SU1132606A1 - Apparatus for growing single crystals of high-melting materials - Google Patents

Abstract

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ТУГОПЛАВКИХ МАТЕРИАЛОВ, включающее вакуумную камеру, в которой размещен тигель, коаксиально которому установлены нагреватель и вертикальный экран в виде скрепленных между собой молибденовых цилиндров, а Изобретение относитс  к высокотемпературной технике и предназначено дл  использовани  в производстве кристаллов -тугоплавких материалов, в частности монокристаллов корунда (сапфира , рубина). Известно устройство дл  вьфащивани  монокристаллов из расплава, содержащее тигель, экраны и нагреватель . Недостатком устройства  вл етс  мала  долговечность, требующа  частой смены экранов, нагревател  и тигл , а также высокое содержание дефектов в. виде включений газовых пузырьков в объеме выращенных монокристаллов . Наиболее близким тех1мческим решением  вл етс  устройство дл  выращивани  криста.ллов тугоплавких окислов, включающее вакуумную камеру, в кототакже верхний и нижний горизонтальные экраны, отличающеес  тем, что, с целью увеличени  срока службы устройства и выхода годных кристаллов, устройство дополнительно снабжено отражателем, устано1вленным коаксиально тиглю на нижнем горизонтальном экране, между нагревателем и вертикальным экраном высотой не ниже верхнего кра  тигл , выполненным из вольфрама или его сплавов с.туго:плавкими металлами, имеющим форму цилиндра с внутренним диаметром (,8)D и толщиной стенки A device for growing single-crystals of refractory materials, including a vacuum chamber in which a crucible is placed, coaxially with a heater and a vertical screen in the form of molybdenum cylinders bonded to each other, and the invention relates to high-temperature techniques and is intended for use in the production of crystals. single crystals of corundum (sapphire, ruby). A device for melting single crystals from a melt is known, comprising a crucible, screens and a heater. The disadvantage of the device is low durability, requiring frequent changes of screens, heater and crucible, as well as a high content of defects. as inclusions of gas bubbles in the volume of the grown single crystals. The closest technical solution is a device for growing cristahl refractory oxides, including a vacuum chamber, in which also upper and lower horizontal screens, characterized in that, in order to increase the service life of the device and the yield of suitable crystals, the device is additionally equipped with a reflector installed coaxially crucible on the lower horizontal screen, between the heater and the vertical screen not higher than the upper edge of the crucible, made of tungsten or its alloys. tugo: fusible Ferrous materials having a shape of a cylinder with an internal diameter (8) D and a wall thickness

