Поиск патентов
ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК В РФ

способ выращивания кристалла методом киропулоса

Классы МПК:C30B17/00 Выращивание монокристаллов на затравочном кристалле, остающемся в расплаве в процессе выращивания, например по методу Накена-Киропулоса
C30B9/12 солевые растворители, например выращивание из флюсов
C30B15/10 тигли или контейнеры для поддерживания расплава
Автор(ы):, , ,
Патентообладатель(и):Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук (Институт геологии и минералогии СО РАН, ИГМ СО РАН) (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2012-03-11
публикация патента:

Изобретение относится к выращиванию крупных кристаллов, предназначенных для использования в приборах квантовой электроники. Способ выращивания кристалла методом Киропулоса из расплава или из раствор-расплава включает рост кристалла на затравку, зафиксированную в кристаллодержателе и расположенную сверху в центральной точке поверхности расплава, разращивание кристалла в ростовом тигле при медленном снижении температуры и охлаждение выросшего кристалла, при этом по окончании ростового цикла оставшийся в тигле расплав или раствор-расплав сливают через нагретую с помощью дополнительного нагревателя трубку, расположенную в донной части тигля, а выросший кристалл, сохраняющий свое положение после окончания ростового цикла, охлаждают в тигле, освобожденном от расплава. Технический результат - предотвращение растрескивания выросшего кристалла из-за термоупругих напряжений, возникающих в момент подъема кристалла, а также деформации платинового тигля расплавом при его медленном охлаждении. Получают кристалл, например, трибората лития размером 150×130×80 мм, оптически качественная часть которого составляет 80-90% объема выросшего кристалла. 2 ил.

Рисунки к патенту РФ 2494176

способ выращивания кристалла методом киропулоса, патент № 2494176 способ выращивания кристалла методом киропулоса, патент № 2494176

Изобретение относится к способу выращивания крупных кристаллов из расплава или из раствор-расплава методом Киропулоса, предназначенных для использования в приборах квантовой электроники.

При выращивании кристаллов методом Киропулоса кристаллизацию начинают на поверхности расплава с дальнейшим прорастанием кристалла вглубь расплава. Расплав готовят в ростовом платиновом тигле из исходной сырьевой смеси нагреванием до температуры плавления. После гомогенизации расплава в центральную точку поверхности расплава помещают закрепленный на охлаждаемом стержне затравочный кристалл. На границе раздела: кристалл - расплав за счет отвода тепла через стержень и медленного снижения температуры создается переохлаждение, и на затравке растет монокристалл. Выросший кристалл поднимают (автоматически или вручную) над расплавом. Первоначально метод был применен для выращивания галогенидов щелочных металлов [Вильке К.Т. Выращивание кристаллов - Ленинград, «Недра», 1977, с.329].

В последнее время метод успешно применен для роста кристаллов из раствор-расплавных сред [Nishioka M. and et all Growth of CsLiB6O10 crystals with high laser damage tolerance - J.Crystal Growth, 2005, 279, p.76-81]. При выращивании кристаллов методом Киропулоса путем роста кристалла на затравку, зафиксированную в кристаллодержателе и расположенную сверху в центральной точке поверхности расплава, разращивания кристалла при медленном снижении температуры, подъема кристалла из расплава или раствор-расплава и охлаждения выросшего кристалла, значительная часть растущего кристалла находится под поверхностью расплава, что благоприятствует формированию крупных кристаллов.

Однако подъем кристалла из раствор-расплава для его охлаждения сопряжен с целым рядом трудностей.

Во-первых, возможно растрескивание затравки в подзатравочной области, что приводит к потере кристалла из-за падения его в раствор-расплав.

Во-вторых, при выращивании кристаллов методом Киропулоса над расплавом необходимо создавать перепад температуры. При перемещении кристалла в эту область возникают термоупругие напряжения, которые зачастую приводят к растрескиванию кристалла и уменьшают выход материала, пригодного для изготовления оптических элементов.

В-третьих, при медленном остывании поднятого кристалла на поверхности остаточного раствор-расплава начинается спонтанная кристаллизация, что приводит к деформации тигля.

Кроме того, растущий кристалл ограничен стенками тигля и, в случае ассиметричного роста, возможен контакт кристалла со стенками тигля, что делает невозможным его подъем над расплавом. В кристалле, охлаждаемом совместно с расплавом, образуются многочисленные трещины вследствие сильного давления кристаллизующегося расплава.

