СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛА
PROCEDURE FOR PRODUCTION OF MONO-CRYSTAL

Изобретение относится к технологии высокотемпературной кристаллизации диэлектрических материалов из расплава и может быть использовано для высокопроизводительного получения монокристаллов ресурсосберегающим способом без ущерба их качеству.
Известен способ получения монокристаллов путем вытягивания вверх с вращением - метод Чохральского (смотри: Е.Д.Добровинская, Л.Литвинов, В.Пищик «Энциклопедия сапфира», Харьков, НТК «Институт монокристаллов», 2004 г.), заключающийся в следующем. Например, в вольфрамовый тигель закладывают сырье, подлежащее кристаллизации. Нагревают сырье до его точки плавления или выше в электрической печи до получения расплава. Сверху в полученный расплав погружают нижний конец затравочного кристалла, имеющего форму стержня, и вытягивают кристалл вверх с медленным вращением таким образом, чтобы реализовывался рост монокристалла от нижнего конца затравочного кристалла.
К недостатку метода можно отнести его неадаптированность к сырью разного фракционного состава. Фактически применяется поликристаллическое или порошкообразное сырье с достаточно большой насыпной плотностью, которое закладывается в тигель единовременно, что и ограничивает конечный размер монокристалла, при этом порошкообразное сырье наноразмерных фракций не применяется. В практике превалирует экономический запрет на использование наноразмерного сырья, то есть оно хоть и может быть использовано в принципе, но даст заведомо прогнозируемый технический эффект - уменьшение производительности за счет своей малой насыпной плотности.
Известен способ получения монокристаллов - метод Вернейля (смотри: Е.Д.Добровинская, Л.Литвинов, В.Пищик «Энциклопедия сапфира», Харьков, НТК «Институт монокристаллов», 2004 г.), основанный на том, что монокристалл выращивают в шахтной печи из мелкодисперсного порошкообразного сырья, подаваемого в процессе роста монокристалла непрерывно сверху из питателя, например, кулачкового типа. Сырье подается непрерывно через пламя горючего газа на введенный снизу в шахту керамический кристаллодержатель с монокристаллической затравкой. Пролетая через пламя, частицы сырья частично оплавляются и попадают на затравку. Вершина образующегося конуса оплавляется, а затем разращивается до заданного диаметра. Кристалл растет из пленки расплава, толщина которой определяется диаметром монокристалла и тепловыми условиями во фронте кристаллизации (в среднем толщина пленки близка к 40 мкм).
Недостатки известного метода:
- попадание в пленку частиц, размеры которых соизмеримы с ее толщиной, является причиной образования пор в монокристаллах, итог - существенное ухудшение качества;
- оптимальным считается сырье с фракционным составом в интервале от 5 до 35 мкм с основной фракцией от 15 до 20 мкм. При этом более мелкие фракции распыляются в факеле или агрегируются, не попадая во фронт кристаллизации, итог - потери сырья, потери на регламентное обслуживание оборудования (чистку), что снижает производительность метода в целом. То есть существует недостаток - метод неадаптирован к исходно наноразмерному сырью.
9
Наиболее близким к заявляемому способу получения монокристаллов является патент России №2215070 С2 с датой публикации 27.10.2003 года; МПК: С30В 15/08, С30В 29/30; «Устройство для получения монокристалла (варианты), способ получения монокристалла (варианты) и монокристалл (варианты)»; заявитель - Япония. Способ заключается в установке тигля для плавления сырья в электрическую шахтную вакуумную печь с контролируемой атмосферой выше зоны отжига растущего монокристалла; выдерживании тигля с расплавом при температуре не ниже точки плавления кристаллического сырья; вытягивании вниз с одновременным вращением затравочного кристалла в положении, при котором верхняя концевая часть затравочного кристалла приводится в контакт с расплавом сырья, вытекающим из небольшого отверстия в днище тигля.