Description

териалов и конструкций. Ресурс их работы составл ет не менее 50 процессов выращивани  продолжительностью 75 ч кажда . В то же врем  вертикальный экран после 6-8 процессов приходит в негодность вследствие прогорани  внутреннего молибденового цилиндра , вызьгоающего недопустимое нарушение симметрии теплового пол  в зоне кристаллизации. После каждой замены прогоревших экранов на новые в течение первых 2-3 процессов протекает самоутепление кристаллизационного узла , что преп  тствует стабильному воепроизводимому росту монокристаллов и снижает выход годной продукции практически до нул . Остальные 3-6 процессов вьфащивани , приход щихс  на каждый комплект экранов, протекают в более стабильных темпера турных услови х, однако выход годных монокристаллов в среднем не превьйпает 15% от веса загружаемой шихты. . . В монокристаллах сапфиранаиболее характерным дефектом  вл ютс  газовые включени  в виде пузьфьков. Они могут попадать в объем, растущего талла при скачкообразном продвижении фронта кристаллизации. Необходима  дл  предотвращени  захвата пузырьков равномерность скорости кристаллизаци обеспечиваетс  современной автоматаческой системой прецизионного снижен мощности, подаваемой на нагреватель, и стабильностью окружающего тигель теплового пол . Последнее измен етс  как от процесса к процессу, так и во врем  каждого процесса вследствие самоутеплени  - конденсации паров расплава на холодных част х кристалглизационного узла. При ресурсе работы системы экранов, равном 6-8 процессам , это изменение от первого до последнего процесса очень существенно . Оно приводит к скачкообразному продвижению фронта кристаллизации и  вл етс  причиной образовани  дефектов в объеме кристалла. Можно ожидат что увеличение ресурса работы экранов приведет постепенно к стабилизации тепловых условий и уменьшению или полному устранению дефектов в объеме кристалла. Целью изЬбретени   вл етс  увеличение срока службы устройства и выхода годных монокристаллов. Поставленна  цель достигаетс  тем, что устройство дл  выращивани  монокристаллов тугоплавких материалов, включающее вакуумную камеру, в которой размещен тигель, коаксиально которому установлены нагреватель и вертикальный экран в виде скрепленных между собой молибденовых цилиндров , а также верхний и нижний горизонтальные экраны и тигель, дополнительно снабжено отражателем, установленным коаксиально тиглю на нижнем горизонтальном экране между нагревателем и вертикальным экраном высотой не ниже верхнего кра  тигл , выполненным из вольфрама или его сплавов с тугоплавкими металлами, имеюшим форму цилиндра с внутренним диаметром (1,6-1,8)0 и толщиной стенки (0,03Q ,06)D, где D - внешний диаметр тигл . На чертеже изображено устройство, ;разрез. В вакуумную камеру 1 цилиндрической формй вставлен по .ее периферии вертикальный экран 2, представл ющий собой набор из 17 соосно расположенных друг в Друге с зазором в 8-10 мм и скрепленных между собой цилиндров высотой 510 мм из молибденового листа толщиной О,3 мм. Над вертикальным экраном 2 имеетс  верхний горизонтальный экран 3 из молибдена. На дне камеры 1 расположен нижний горизонтальный экран 4 в виде молибденобых дисков с осевым отверстием , в которое вставлена молибденова  подставка 5 дл  тигл  6. Соотношение диаметра внутреннего цилиндра экрана 2 и внешнего диаметра тигл  6 равно 1,9. Соосно подставке 5 и тиглю 6 на двух медных пЬлукольцах-токо водах 7 подвешен резистивный нагреватель 8, собранньй из 10-12 пар согнутых Побразно вольфрамовых прутков. Непосредственно над-тиглем 6 размещен набор верхнихгоризонтальных экранов 9. из молибдена. На нижнем конце штока в затравкодержателе 10 закреплен затравочный стержень 11. Коаксиально тиглю 6 и на уровне не ниже его верх-, него кра  на нижний горизонтальный экран 4 установлен отражатель 12, выполненный из вольфрама или eio сплавов с тугоплавкими металлами и имеющий форму цилиндра, внутренний диаметр которого равен (1,6-1,8)D, а толщина стенки составл ет (0,03-0,С6)Й, где D - внешний диаметр тигл . Дл  по снени  работы за вл емого устройства на чертеже показаны помещенный в тигель 6 формообразователь 13, представл ющий собой цилиндр из молибдена . или вольфрама толщиной 0,10 ,5 мм и высотой 0,8-0,9 высоты тигл  6, часть вьфосшего от затравочного стержн  11 кристалла 14, отделенна  от расплава 15 островыпуклым фронтом кристаллизации, обозначенным пунктирной линией. При сборке описанного устройства его элементы 1-13 должны располагатьс  соосно дру другу. Введение в устройство отражател  12 повьппает его стойкость, увеличива срок службы всего устройства до 50 более процессов. Введение отражател  обеспечивает достижение стабильности теплового пол  кристаллизацион ного узла через 5-6 процессов, в то врем  как в известном устройстве вер тикальный экран 2 выходит из стро  раньше)чем стабилизируютс  тепловые услови . Далее- в течение 45-50 и процессов выращивани  монокристаллов осуществл етс  в установивших с  услови х распределени  температуры и теплоотвода, что гарантирует су щественное уменьшение содержани  объемных дефектов в вьфащиваемых кри таллах . Отражатель ,может быть изготовлен путем спекани  при 22004;50°С смеси порошков вольфрама и никел  в весово соотношении 500:1, смеси порошков вольфрама и других тугоплавких металлов , например молибдена, с содержанием вольфрама не менее 25%. С это целью два цилиндра из молибденового листа толщиной 0,3-0,5 мм вставл ют и соосно