ТИГЕЛЬ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ ВЫСОКОЛЕТУЧИХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к оборудованию, используемому в технологии выращивания кристаллов неорганических соединений из расплава методом вертикальной направленной кристаллизации, в частности фторидных кристаллов, которые широко используются, например, в электронно-оптических приборах. Конкретно полезная модель направлена на создание тигля многократного использования, конструкция которого обеспечивает снижение потерь материала при выращивании, вызванных высоким давлением паров, и повышением долговечности и надежности конструкции за счет герметизации вне резьбового соединения.
При выращивании фторидных кристаллов традиционно применяют тигли изготовленные из графита, который химически устойчив по отношению к фторидным расплавам, сохраняет прочность и твердость при высоких температурах и легко обрабатывается.
Известен ряд конструкции тиглей для выращивания кристаллов.
Наиболее общеизвестным техническим решением, направленным на получение герметичного внутреннего объема реактора во многих физико-химических процессах, включая рост кристаллов, является применение завальцованных (заваренных) металлических или запаянных кварцевых ампул. Недостатки такой конструкции:
- Неконтролируемая атмосфера в контейнере;
- Взаимодействие расплава и шихты с материалом контейнера;
- Взрывоопасность;
- Взаимодействие применяемых материалов контейнера с фторирующими агентами.
Известна конструкция тигля, который содержит корпус в форме перевернутого стакана, внутри которого неподвижно в вертикальном направлении с зазором размещен цилиндрический контейнер, имеющий ростовую ячейку для шихты, образующую полость, снабженную затравочным каналом (D.A. Jones. The crystallization of materials having high vapor pressures at their melting points by the Bridgman-Stockbarger technique. // Journal of Crystal Growth. 2000. V. 34. №1. p. 149-151.)
Недостатками описанной конструкции являются:
- Невозможность обеспечения концентрического расположения корпуса и контейнера, что приводит к искажению температурного поля по высоте ростовых ячеек, поскольку контейнер фиксируется относительно корпуса посредством шпильки;
- Значительная величина неиспользуемого (балластного) объема полости контейнера (до половины его высоты);
- Герметизация по резьбовому соединению.
Известна также конструкция тигля, который представляет собой графитовую трубку, с одной стороны глухую, а с другой стороны имеющую отверстие с резьбой, которое закрывается винтовой крышкой.
-6
(U. DEBSKA, W. GIRIAT, H.R. HARRISON and D.R. YODER-SHORT. RF-HEATED BRIDGMAN GROWTH OF (ZnSe)l - (MnSe)~IN SELF-SEALING GRAPHITE // CRUCIBLES Journal of Crystal Growth 70 (1984) 399-402). При подготовке к выращиванию кристалла в тигель засыпают порошкообразную шихту, в отверстие трубки, снабженное резьбой, вворачивают крышку, а затем тигель переворачивают крышкой вниз. Заправленный шихтой тигель помещают на подставку из плавленого кварца, расположенную в центре индукционной катушки, таким образом, чтобы нижняя часть завинченной крышки находилась под катушкой. Трубку из плавленого кварца насаживают на перевернутый, закрытый, незапечатанный тигель и из получившейся системы откачивают воздух до давления в 10 Торр.
-4
-5
Для охлаждения через трубку из плавленого кварца пропускают воду, температура в центре индукционной катушки медленно растет до температуры, выше точки плавления шихты. Часть расплавленного вещества затем стекает вниз, в область между стенкой тигля и крышкой, и застывает в холодной части тигля, расположенной под катушкой, таким образом, запечатывая тигель. Затем область тигля, находящаяся в центре катушки, нагревается до температуры, большей температуры плавления реагента на 100°C. Для инициации процесса роста тигель опускают со скоростью 10 мм/ч из катушки. Весь процесс протекает под вакуумом в 10-10 Торр.
Недостатками описанной конструкции являются:
- Образование паразитных кристаллов в области между стенкой тигля и крышкой;
- Возможно затекание расплава в резьбовое соединение, что приводит к снижению срока службы тигля.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели, которое принято за прототип, является тигель для выращивания кристаллов, содержащий цилиндрический контейнер, имеющий полость для шихты, и крышку (Патент РФ на полезную модель RU №135321, МПК C30B 11/00, опубл. 10.12.2013 г.). В этой конструкции контейнер, снабженный крышкой, размещен внутри корпуса в форме перевернутого стакана. Контейнер имеет фланец, который сопрягается с торцевой поверхностью корпуса. Контейнер снабжен со стороны затравочного канала крышкой. Между крышкой и фланцем контейнера установлена прокладка, причем контейнер размещен концентрично относительно отверстия корпуса, что обеспечивает постоянную величину зазора между корпусом и контейнером. Для обеспечения концентричной фиксации контейнера относительно корпуса тигля может применяться резьбовое соединение между стенкой корпуса и цилиндрической поверхностью контейнера.
Такая конструкция тигля позволяет решить ряд проблем, характерных для ранее описанных конструкций, например, невозможность обеспечения концентрического расположения корпуса и контейнера, значительная величина неиспользуемого объема полости контейнера.
Однако у прототипа сохраняются недостатки, связанные с герметизацией по резьбовому соединению: снижение надежности и долговечности конструкции происходит вследствие повреждения резьбового соединения при разборе тигля из-за сконденсировавшихся в витках резьбы летучих компонентов шихты.
Технической задачей настоящей полезной модели является создание тигля, в конструкции которого преодолены указанные недостатки.