Способ характеризуется тем, что порошкообразное сырье непрерывно вводят сверху из внешнего питателя на специальную тугоплавкую вогнутую или выпуклую (по отношению к тиглю) пластину приема порошкообразного сырья - зона ввода сырья. Пластину приема порошкообразного сырья размещают над зоной расплава в тигле с возможностью плавления сырья на ней внешним, например, радиочастотным нагревателем. Далее расплав сырья подают в гравитационном поле Земли внутрь тигля. Осуществляют подачу расплава сырья либо в виде капель, свободно падающих с поверхности вогнутой пластины (форма - «зонтик»), либо в виде тонкой пленки, стекающей в тигель по поверхности специально введенных тугоплавких выпаривателей. При этом верхний конец выпаривателей вводится в контакт с перфорированным выпуклым дном пластины (форма - «тарелка»). В зоне между пластиной приема сырья и тиглем, а также в тигле температура расплава поддерживается выше точки плавления кристаллического сырья - зона «выпаривания» летучих примесей. Удаление легколетучих примесей осуществляют путем непрерывной откачки объема вакуумной печи с контролируемой атмосферой, например аргоном. Выбирают высоту зоны «выпаривания» летучих примесей из условия удаления из расплава сырья максимально возможного количества паров легколетучих примесей, например водорода.
Основной недостаток метода - его адаптация только к исходному порошкообразному сырью с достаточно большой насыпной плотностью, подаваемому из внешнего питателя внутрь отвакуумированной шахтной печи с контролируемой атмосферой (неадаптированность метода к исходно наноразмерному сырью). Ввод сырья (согласно патенту) на специальную тугоплавкую вогнутую или выпуклую (по отношению к тиглю) пластину осуществляют в гравитационном поле Земли путем размещения среза патрубка ввода сырья непосредственно над плоскостью пластины приема порошкообразного сырья. Цель такого способа размещения патрубка ввода сырья очевидна - практически неосуществимое желание обеспечить 100% попадание всего количества вводимого сырья на поверхность пластины его приема. Физическая основа такого технического эффекта, как подавление процесса распыления сырья в объеме зоны подачи сырья, обеспечивается только специальным подбором нижней границы фракционности сырья. При этом масса отдельной частички минимальной фракционности должна быть достаточно большой (энергетические потери на дополнительный передел сырья) для преодоления флуктуирующего газодинамического потока в зоне подачи сырья, возникающего при откачке паров летучих примесей в смеси с газом-носителем (аргоном) из всего объема шахтной печи в процессе выращивания монокристалла при давлении ниже атмосферного.
Задача настоящего изобретения - повышение экономической эффективности и расширение функциональных возможностей технологического процесса выращивания тугоплавких монокристаллов без ущерба их качеству путем практически 100% использования исходного порошкообразного сырья любого фракционного состава и сокращения простоев оборудования.
Использование настоящего изобретения обеспечивает следующий технический результат:
- увеличение производительности процесса выращивания монокристаллов без ущерба его качеству;
- уменьшение внутренней себестоимости производства исходного сырья до 28% за счет исключения процесса передела исходно наноразмерного сырья до требуемой фракционности, пригодной для известных способов получения монокристаллов;
- экономию сырья.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе получения монокристалла, включающем создание и поддержание в вакуумной многозонной печи соответствующего температурного градиентного поля, ввод порошкообразного сырья в печь из внешнего питателя на электропроводящее средство получения расплава сырья, поддержание температуры средства получения расплава и тигля не ниже точки плавления сырья, а также затравливание, формирование, отжиг и охлаждение монокристалла, согласно изобретению сырье перед вводом в печь предварительно электризуют, а на средство получения расплава подают потенциал, противоположный знаку заряда сырья, при этом ввод сырья в печь осуществляют от внешнего питателя центробежного типа.
Кроме того:
- подают на средство получения расплава сырье наноразмерных фракций;
- осуществляют разогрев сырья и средства получения расплава светолучевым обогревателем некогерентного излучения;
- средство получения расплава выполняют в виде цилиндра с коническим торцем в сторону тигля и осуществляют его вращение или возвратно-поступательное вертикальное движение с возможностью вращения;
- осуществляют сканирование средства получения расплава сфокусированным лучом светолучевого обогревателя.
Такие действия в заявляемом способе получения монокристалла, как создание и поддержание в вакуумной многозонной печи соответствующего температурного градиентного поля; подача порошкообразного сырья на электропроводящее средство получения расплава сырья, выполненное в виде приемной подложки, расположенной выше тигля; поддержание температуры приемной подложки и тигля не ниже точки плавления порошкообразного сырья; ввод в тигель расплавленного на приемной подложке порошкообразного сырья; затравливание и формирование монокристалла путем его вытягивания вниз с одновременным вращением; отжиг и охлаждение монокристалла - реализуют такой известный интегральный технический эффект, как принципиальную возможность получения качественных монокристаллов достаточно большого диаметра, более 100 мм.