закрепл ют один в другом с зазором около 5 мм, в который засыпаетс  и спекаетс  смесь порошков указанных составов. После прогорани  внутреннего из двух молибденовых цилиндров остающийс  отражатель из спе ченного порошка служит не менее 50 кристаллизации. Предпочтительным  вл етс  изготовление отражател  методом плазменного напылени  смеси порошков тех же составов на поверхность медной или графитовой подложки требуемых размеров и формы. Предел содержани  вольфрама не ниже 25% св зан с наблюдаемым на практике существенным; снижением термостойкости отражателей изготовленных из смесей или сплавов с меньшим содержанием вольфрама. Рекомендуемые соотношени  размеров отражател  определены опытным путем . Высота отражател  12, установленного на нижний горизонтальный экран 4, должна быть не ниже верхнего кра  тигл  6. В противном случае вследствие пр мого облучени  от стенок тигл  через 10-12 процессов прогорает незащищенный участок внутреннего цилиндра экрана 2 и снижаетс  срок службы устройства в целом. Оптимальной  вл етс  така  высота отражател  12, при которой внутренний цилиндр экрана 2 полностью защищен от пр мого облучени  от стенок тигл . При толщине стенки отражател  12 меньше 0,03 внешнего диаметра D возрастает веро тность его прогорани  в местах локальных неплотностей и утоньшений стенки, что нарушает симметриЪ теплового пол  и требует замены отражател . Увеличение толщины более 0,06D не повьшшет срока службы устройства в целом и нецелесообразно из-за излишнего расхода дефицитного металла. В течение эксплуатации устройства отражатель 12 и нагреватель 8 постепенно деформируетс , приобрета  эллипсообразную форму. По этой причи не при внутреннем диаметре отражател  12, меньшем 1,6 внешнего диаметра D тигл , возрастает веро тность соприкосновени  и выхода из стро  как отражател  12, так и нагревател  8. Внутренний диаметр отражател  12, равный (1,6-1,8)0, .исключает веро тность его соприкосновени  с нагревателем на срок службы всего устройства в целом и обеспечивает наиболее приемлемые тепловые услови  кристализации . Увеличение внутреннего диаетра отражател  12 более 1,8D усиивает теплоотвод, приводит к сзщестенйрму возрастанию потребл емой мощости , нарушает симметрию теплового ол  и тем самым создает благопри тые услови  дл  захвата кристаллом гаовых пузырьков, т.е. повышени  содержани  объемных дефектов в монокристалле . Пример. Работа описьшаемого устройства дл  выращивани  монокристаллов осуществл етс  на примере по-materials and designs. The resource of their work is not less than 50 growing processes of 75 hours each. At the same time, the vertical screen after 6-8 processes becomes unusable due to the burning of the internal molybdenum cylinder, which causes an unacceptable symmetry breaking of the thermal field in the crystallization zone. After each replacement of the burned-out screens with new ones, during the first 2-3 processes, the crystallization unit becomes completely self-insulating, which prevents stable single-crystal growth of single crystals and reduces the yield of useful products to almost zero. The remaining 3-6 processes of pulling per each set of screens proceed in more stable temperature conditions, however, the yield of single crystals does not exceed 15% on average of the weight of the charge loaded. . . In sapphire monocrystals, the most characteristic defect is gas inclusions in the form of puffs. They can fall into the volume of growing tal during the sudden advance of the crystallization front. The uniformity of crystallization rate required to prevent bubble trapping is provided by a modern automatic system of precision reduced power supplied to the heater and the stability of the thermal field surrounding the crucible. The latter varies both from process to process and during each process due to self-heating — condensation of melt vapor on the cold parts of the crystallization unit. With a screen operation resource of 6–8 processes, this change from the first to the last process is very significant. It leads to an abrupt advancement of the crystallization front and is the cause of the formation of defects in the bulk of the crystal. It can be expected that the increase in the lifetime of the screens will gradually lead to stabilization of the thermal conditions and the reduction or complete elimination of defects in the crystal volume. The purpose of the present invention is to increase the service life of the device and the yield of single crystals. The goal is achieved by the fact that a device for growing single crystals of refractory materials, including a vacuum chamber in which a crucible is placed, coaxially with a heater and a vertical screen in the form of molybdenum cylinders attached to each other, as well as upper and lower horizontal screens and a crucible, is additionally equipped with a reflector installed coaxially to the crucible on the lower horizontal screen between the heater and the vertical screen with a height not lower than the upper edge of the crucible, made of tungsten or its alloys with refractory metals, imeyushih shape of a cylinder with an internal diameter (1.6-1.8) and a wall thickness of 0 (0,03Q, 06) D, where D - outside diameter of the crucible. The drawing shows the device,; cut. A cylindrical form is inserted into the vacuum chamber 1 along the periphery of the vertical screen 2, which is a set of 17 coaxially