,9 наружного диаметра и высоты тигля соответственно.This invention allows to significantly increase the yield of single crystals, significantly improve the performance of installations for growing sapphire single crystals. This is achieved by the fact that in the method of growing sapphire single crystals, including obtaining a melt of the source material in a crucible, bringing a sapphire seed crystal into contact with the melt, controlling the rate of lifting of the latter and controlling the temperature field of the melt, the growth is carried out in a prism volume coaxial with the seed crystal, the face prisms parallel crystallographic edges of the latter; the seed crystal is used in the form of a rectangular prism oriented in the <1010> direction, the lateral faces of which coincide with the {0001} and {120} planes, and the single crystal is grown in a rectangular prism volume of 0.65-0.7 working volume of the crucible, the two side faces of this prism are parallel to the {0001} plane, and the other two are the {120} planes of the seed crystal; In a device for growing sapphire monocrystals containing screens installed in a vacuum chamber, a heater, a crucible with a shaper, a seed holder with a sapphire seed crystal fixed in it, a system for controlling the speed of lifting the seed crystal and heater power, the shaper is made in the form of a prism coaxially with the seed crystal whose face parallel to crystallographic edges of the latter; when using a seed crystal in the form of a right-angle prism oriented in the <1010> direction, the lateral faces of which coincide with the {0001} and {1120} planes, the former is made in the form of a rectangular prism whose volume is 0.65-0.7 working volume the crucible, the two side faces of the former are parallel to the {0001} plane, and the other two are the {120} planes of the seed crystal; a crucible with a heater is placed inside a reflector of two coaxial molybdenum cylinders, the gap between which is filled with a sintered powder of a mixture of tungsten and nickel or tungsten and molybdenum, the inner diameter of the reflector is 1.6-1.8, and the height is 0.8-0.9 outer crucible diameter and height, respectively.

На прилагаемом чертеже представлена схема устройства для выращивания монокристаллов сапфира согласно данному изобретению.The accompanying drawing shows a diagram of a device for growing sapphire monocrystals according to this invention.

Устройство для выращивания монокристаллов сапфира содержит установленные в вакуумной камере 1 вертикальный экран 2, верхний горизонтальный экран 3, нижний горизонтальный экран 4. На теплостойкой, например, молибденовой подставке 5 установлен тигель. К медным тоководам 7 подключены охватывающие тигель 6 элементы нагревателя 8. На конце штанги, пропущенной через отверстие в экране 9 укреплен затравкодержатель 10 с затравочным кристаллом 11. Тигель 6 вместе с нагревателем 8 помещен внутри цилиндрического отражателя 12. В тигле 6 помещен формообразователъ 13. Позициями 14 и 15 обозначены растущий кристалл и расплав соответственно. Тоководы защищены экраном 16. Устройство снабжено системами регулирования скорости подъёма затравочного кристалла и мощности нагревателя. Формообразователь 13 выполнен в виде соосной затравочному кристаллу 11 призмы, грани которой параллельны кристаллографическим граням последнего. При использовании затравочного кристалла 11 в виде прямоугольной призмы, ориентированной в направлении <1010>, боковые грани которой совпадают с плоскостями {0001} и {120}, формообразователь 13 выполнен в виде прямоугольной призмы, объём которой составляет 0,65-0,7 рабочего объема тигля, причем две боковые грани формообразователя параллельны плоскости {0001},а две другие плоскости {120} затравочного кристалла 11. Цилиндрический отражатель 12 имеет внутренний диаметр 1,6-1,8, а высоту - 0,8-0,9 наружного диаметра и высоты тигля 6 соответственно. Отражатель 12 изготавливается из двух соосных молибденовых цилиндров толщиной 0,3-0,5 мм, зазор между которыми, равный 4,5-5,5 мм, заполняется порошком смеси вольфрама и никеля в массовом отношении 500:1 или смеси вольфрама и молибдена в массовой пропорции 1:4.A device for growing sapphire monocrystals contains a vertical screen 2 installed in a vacuum chamber 1, an upper horizontal screen 3, a lower horizontal screen 4. A crucible is installed on a heat-resistant, for example, molybdenum stand 5. Copper tokovodov 7 connected covering the crucible 6 elements of the heater 8. At the end of the rod, passed through the hole in the screen 9 strengthened the seed holder 10 with the seed crystal 11. The crucible 6 together with the heater 8 is placed inside the cylindrical reflector 12. In the crucible 6 is placed the shape of the producer 13. Positions 14 and 15 are designated growing crystal and melt, respectively. Tokovodov protected screen 16. The device is equipped with systems of speed control lifting the seed crystal and the power of the heater. The former 13 is made in the form of a prism coaxial to the seed crystal 11, the faces of which are parallel to the crystallographic faces of the latter. When using a seed crystal 11 in the form of a rectangular prism oriented in the direction <1010>, the side faces of which coincide with the planes {0001} and {120}, the former 13 is made in the form of a rectangular prism whose volume is 0.65-0.7 working the crucible volume, the two side faces of the former are parallel to the {0001} plane, and the other two {120} planes of the seed crystal 11. The cylindrical reflector 12 has an inner diameter of 1.6-1.8, and a height of 0.8-0.9 the diameter and height of the crucible 6, respectively. The reflector 12 is made of two coaxial molybdenum cylinders with a thickness of 0.3-0.5 mm, the gap between which is 4.5-5.5 mm, is filled with a powder of a mixture of tungsten and nickel in a mass ratio of 500: 1 or a mixture of tungsten and molybdenum in mass ratio of 1: 4.