Принудительная электризация порошкообразного сырья во внешнем питателе перед его подачей на электропроводную приемную подложку с одновременной подачей на нее высоковольтного потенциала, знак которого противоположен знаку заряда порошкообразного сырья, а также ввод сырья в объем печи в конструктивной близости от приемной подложки без участия газа-носителя (в форме, отличной от аэрозоля) обеспечивают такой технический эффект, как, практически, 100% (включая и наноразмерные фракции) оседание порошкообразного сырья на приемную подложку за счет как сил кулоновского притяжения разноименных зарядов в электрическом поле управляемой величины и соответствующего направления вектора скорости сырья (направление выходного патрубка внешнего питателя - электризатора центробежного типа в сторону приемной подложки), так и погружения частичек сырья в расплав (отсутствие эффекта отскока как за счет смачивания расплавом, так и кулоновских сил). Технический эффект при этом характеризуется исключением потерь сырья, увеличением производительности и экономической эффективности процесса в целом - исключается полностью или существенно уменьшаются простои оборудования на его технологическую чистку и подготовку; исключаются общие затраты, включая и энергетические, на удаление из исходного сырья недопустимых малоразмерных фракций (упрощение технологии подготовки сырья). Кроме того, при электризации сырья во внешнем питателе центробежного типа оно приобретает электрический заряд соответствующей величины и полярности, а также разгоняется до определенной скорости без применения газа-носителя, что и обеспечивает, с одной стороны, неизменным состав атмосферы вакуумной печи, ответственной за качество монокристалла, а с другой - исключаются энергозатраты на подогрев газа-носителя до температуры атмосферы печи.
3
Реализация возможности использования исходного порошкообразного сырья наноразмерных фракций обеспечивает такой технический эффект, как исключение из технологии процесса «доращивания» наноразмерного сырья, например, гидротермальным методом до требуемого уровня усредненной фракционности, что существенно сокращает внутризаводскую себестоимость производства порошкообразного сырья для монокристального производства. Например, передел наноразмерного оксида алюминия в порошок γ-фазы оксида алюминия с насыпной плотностью более 2,0 г/см увеличивает затраты на 28%.
Осуществление разогрева приемной подложки и порошкообразного сырья светолучевым обогревателем некогерентного излучения обеспечивает такой технический эффект, как прямой ввод энергии на объект воздействия. При этом, в случае разогрева наноразмерного сырья, реализуется такой технический эффект, как уменьшение затрат энергии на получение расплава наноразмерного сырья, которое начинает плавиться при температурах значительно меньших, чем порошок микронного размера. Например, прямое сокращение энергоресурсов в процессе выращивания лейкосапфировой заготовки составляет не менее 150 кДж/г для наноразмерной фракции γ-фазы оксида алюминия, средний диаметр которой не превышает 27 нм, а толщина - 3 нм.
В случае осуществления разогрева приемной подложки и порошкообразного сырья светолучевым обогревателем при ее возвратно-поступательном движении с одновременным вращением обеспечивается такой технический эффект, как принципиальная возможность разогрева и плавления наноразмерного сырья неподвижным сфокусированным лучом источника некогерентного излучения, что, в отдельных случаях (крупногабаритных светолучевых модулях), упрощает технологию и удешевляет их конструкцию.
В случае осуществления разогрева приемной подложки и наноразмерного сырья светолучевым обогревателем путем ее сканирования сфокусированным лучом приемная подложка только вращается, что целесообразно при выращивании монокристаллов малого размера, когда не требуется получения расплава в больших количествах, а размер приемной подложки не намного превосходит размер фокусного пятна светолучевого обогревателя.
На фиг.1, фиг.2 и фиг.3 представлены схемы устройства и его отдельные элементы, иллюстрирующие заявляемый способ получения монокристалла методом вытягивания вниз.