arranged in each other with a gap of 8-10 mm and cylinders 510 mm high made of a molybdenum sheet with a thickness of 3 mm. Above the vertical screen 2 there is an upper horizontal screen 3 of molybdenum. At the bottom of the chamber 1 there is a lower horizontal screen 4 in the form of molybdenum disks with an axial hole, into which molybdenum support 5 is inserted for crucibles 6. The ratio of the diameter of the inner cylinder of the screen 2 and the outer diameter of the crucible 6 is equal to 1.9. Coaxially with the stand 5 and the crucible 6 on two copper holes-current waters 7 a resistive heater 8 is suspended, assembled from 10-12 pairs of bent Like tungsten rods. Directly above the crucible 6 is a set of upper horizontal screens 9. of molybdenum. At the lower end of the stem, a seed rod 11 is fixed in the seed holder 10. Coaxially the crucible 6 and at a level not lower than its top, its edge is mounted on the lower horizontal screen 4 of the reflector 12 made of tungsten or eio alloys with refractory metals and having the shape of a cylinder, an internal the diameter of which is (1.6-1.8) D, and the wall thickness is (0.03-0, C6) 10, where D is the external diameter of the crucible. To clarify the operation of the claimed device, the former shows a shaper 13 placed in the crucible 6, which is a molybdenum cylinder. or tungsten with a thickness of 0.10, 5 mm and a height of 0.8-0.9 of the height of the crucible 6, part of the crystal 14 that is high from the seed rod 11, is separated from the melt 15 by an island-like crystallization front, indicated by a dotted line. When assembling the described device, its elements 1-13 should be coaxial with each other. Introduction to the device reflector 12 increases its durability, increasing the life of the entire device to 50 more processes. The introduction of the reflector ensures the stability of the thermal field of the crystallization unit through 5-6 processes, while in the known device the vertical screen 2 goes out of order earlier than the thermal conditions stabilize. Further, during 45-50 and single-crystal growth processes, the temperature distribution and heat removal were established with conditions that ensured a significant decrease in the volume defect content in the flashable crystals. The reflector can be made by sintering at 22004; 50 ° С a mixture of tungsten and nickel powders in a weight ratio of 500: 1, a mixture of tungsten powders and other refractory metals, for example molybdenum, with a tungsten content of at least 25%. For this purpose, two cylinders of 0.3-0.5 mm thick molybdenum sheet are inserted and coaxially fixed one in the other with a gap of about 5 mm, into which a mixture of powders of the indicated compositions is poured and sintered. After burning through the inner of two molybdenum cylinders, the remaining reflector of baked powder serves at least 50 crystallizations. It is preferable to manufacture a reflector by the method of plasma spraying a mixture of powders of the same composition on the surface of a copper or graphite substrate of the required size and shape. The limit of the tungsten content of not less than 25% is associated with the substantial observed in practice; a decrease in the heat resistance of reflectors made from mixtures or alloys with a lower tungsten content. The recommended reflector size ratios are determined empirically. The height of the reflector 12 installed on the lower horizontal screen 4 must not be lower than the upper edge of the crucible 6. Otherwise, due to direct irradiation from the walls of the crucible, after 10-12 processes, the unprotected portion of the inner cylinder of the screen 2 burns and the service life of the device as a whole decreases. The optimum height of the reflector is 12, at which the inner cylinder of the screen 2 is completely protected from direct irradiation from the walls of the crucibles. When the wall thickness of the reflector 12 is less than 0.03 of the outer diameter D, the probability of its burning in places of local thinnesses and thinning of the wall increases, which violates the symmetry of the thermal floor and requires replacement of the reflector. Increasing the thickness of more than 0.06 D will not increase the service life of the device as a whole and is unreasonable due to the excessive consumption of the scarce metal. During operation of the device, the reflector 12 and the heater 8 are gradually deformed, acquiring an ellipsoidal shape. For this reason, when the inner diameter of the reflector 12 is less than 1.6 of the outer diameter D of the crucible, the probability of contact and failure of both the reflector 12 and the heater 8 increases. The inner diameter of the reflector 12 is equal to (1.6-1.8 ) 0, it excludes the probability of its contact with the heater for the lifetime of the whole device and provides the most acceptable thermal conditions of crystallization. An increase in the internal dieter of the reflector 12 over 1.8 D increases the heat dissipation, leads to an increase in the power consumption consumed by the detector, violates the symmetry of the thermal axis and thus creates favorable conditions for the capture of helium bubbles, i.e. increasing the content of bulk defects in a single crystal. Example. The operation of the single crystal growing device is carried out by the example of