Задачей изобретения является получение качественных объемных кристаллов.

Технический результат заключается в том, что изобретение позволяет избежать растрескивания кристалла из-за термоупругих напряжений, возникающих в момент подъема кристалла, а также деформацию платинового тигля расплавом при его медленном охлаждении.

Кроме того, в предложенном способе можно использовать более низкие тигли, т.к. отсутствует необходимость в верхнем пространстве над раствор-расплавом, предназначенном для подъема кристалла при его охлаждении в известном способе. Это дает возможность создать более стабильные тепловые условия в зоне роста кристалла. Отсутствие деформации стенок тигля позволяет использовать для выращивания кристаллов более тонкостенные тигли. Эти два фактора делают процесс выращивания кристалла более эффективным из-за значительного уменьшения веса дорогостоящих платиновых контейнеров

Для достижения технического результата по окончании ростового процесса оставшийся в тигле расплав или раствор-расплав сливают через нагретую с помощью дополнительного нагревателя трубку, расположенную в донной части тигля, а выросший кристалла, сохраняющий свое положение после окончания ростового цикла, охлаждают в освобожденном от расплава тигле.

Из патентов [RU 2304620, опубл. 20.08.2007; JP 3183682 (А), опубл. 08.09.1991] известно, по сути, о сливе расплава через донную часть ростового тигля. Однако в описанных патентах в ростовом тигле сделаны отверстия для удаления в процессе роста кристалла, излишнего количества расплава образующегося из-за разницы плотностей жидкой и твердой фаз кристаллизующегося материала, т.к. при плотности жидкой фазы, большей, чем твердой фазы, кристаллизация идет с увеличением объема.

В предлагаемом решении установленная в донной части ростового тигля нагретая трубка предназначена для слива раствор-расплава, оставшегося после роста кристалла. Удаление остаточного раствор-расплава позволяет эффективно извлекать выросшие кристаллы из тигля по окончании ростового цикла, что обеспечивает получение качественных объемных кристаллов без растрескивания, исключая деформацию тигля раствор-расплавом при медленном охлаждении кристалла.

Рост крупных кристаллов методом Киропулоса с предлагаемым приемом охлаждения выросшего кристалла продемонстрирован на примере кристаллов трибората лития (LiB3O5 ). Однако он может быть применен для любых кристаллов, выращиваемых в объеме расплава или раствор-расплава.

На фиг.1 представлена схема установки для выращивания кристаллов методом Киропулоса со сливом расплава или раствор-расплава из ростового тигля в дополнительный тигель.

На фиг.2 представлена фотография кристалла трибората лития размером 150×130×80 мм.

Пример. В платиновый ростовой тигель 1 (фиг.1) диаметром 170 мм загружают шихту для получения 6 кг готового расплава 2 для выращивания LiB6O5. Соотношения компонентов флюса 2Li2O:3В2О3 :3МоО3 позволяют выращивать кристаллы весом 1320 г. После гомогенизации раствор-расплава в течение 5-7 суток в печь 3 опускают затравку LiB3O5 4, зафиксированную в кристаллодержателе 5, и определяют температуру насыщения по скорости оплавления затравки после ее касания поверхности расплава. Т.к. раствор-расплав электропроводен, то момент соприкосновения затравки с поверхностью расплава устанавливают по падению сопротивления в электроцепи тигель - раствор-расплав - затравка - шток. При касании затравкой поверхности расплава цепь замыкается и сопротивление уменьшается на 2-3 порядка. После затравления температуру снижают, охлаждая систему со скоростью 1 -2 град/сутки. По окончании ростового процесса включают встроенный дополнительный нагреватель 6, разогревая платиновую трубку 7 в донной части ростового тигля 1 до появления первых капель расплава. Оптимальная скорость вытекающего расплава составляет, примерно 1 кап/сек. Раствор-расплав стекает в дополнительный платиновый тигель 8 размером 150×100 мм2. Процедуру слива раствор-расплава с момента включения встроенного нагревателя осуществляют в течение 1,5-2 час. Получают кристалл трибората лития размером 150×130×80 мм (Фиг.2), оптически качественная часть которого составляет 80-90% объема выросшего кристалла с возможностью изготовления нелинейно-оптического элемента диаметром 60-70 мм и толщиной 15-10 мм для преобразования лазерного излучения с длиной волны 1064 нм во вторую гармонику.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ выращивания кристалла методом Киропулоса из расплава или из раствор-расплава, включающий рост кристалла на затравку, зафиксированную в кристаллодержателе и расположенную сверху в центральной точке поверхности расплава, разращивание кристалла в ростовом тигле при медленном снижении температуры и охлаждение выросшего кристалла, отличающийся тем, что по окончании ростового цикла оставшийся в тигле расплав или раствор-расплав сливают через нагретую с помощью дополнительного нагревателя трубку, расположенную в донной части тигля, а выросший кристалл, сохраняющий свое положение после окончания ростового цикла, охлаждают в тигле, освобожденном от расплава.