Устройство для осуществления заявляемого способа содержит шахтную вакуумную многозонную печь 1, предназначенную для расплавления сырья 2, поступающего в нее по патрубку 3, и последующего выращивания монокристалла 4. В печи 1 установлена электропроводящая приемная подложка 5, имеющая форму «зонтик» (фиг.1) или форму цилиндра с коническим торцом (фиг.2 и фиг.3). Соосно с подложкой 5 установлен тигель 6 с перфорированным дном 7, который предназначен для накапливания расплава 8. На штоке 9 расположен затравочный кристалл 10. Сырье 2 поступает в печь 1 через патрубок 3 из внешнего трибоэлектризующего питателя 11.
На приемную подложку 5 от внешнего электрического источника 12 подается высоковольтный потенциал, полярность которого противоположна знаку заряда сырья 2, поступающего из трибоэлектризующего питателя 11. Многозонная шахтная печь 1 имеет секционное нагревательное устройство 13 для поддержания соответствующего теплового градиентного поля в зоне 14 приемной подложки 5 (фиг.1), в зоне 15 удаления летучих примесей, в зоне 16 кристаллизации расплава 8 и в зоне 17 отжига и остывания монокристалла 4. Секция нагревательного устройства 13 в зоне 14 приемной подложки 5 в виде цилиндра с коническим торцом может быть выполнена в виде светолучевого обогревателя 18 (фиг.2 и фиг.3) со светопрозрачной перегородкой 19, отделяющей зону 14 от светолучевого обогревателя 18.
Светолучевой обогреватель 18 может быть установлен с помощью сильфонного элемента 20 (фиг.3), обеспечивающего возможность сканирования сфокусированным лучом поверхности приемной подложки 5, установленной с возможностью вращения. На фиг.2 представлен вариант исполнения, когда светолучевой обогреватель 18 установлен неподвижно, а приемная подложка 5 установлена с возможностью возвратно-поступательного перемещения с вращением.
Кроме того, соответствующее градиентное тепловое поле в объеме печи 1 поддерживается либо секционным вышеуказанным нагревательным устройством, либо его комбинацией со светолучевым обогревателем, а также системой тепловых экранов (на фиг.1, фиг.2 и фиг.3 не показаны), выполненных из углеграфита марок УТМ и УКМ (по классификации НИИ графита).
Также на фиг.1, фиг.2 и фиг.3 не показаны система откачки легколетучих примесей, например водорода, из расплава в виде соответствующего вакуумирующего агрегата и система поддержания соответствующего состава газовой среды печи 1 при давлении, например аргона, ниже атмосферного.
При этом внешний питатель 11 представляет собой одновременно трибостатический электризатор порошкообразного сырья 2 любой фракционности, в том числе наноразмерного порошкообразного диэлектрического сырья, а также дозатор и дробно-непрерывный вбрасыватель (в форме, отличной от аэрозоля) диэлектрического сырья в любые рабочие камеры, давление газовых сред в которых и внутри внешнего питателя 11 (инертный газ) в рабочем режиме может поддерживаться от уровня глубокого вакуума до выше атмосферного.
Реализуют способ получения монокристалла 4 следующим образом. Устанавливают в многозонную шахтную вакуумную печь 1 внешнего обогрева с контролируемой атмосферой тигель 6 для расплава 8 порошкообразного сырья 2 ниже приемной подложки 5. Выдерживают тигель 6 при температуре не ниже точки плавления порошкообразного сырья 2, при этом соответствующий температурный градиент в объеме печи 1 поддерживают секционным нагревательным устройством 13, либо его комбинацией со светолучевым обогревателем 18 (фиг.2 и фиг.3).
Подают из внешнего питателя 11 на приемную подложку 5 порошкообразное сырье 2, которое предварительно подвергают трибостатической электризации до величины среднего удельного массового заряда от 2,5 до 35 мкКл/г. При этом перед подачей порошкообразного сырья 2, например, наноразмерной γ-фазы оксида алюминия, средний диаметр которой не превышает 27нм, а толщина - 3 нм, на электропроводную, например вольфрамовую, приемную подложку 5 от внешнего источника 12 подают высоковольтный отрицательный потенциал величиной до 100 кВ. Внешним питателем 11 разгоняют положительно заряженное порошкообразное сырье 2 в виде γ-фазы оксида алюминия до соответствующей скорости, вектор которой посредством патрубка 3 принудительно направляют в сторону приемной подложки 5, при этом допустимо не совмещать его с направлением вектора гравитационного поля Земли (фиг.2 и фиг.3).