. 1. one

лучени  монокристалла сапфира следующим образом:The sapphire single crystal radiation as follows:

в тигель 6 помещают соосно формообразователь 13 и заполн ют весь объем тигл  исходной шихтой, например в виде измельченных кусочков сапфира . Загружают тигель в камеру 1, размеща  его на подставке 5 соосно нагревателю 8, подвешенному на тоководах 7. Над тиглем устанавливают набор верхних экранов 9. Вставл ют и центрируют в затравкодержателе 10 затравочньй стержень 11. Герметизируют и откачивают вакуумную камеру до (1-5) рт.ст. Разогревают тигель до температуры 2100С, расплавл ют шихту и выдерживают расплав в течение 2-4 ч дл  его гомогенизации . Затем снижают температуру расплава до 2050С (температура плавлени  окиси алюмини  2040°С) и отпускают затравочньй стержень до соприк;основени  с расплавом. После выдержки в течение 1-3 мин затравочный стер- , жень медленно поднимают вверх. Через 20-30 мин подъем затравочного стержн  с растущим кристаллом 14 прекращаетс . Дальнейшее разрастание кристаллов до стенок формообразовател  13 и вглубь тигл  обеспечивают параметрами технологического процесса заданным температурным профилем, величиной градиента температуры. Указанные параметры регулируютс  автоматической системой прецизионного снижени  мощности, подаваемой на нагреватель , и услови ми теплоотвода от растущего кристалла через затравочный стержень и отверсти  в наборе верхних экранов 9, а от вершины фронта кристаллизации - через расплав 15 и дно тигл . После полной кристаллизации расплава подаваемую на нагреватель мощность в течение 12-16 ч равномерно снижают до нул , кристаллthe crucible 6 is placed in the crucible 6 and the entire crucible volume is filled with the initial mixture, for example, in the form of crushed sapphire pieces. The crucible is loaded into the chamber 1, placing it on the stand 5 coaxially with the heater 8 suspended on the current leads 7. A set of upper shields 9 is installed above the crucible. The vacuum rod 11 is inserted and centered in the seed holder 10. The vacuum chamber is sealed and pumped out to (1-5) Hg The crucible is heated to a temperature of 2100 ° C, the mixture is melted and the melt is held for 2-4 hours to homogenize it. Then, the temperature of the melt is reduced to 2050 ° C (the melting point of alumina is 2040 ° C) and the seed rod is released until it contacts the base with the melt. After soaking for 1-3 minutes, the seed sterr, the gin slowly raise up. After 20-30 minutes, the rise of the seed bar with the growing crystal 14 stops. Further expansion of the crystals to the walls of the shaper 13 and into the crucible provide the process parameters with a given temperature profile, the value of the temperature gradient. These parameters are regulated by an automatic system of precision reduction of the power supplied to the heater, and the conditions of heat removal from the growing crystal through the seed rod and holes in the set of upper screens 9, and from the top of the crystallization front through the melt 15 and the bottom of the crucibles. After complete melt crystallization, the power supplied to the heater is uniformly reduced to zero within 12–16 h.