Техническим результатом является создание тигля, обеспечивающего получение в ростовом цикле кристаллов высокого качества в результате снижения потерь на испарение материалов (и, следовательно, сохранения постоянства состава шихты на протяжении всего эксперимента) из-за улучшения герметизации. Кроме того, одновременно достигается увеличение срока эксплуатации тигля в результате обеспечения сохранности резьбового соединения, т.к. герметизация рабочего объема тигля происходит вне резьбового соединения.
Решение поставленной технической задачи и достижение технического результата обеспечиваются тем, что в тигле для выращивания кристаллов, содержащем цилиндрический контейнер, имеющий полость для шихты, и крышку, крышка с цилиндрической боковой поверхностью поджимается к контейнеру посредством нажимного элемента в форме перевернутого стакана. Сопрягающиеся поверхности контейнера и крышки эквидистантны, а между цилиндрической боковой поверхностью крышки и внутренней цилиндрической поверхностью нажимного элемента имеется кольцевой зазор. Крышка может иметь несквозной затравочный канал. Все детали тигля выполнены из графита. Нижняя сторона крышки имеет сферическую форму, причем радиус закругления нижней стороны крышки (R) больше ее диаметра (D). Кольцевой зазор между крышкой и нажимным элементом составляет по радиусу 0,5-2 мм. Эквидистантные поверхности контейнера и крышки могут быть коническими или сферическими. Сопряжение крышки с контейнером посредством нажимного элемента осуществляется резьбовым соединением между нажимным элементом и контейнером.
Существо полезной модели поясняется на представленной фигуре. Предлагаемый тигель имеет контейнер 1, внутри которого выполнена цилиндрическая полость 2 для размещения шихты. Снизу контейнер закрывается крышкой 3, в которой выполнен слепой цилиндрический канал 4, открывающийся внутрь полости 2. Крышка 3 поджимается к контейнеру 1 посредством нажимного элемента 5. Нижняя торцевая поверхность 6 контейнера 1 и верхняя торцевая поверхность 7 крышки 3 выполнены эквидистантными, например, коническими или сферическими. Плотное сопряжение поверхностей 6 и 7 обеспечивается посредством резьбового соединения 8 между наружной цилиндрической поверхностью контейнера 1 и внутренней цилиндрической поверхностью нажимного элемента 5. Между внутренней цилиндрической поверхностью нажимного элемента 5 и внешней цилиндрической поверхностью крышки 3 имеется зазор 9. Величина этого зазора по радиусу находится в диапазоне 0,5-2 мм. Нижняя торцевая поверхность 10 крышки 3, имеющей диаметр D, выполнена сферической с радиусом R, причем R больше D.
Порядок работы с предложенным тиглем.
Для выращивания кристаллов тигель применяют следующим образом. Затравочный канал 4 в крышке 3 заполняют шихтой или размещают в нем ориентированную затравку. Исходную шихту для роста кристаллов помещают в полость 2 контейнера 1. Контейнер 1 закрывают крышкой 3, совершая круговые притирающие движения, обеспечивая плотное соприкосновение эквидистантных поверхностей 6 и 7 контейнера 1 и крышки 3 соответственно. Затем на винтовую нарезку на цилиндрической части контейнера 1 навинчивают нажимной элемент 5, имеющий винтовую нарезку на его внутренней цилиндрической поверхности, образуя резьбовое соединение 8.
0
Кольцевой зазор между 9 крышкой и нажимным элементом обеспечивает хорошее прилегание конических или сферических торцевых поверхностей 6 и 7 контейнера тигля и крышки. Нижняя торцевая поверхность 10 крышки имеет сферическую форму с радиусом R, что обеспечивает получение точечного контакта крышки с плоской поверхностью дна цилиндрического отверстия в нажимном элементе 5. В результате эквидистантности поверхностей 6 и 7, выполненными, например, коническими или сферическими, при навинчивании нажимного элемента 5 на контейнер 1 в центре плоской поверхности нажимного элемента возникает сила F.
0
0
При этом, например, в случае выполнения поверхностей 6 и 7 коническими, в месте их контакта создается усилие герметизации F, которое определяется как F=Fy/Sin(A/2), где сила Fy - результирующая сила, создаваемая навинчиванием прижимного элемента и распределенная по виткам резьбы. При этом F=Fy. Из приведенного выше соотношения видно, что F>Fy. Таким образом, центральное приложение силы F (за счет сферической формы крышки) и коническая форма сопрягаемых поверхностей (увеличивающее усилие герметизации) повышает надежность герметизации тигля, что позволяет преодолеть недостаток прототипа.
Собранный вышеописанным способом тигель переворачивают и устанавливают на шток внутри нагревателя.
Внутри нагревателя тигель располагают так, чтобы уровень температуры плавления выращиваемого кристалла находился в области затравочного канала 4.
В процессе работы установки при расплавлении шихты расплав не затекает в область соприкосновения конических или сферических поверхностей 6 и 7. из-за надежного контакта и отсутствия зазора между ними (даже при перегреве на 300°C выше температуры плавления шихты). Таким образом, в рабочей области формируется замкнутый объем.
После завершения кристаллизации тигель легко разбирается на составные элементы благодаря наличию резьбовых соединений и отсутствию в них конденсата или расплава исходных компонентов. Кристалл извлекают из полости 2, образующей ростовую ячейку контейнера 1. Тигель вновь может быть использован для выращивания кристаллов.
2
2
2
Применимость тигля подтверждена успешными экспериментами по выращиванию кристаллов фторидов переходных металлов (фторида кобальта CoF, фторида никеля NiF, твердых растворов на их основе), фторида кадмия CdF.
Использование тигля заявляемой конструкции позволило снизить потери на испарение материалов до 3% по массе. Подтверждена возможность повторного многократного использования тигля для выращивания кристаллов.