За счет сил электростатического притяжения сырье 2 оседает на подложке 5 и плавится с коэффициентом осаждения, практически не отличающимся от единицы, несмотря на наличие флуктуирующих потоков разреженных газовых примесей и паров расплава порошкообразного сырья. Расплав 8 в виде капель в поле тяжести Земли попадает в тигель 6, где его накапливают и поддерживают в требуемом количестве.
Затравливают монокристалл 4 с последующим его разращиванием до требуемого диаметра, например, 150 мм и затем выращивают путем вытягивания вниз затравочного кристалла 10 на штоке 9 с одновременным его вращением в положении, при котором верхняя концевая часть затравочного кристалла 10 приводится в контакт с расплавом 8 порошкообразного сырья 2 в зоне 16 кристаллизации расплава 8. Рост монокристалла 4 реализуется удержанием расплава 8 между перфорированным дном 7 тигля 6 и затравочным кристаллом 10 за счет сил смачивания расплавом 8 тигля 6 и сил поверхностного натяжения расплава 8, вытекающего из отверстий перфорированного дна 7 тигля 6. Осуществляют непрерывное поступление расплава 8 порошкообразного сырья 2 в тигель 6. Поддерживают постоянным количество расплава 8 порошкообразного сырья 2, вытекающего из перфорированного дна 7 тигля 6 в поле тяжести Земли путем загрузки порошкообразного сырья 2 в соответствующем количестве каждый раз из внешнего питателя 11 на приемную подложку 5 либо через соосный с ней транспортный патрубок ввода 3 (фиг.1), либо несоосный с ней патрубок ввода 3 (фиг.2 и фиг.3) с возможностью расплавления порошкообразного сырья 2 на приемной подложке 5. Введение расплава 8 в тигель 6 осуществляют через зону 15 удаления (выпаривания) легколетучих примесей печи 1 и паров расплава порошкообразного сырья 2, при этом осуществляют выпаривание легколетучих примесей, например водорода, путем непрерывного скачивания газовых примесей и паров расплава специальной вакуумной системой.
В случае обогрева зоны 14 приемной подложки 5 с порошкообразным сырьем 2 светолучевым обогревателем 18:
- допустимо применение порошкообразного сырья 2 наноразмерных фракций, что существенно уменьшает внутреннюю себестоимость производства исходного сырья до 28%, за счет исключения, например, процесса гидротермального «доращивания» исходно наноразмерного сырья 2 до требуемой фракционности, пригодной для известных способов получения монокристаллов. Кроме того, обеспечивается прямое сокращение энергоресурсов в процессе выращивания лейкосапфировой заготовки до 150 кДж/г;
- допустимо обеспечивать приемной подложке 5 периодическое возвратно-поступательное перемещение с вращением (фиг.2), что и реализует появление расплава 8 порошкообразного сырья 2 на поверхностях приемной подложки 5 в случае неподвижности светолучевого обогревателя 18;
- в процессе подачи порошкообразного сырья 2 на приемную подложку 5 реализуют либо ее вращение, либо возвратно-поступательное движение с вращением, при этом приемную подложку 5 выполняют в виде электропроводного цилиндра с коническим торцем в сторону тигля 6, что и реализует принципиальную возможность переноса расплава 8 в тигель 6 через зону 15 выпаривания примесей либо в виде капель, либо в виде тонкой стекающей пленки расплава 8 на поверхности тугоплавких (например, вольфрамовых) выпаривателей (не показаны), верхние концы которых скреплены с вершинной областью конусного торца приемной подложки 5 (фиг.2 и фиг.3), что и обеспечивает получение монокристаллов высокого качества;
- допустимо осуществлять процесс сканирования поверхности вращающейся приемной подложки 5 сфокусированным лучом светолучевого обогревателя 18 за счет упругого сильфонного элемента 20 (фиг.3). При этом упругий сильфонный элемент 20 размещают между многозонной печью 1 и отражателем светолучевого обогревателя 18.
Заявляемый способ за счет электризации сырья и его подачи не в аэрозольной форме на приемную подложку в электрическом поле соответствующей напряженности позволяет получать качественные монокристаллы из порошкообразного сырья неограниченной фракционности, при этом значительно экономятся исходное сырье и ресурсы (тем более на высокочистом наноразмерном сырье) за счет практически 100% переплава сырья в монокристалл.