26062606

охлаждают 6-8 ч в вакууме до температуры менее 100С и выгружают из камеры и тигл . Конструкци  устройства обеспечивает получение монокристалла сапфира с уменьшенным содержанием объемных дефектов, а именно длиной свободной от дефектов годной части не менее 60 мм. Экраны 2,3,4cooled for 6-8 hours in vacuum to a temperature of less than 10 ° C and discharged from the chamber and the crucible. The design of the device provides for obtaining a sapphire monocrystal with a reduced content of bulk defects, namely, the length of the defect-free suitable part of at least 60 mm. Screens 2,3,4

Q и отражатель 12 устанавливают при первоначальной сборке теплового узла и в течение не менее 50 процессов до очередной замены основных элементов узла (нагревател  8 и отражатес л  12) - не трогают их. Указанные экраны служат дл  уменьшени  теплопотерь - достижени  требуемой температуры в рабочей зоне при наименьшей мощности, подаваемой на нагреватель.Q and the reflector 12 are installed during the initial assembly of the heat node and for at least 50 processes until the next replacement of the main elements of the node (heater 8 and reflector 12) - do not touch them. These screens serve to reduce heat loss - to achieve the required temperature in the working area with the lowest power supplied to the heater.

Использование предлагаемого устройства дл  выращивани  кристаллов обеспечивает по сравнению с известным следующие преимущества: наличиеThe use of the proposed device for growing crystals provides, in comparison with the known, the following advantages:

5 отражател  12 способствует симметричному распределению температуры в зоне кристаллизации, равномерному продвижению фронта кристаллизации и существенному уменьшению веро тности5, the reflector 12 contributes to a symmetrical temperature distribution in the crystallization zone, uniform advancement of the crystallization front, and a significant decrease in the likelihood

0 захвата газовых пузырьков растущим кристаллом. Рекомендуемый материал отражател  12, его форма, размеры и местоположение позвол ют повысить долговечность устройства и стабиль35 но поддерживать оптимальные услови  кристаллизации на прот жении 50 и более процессов.0 capture of gas bubbles by a growing crystal. The recommended material of the reflector 12, its shape, size, and location, increase the durability of the device and stably maintain optimum crystallization conditions for 50 or more processes.

Существенно уменьшено содержание дефектов. Длина участков кристалла,Defect content significantly reduced. The length of the crystal segments

д0 свободных от включений газовых пузырьков , увеличиваетс , в среднему от 30 до 60 мм, выход годных монокристаллов сапфира возрастает от 25 до 50%, а производительность одной установкиd0 free of gas bubbles, increases in average from 30 to 60 mm, the yield of sapphire single crystals increases from 25 to 50%, and the performance of one installation

д5 повышаетс  в среднем от 7 до 16 кг годных кристаллов в мес ц.g5 increases on average from 7 to 16 kg of suitable crystals per month.

Claims (1)

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ТУГОПЛАВКИХ МАТЕРИАЛОВ, включающее вакуумную камеру, в которой размещен тигель, коаксиально которому установлены нагреватель и вертикальный экран в виде скрепленных между собой молибденовых цилиндров, аA DEVICE FOR CULTIVATION OF MONOCRYSTALS OF RETAILING MATERIALS, including a vacuum chamber in which a crucible is placed, coaxially with which a heater and a vertical screen are installed in the form of molybdenum cylinders fastened together