Порошок спекается при температуре 21502050°С. Отражатель такой конструкции после прогорания внутреннего молибденового цилиндра служит не менее 50 кристаллизаций. Отражатель 12 может быть также выполнен путем нанесения порошков указанного состава на внутреннюю поверхность молибденового цилиндра плазменным напылением.The powder is sintered at a temperature of 21502050 ° С. The reflector of this design after burning through the internal molybdenum cylinder serves at least 50 crystallizations. The reflector 12 can also be made by applying powders of the specified composition on the inner surface of the molybdenum cylinder by plasma spraying.

Резистивный нагреватель 8 собран из 10-12 пар согнутых П-образно вольфрамовых прутков. Экран 2 представляет собой набор из 17 соосно установленных цилиндров из молибденового листа, толщиной 0,28-0,32 мм. Горизонтальные экраны выполнены в виде наборов из молибденовых дисков.Resistive heater 8 is assembled from 10–12 pairs of bent U-shaped tungsten rods. Screen 2 is a set of 17 coaxially mounted molybdenum sheet cylinders with a thickness of 0.28-0.32 mm. Horizontal screens are made in the form of sets of molybdenum disks.

Пример осуществления способа выращивания монокристалла сапфира согласно данному изобретению.An example of the method of growing a sapphire single crystal according to this invention.

В описанном выше устройстве размещают соответственно описанию затравочный кристалл и формообразователь, заполняют весь объём тигля 6 исходной шихтой из кусочков сапфира, герметизируют и вакуумируют камеру 1 до (1-5)10^-5 мм рт.ст., разогревают тигель до 2100°С, расплавляя шихту, выдерживают при этой температуре 2-4 ч, снижают температуру расплава до 2050°С и опускают затравочный кристалл 11 до соприкосновения с поверхностью расплава. После выдержки 1-3 мин кристалл 11 медленно поднимают. Подъем прекращают через 20-30 мин. Дальнейшее разрастание кристалла 14 до стенок формообразователя и вглубь тигля обеспечивают параметрами технологического процесса - заданным температурным профилем и величиной градиента температуры. Эти параметры регулируются автоматической системой прецизионного уменьшения мощности нагревателя и условиями теплоотдачи от растущего кристалла через затравочный кристалл и отверстия в наборе пластин экрана 9, а также от вершины фронта кристаллизации через расплав 15 и дно тигля 6. После полной кристаллизации расплава подаваемую на нагреватель мощность постепенно в течение 129-160 ч равномерно снижают до нуля, монокристалл охлаждают в течение 13-18 ч в вакууме до температуры менее 100°С и выгружают из камеры 1.In the device described above, a seed crystal and a former are placed in accordance with the description, fill the entire volume of crucible 6 with an initial mixture of sapphire pieces, seal and vacuum chamber 1 to (1-5) 10 ^-5 mm Hg, heat the crucible to 2100 ° C, melting the mixture, kept at this temperature for 2-4 hours, lowering the temperature of the melt to 2050 ° C and lowering the seed crystal 11 until it touches the surface of the melt. After holding for 1-3 minutes, the crystal 11 is slowly lifted. Rise stops after 20-30 minutes. Further growth of the crystal 14 to the walls of the shaper and into the crucible provide the parameters of the process - a given temperature profile and the magnitude of the temperature gradient. These parameters are regulated by an automatic system of precision reduction of the heater power and heat transfer conditions from the growing crystal through the seed crystal and the holes in the plate set of screen 9, as well as from the top of the crystallization front through the melt 15 and the crucible 6. during 129-160 h, they are uniformly reduced to zero, the single crystal is cooled for 13–18 h in vacuum to a temperature of less than 100 ° C, and discharged from chamber 1.

