Тигель для выращивания кристаллов халькогенидов металлов вертикальной зонной плавкой
CRUCIBLE FOR GROWING CRYSTALS OF METAL CHALCOGENIDES BY VERTICAL ZONE MELTING

Изобретение относится к устройствам для выращивания кристаллов халькогенидов металлов, таких, например, как ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, вертикальной зонной плавкой, осуществляемой путем перемещения тигля через неподвижно закрепленный нагреватель.
Известен графитовый тигель, состоящий из корпуса и неподвижно закрепленной графитовой крышки [I. Kikuma, М. Furucoshi. Melt growth of ZnSe single crystals under argon pressure. Journal of Crystal Growth, 1977, v. 41, N 1, pp. 103-108] - аналог. В таком тигле крышка закрывает корпус сверху и закреплена там неподвижно. Основной недостаток конструкции - частое растрескивание выращенных кристаллов, возникающее вследствие термоудара в конце процесса выращивания. Причины термоудара следующие. Высокие давления собственных паров халькогенидов металлов вблизи температур плавления приводят к испарению части вещества в ходе процесса роста кристалла. Пары конденсируются в виде плотного осадка в верхней части корпуса, главным образом, на неподвижно закрепленной крышке, так как при выращивании кристаллов халькогенидов металлов зонной плавкой температура верхней части корпуса в ходе процесса (особенно в начале процесса) может быть намного меньше температуры в зоне расплава. В конце процесса выращивания, при прохождении верхней части корпуса через нагреватель, осадок на крышке плавится и попадает, в виде капель расплава, на выращенный кристалл. Это приводит к термоудару, следствие которого - появление трещин в кристалле. Устранение крышки в конструкции-аналоге нецелесообразно, так как отсутствие крышки приводит к резкому росту потерь материала загрузки на испарение.
3
3
Известен тигель из кварцевого стекла, состоящий из корпуса и плавающей крышки, имеющей возможность свободного перемещения внутри корпуса при изменении уровня расплава [Yokoyama Takashi. Production of silicon ribbon. JP S63233093 (A)] - прототип. Крышка «плавает» на поверхности жидкой фазы, так как ее плотность меньше, чем плотность расплава. Тигель предназначен для выращивания кремниевых лент и не может быть непосредственно использован для выращивания кристаллов халькогенидов металлов, так как загрузка будет испаряться через прорезь в крышке, предназначенную для вытягивания ленты. При отсутствии прорези такой тигель позволил бы устранить термоудар, возникающий из-за стекания расплавленного осадка с крышки на кристалл. Однако после кристаллизации последней зоны расплава, крышка непосредственно соприкоснется с кристаллом, так как она может перемещаться на любую глубину в пределах корпуса тигля. У многих халькогенидов металлов плотность кристалла существенно выше плотности расплава (например, плотность кристалла ZnSe составляет 5,264 г/см, а плотность расплава - 4,34 г/см). Поэтому в момент затвердевания последней зоны расплава, когда крышка опустится на расстояние, равное отношению изменения объема при кристаллизации к площади поперечного сечения зоны расплава, разница температур крышки и кристалла может быть значительной. Тогда соприкосновение плавающей крышки с кристаллом приведет к термоудару, вызывающему растрескивание кристалла.
Задачей настоящего изобретения является исключение термоударов в процессе выращивания для предотвращения растрескивания кристаллов.
Поставленная задача решается тем, что в известном тигле, состоящем из корпуса и плавающей крышки, имеющей возможность перемещения внутри корпуса при изменении уровня расплава, глубина перемещения крышки в корпусе ограничена на заданной высоте путем уменьшения внутреннего диаметра корпуса в его нижней части.
Пример конкретного исполнения такого тигля показан на Фиг. 1, где 1 - крышка, 2 - верхняя часть корпуса, в которой внутренний диаметр не меняется, что позволяет крышке свободно перемещаться, 3 - нижняя часть корпуса, в которой внутренний диаметр меньше диаметра крышки.
В таком тигле глубина перемещения крышки ограничена, т.к. крышка останавливается в месте, где внутренний диаметр корпуса становится меньше диаметра крышки.
Тигель работает следующим образом. В начальный момент процесса крышка находится на поверхности исходного материала (порошка халькогенида металла), загруженного в корпус, как показано на Фиг. 2, где 1 - крышка, 2 - верхняя часть корпуса, 3 - нижняя часть корпуса, 4 - исходная загрузка.
По мере движения зоны расплава крышка свободно опускается в пределах верхней части корпуса, как показано на Фиг. 3, где 1 - крышка, 2 - верхняя часть корпуса, 3 - нижняя часть корпуса, 4 - исходная загрузка, 5 - зона расплава, 6 -кристалл. Направление движения зоны расплава показано на Фиг. 3 стрелкой.
После кристаллизации последней зоны расплава не происходит соприкосновения крышки с кристаллом, так как движение крышки прекращается в заданном месте и между кристаллом и крышкой остается зазор. Эта ситуация иллюстрируется Фиг. 4, где 1 - крышка, 2 - верхняя часть корпуса, 3 - нижняя часть корпуса, 6 - кристалл, 7 - зазор между крышкой и кристаллом. Таким образом, исключается термоудар в конце процесса выращивания и предотвращается растрескивание кристалла.
Материал тигля может быть выбран в зависимости от свойств соединения, кристалл которого выращивается. Например, для ZnS, CdS, ZnSe, имеющих высокие температуры плавления, учитывая химическую агрессивность их расплавов и паров, можно выбрать графит. Для CdTe подойдет также кварцевое стекло или стеклоуглерод.