Патентный поиск по классам МПК-8:

Класс C30B17/00 Выращивание монокристаллов на затравочном кристалле, остающемся в расплаве в процессе выращивания, например по методу Накена-Киропулоса

Патенты РФ в классе C30B17/00:
способ выращивания монокристалла сапфира на затравочном кристалле, остающемся в расплаве, в автоматическом режиме -  патент 2423559 (10.07.2011)
способ выращивания монокристалла сапфира на затравочном кристалле, остающемся в расплаве в процессе выращивания -  патент 2417277 (27.04.2011)
способ выращивания тугоплавких монокристаллов -  патент 2404298 (20.11.2010)
установка для выращивания монокристаллов, например, сапфиров -  патент 2404297 (20.11.2010)
способ получения монокристаллов молибдата цинка -  патент 2363776 (10.08.2009)
устройство для выращивания тугоплавких монокристаллов -  патент 2361020 (10.07.2009)
способ выращивания монокристаллов сапфира из расплава -  патент 2350699 (27.03.2009)
способ обработки хлорида или бромида, или йодида редкоземельного металла в углеродсодержащем тигле -  патент 2324021 (10.05.2008)
сцинтиляционное вещество (варианты) -  патент 2242545 (20.12.2004)
устройство для выращивания монокристаллов сапфира -  патент 2232832 (20.07.2004)

Класс C30B9/12 солевые растворители, например выращивание из флюсов

Патенты РФ в классе C30B9/12:
способ выращивания монокристаллов литий-висмутового молибдата -  патент 2519428 (10.06.2014)
способ выращивания монокристаллов литий-магниевого молибдата -  патент 2487968 (20.07.2013)
способ выращивания монокристаллов нитрида галлия -  патент 2477766 (20.03.2013)
способ выращивания объемных монокристаллов александрита -  патент 2471896 (10.01.2013)
способ получения монокристаллов высокотемпературных сверхпроводящих соединений типа "123" -  патент 2434081 (20.11.2011)
способ выращивания объемных монокристаллов хризоберилла и его разновидностей -  патент 2315134 (20.01.2008)
устройство для выращивания монокристаллов сложных окислов -  патент 2245945 (10.02.2005)
способ приготовления раствор-расплава для выращивания монокристаллов -bab2o4 -  патент 2195520 (27.12.2002)
способ получения высокотемпературных сверхпроводниковых соединений -  патент 2182194 (10.05.2002)
способ гомогенизации раствор-расплавов или расплавов при выращивании монокристаллов -  патент 2164561 (27.03.2001)

Класс C30B15/10 тигли или контейнеры для поддерживания расплава

Патенты РФ в классе C30B15/10:
способ нанесения защитного покрытия на внутреннюю поверхность кварцевого тигля -  патент 2527790 (10.09.2014)
способ получения столбчатых монокристаллов кремния из песка и устройство для его осуществления -  патент 2488650 (27.07.2013)
способ получения неприлипающего покрытия на основе карбида кремния -  патент 2479679 (20.04.2013)
кристаллизатор для обработки расплавленного кремния и способ его изготовления -  патент 2423558 (10.07.2011)
тигель для кристаллизации кремния и способ его изготовления -  патент 2401889 (20.10.2010)
тигель для кристаллизации кремния -  патент 2394944 (20.07.2010)
способ изготовления кварцевых контейнеров -  патент 2370568 (20.10.2009)
устройство для выращивания слоев кремния на углеродной подложке -  патент 2365684 (27.08.2009)
способ подготовки кварцевых тиглей для выращивания монокристаллов кремния -  патент 2355833 (20.05.2009)
кристаллизатор для кристаллизации кремния -  патент 2355832 (20.05.2009)

Наверх