Описанные выше конструкция устройства и технология позволяют обеспечить симметричное распределение температуры в зоне кристаллизации и равномерное продвижение фронта кристаллизации, благодаря чему уменьшается вероятность захвата растущим кристаллом газовых пузырьков. Как показала практика, применение данного изобретения позволяет повысить долговечность устройства и стабильно поддерживать оптимальные условия кристаллизации на протяжении 50 и более циклов по сравнению с 6-8 циклами в известных технологиях. При этом качество монокристаллов существенно возрастает. В частности длина участков кристаллизации, свободных от пузырьков газа, уве личивается от 30 до 80%, а выход годных монокристаллов возрастает от 25 до 50%. Производительность одной установки повышается в среднем от 5 до 10 кг годных кристаллов в месяц при загрузке шихты в тигель 7 кг и до 20 кг при загрузке 15 кг.The above-described device design and technology allow for a symmetric temperature distribution in the crystallization zone and uniform advancement of the crystallization front, which reduces the likelihood of gas bubbles being trapped by a growing crystal. As practice has shown, the use of this invention allows to increase the durability of the device and stably maintain optimal crystallization conditions for 50 or more cycles compared to 6-8 cycles in known technologies. At the same time, the quality of single crystals increases significantly. In particular, the length of crystallization regions free of gas bubbles increases from 30 to 80%, and the yield of single crystals increases from 25 to 50%. The capacity of one plant increases on average from 5 to 10 kg of suitable crystals per month when the charge is loaded into a crucible 7 kg and up to 20 kg when loaded 15 kg.

Claims

1. Способ выращивания монокристаллов сапфира, включающий получение расплава исходного материала в тигле, введение в контакт с расплавом затравочного кристалла сапфира, управление скоростью подъема последнего и регулирование температурного поля расплава, отличающийся тем, что выращивание осуществляют в объеме призмы, соосной затравочному кристаллу, причем грани призмы параллельны кристаллографическим граням последнего.1. A method of growing single crystals of sapphire, including obtaining a melt of the starting material in a crucible, bringing into contact with the melt a seed crystal of sapphire, controlling the rate of rise of the latter and regulating the temperature field of the melt, characterized in that the growth is carried out in the volume of a prism coaxial with the seed crystal, and faces prisms are parallel to the crystallographic faces of the latter.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют затравочный кристалл в виде прямоугольной призмы, ориентированной в направлении <1010>, боковые грани которой совпадают с плоскостями {0001} и {120}, а выращивание монокристалла производят в объеме прямоугольной призмы, составляющем 0,65-0,7 рабочего объема тигля, причем две боковые грани этой призмы параллельны плоскости {0001}, а две другие - плоскости {120} затравочного кристалла.2. The method according to claim 1, characterized in that the seed crystal is used in the form of a rectangular prism oriented in the <1010> direction, the side faces of which coincide with the {0001} and {120} planes, and the single crystal is grown in the volume of a rectangular prism, constituting 0.65-0.7 of the working volume of the crucible, the two side faces of this prism parallel to the {0001} plane, and the other two to the {120} plane of the seed crystal.

3. Устройство для выращивания монокристаллов сапфира, содержащее установленные в вакуумной камере экраны, нагреватель, тигель с формообразователем, затравкодержатель с закрепленным в нем затравочным кристаллом сапфира, системы регулирования скорости подъема затравочного кристалла и мощности нагревателя, отличающееся тем, что формообразователь выполнен в виде соосной затравочному кристаллу призмы, грани которой параллельны кристаллографическим граням последнего.3. A device for growing sapphire single crystals, comprising screens installed in a vacuum chamber, a heater, a crucible with a former, a seed holder with a sapphire seed crystal fixed therein, a control system for raising the speed of the seed crystal and heater power, characterized in that the former is made in the form of a coaxial seed a prism crystal whose faces are parallel to the crystallographic faces of the latter.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что при использовании затравочного кристалла в виде прямоугольной призмы, ориентированной в направлении <1010>, боковые грани которой совпадают с плоскостями {0001} и {120}, формообразователь выполнен в виде прямоугольной призмы, объем которой составляет 0,65-0,7 рабочего объема тигля, причем две боковые грани формообразователя параллельны плоскости {0001}, а две другие - плоскости {120} затравочного кристалла.4. The device according to claim 3, characterized in that when using the seed crystal in the form of a rectangular prism oriented in the <1010> direction, the side faces of which coincide with the {0001} and {120} planes, the former is made in the form of a rectangular prism, volume which is 0.65-0.7 of the working volume of the crucible, the two side faces of the former being parallel to the {0001} plane, and the other two to the {120} plane of the seed crystal.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что тигель с нагревателем помещены внутри отражателя из двух соосных молибденовых цилиндров, зазор между которыми заполнен спечённой смесью порошков вольфрама с никелем или молибденом, внутренний диаметр отражателя составляет 1,6-1,8, а высота - 0,8-0,9 наружного диаметра и высоты тигля соответственно.5. The device according to claim 4, characterized in that the crucible with a heater is placed inside the reflector from two coaxial molybdenum cylinders, the gap between which is filled with a sintered mixture of tungsten powders with nickel or molybdenum, the inner diameter of the reflector is 1.6-1.8, and height - 0.8-0.9 of the outer diameter and height of the crucible, respectively.