Диссертация (1143290), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

Методы получения из расплава, дающие возможность получать крупные кристаллы при высоких скоростях роста по сравнению свыращиванием кристаллов из газовой среды или растворов, представляютсянаиболее перспективными.В зависимости от наличия тигля для проведения кристаллизации, методывыращивания делятся на бестигельные методы (метод Вернейля, метод плавающейзоны) и тигельные (методы Чохральского, Киропулоса, Степанова, БриджменаСтокбаргера, методы зонной плавки и горизонтальной направленной кристаллизации (ГНК)) [12-15].Выделят две группы методов роста кристаллов сапфира из расплава [12-15]:1.Методы получения кристаллов из расплава малого объема (методыВернейля, Степанова и зонной плавки);2.Методы получения кристаллов из расплава большого объема (методыКиропулоса, Чохральского, Бриджмена-Стокбаргера, ГНК).Масса расплава воздействует на особенности физико-химических процессов,протекающих в жидкой фазе [14, 15, 23].

Расплав может диссоциировать, а продукты распада испаряться в атмосферу. Для подобных материалов необходимо сократить время их пребывания в состоянии расплава (то есть кристаллы получают израсплава малого объема). Для веществ, взаимодействующих с материалом контейнера и атмосферой, должны выполняться аналогичные условия. Следует учитыватьразличие конвекционных условий для обеих групп методов. В случае большогообъема расплава конвективные потоки развиваются свободно, и конвективномупереносу вещества отводится важная роль [1, 24]. Для малого объема расплаваконвекция не играет такой роли, а масса переносится путем диффузии.В таблице 1.6 представлен сравнительный анализ методов выращивания монокристаллов сапфира.39Таблица 1.6 – Сравнение методов выращивания монокристаллов сапфираМетод1.МетодВернейля2.Методзонной плавкиДостоинстваНедостатки1.

Отсутствие тигля и связанных с нимтрудностей.2. Равномерность распределения легирующих примесей по длине кристалла.3. Рост кристалла в открытом муфеле с допустимостьюуправленияокислительновосстановительным потенциалом атмосферыкристаллизации изменением отношения H2/O2 впламени.4. Возможность добавления в кристаллогромного числа легирующих добавок и получения кристалла, части которого обладают разнымсодержанием примесей, рубиновых стержней ссапфировыми наконечниками.5. Простота технической реализации и малая себестоимость кристаллов.1.

Возможность регулировки содержанияпримесей одновременно с выращиванием.1. Высокиетемпературныеградиенты в зоне кристаллизации(30-100 град/мм), которые могутприводить к возникновению больших остаточных напряжений вкристаллах.2.МетодЧохральского1. Нет контакта со стенками контейнера.2. Возможность изменения диаметра растущего кристалла и визуального контроля роста.3.МетодГНК1. Постоянство площади расплава.2. Возможность получения монокристалловбольшого сечения, эффективного удаления примесей.3.

Возможность выполнения многократнойпредростовой перекристаллизации вещества, чтоможет способствовать очистке кристаллизуемого материала и может позволить уменьшить требования к чистоте исходных материалов (шихты).1. Большая скорость отвода тепла, что даетвозможность получать кристалл при большихскоростях.2. Высокая производительность.3. Возможность создания профилей сапфира, которые невозможно получить механическойобработкой.4.МетодСтепанова1. Малая производительность.2. Большая длительнось процесса.3. Большая стоимость.4.

Максимальные параметрылодочки – длина 50 см, толщина2-3 см, длина зоны расплава 5 см.1. Химическаянеоднородность получаемых кристаллов, заключающаяся в монотонном изменении состава вдоль направленияроста последовательных слоевкристалла.1. Наличие контакта выращиваемого монокристалла с контейнером, что может вызвать загрязнение расплава и появление в кристалле остаточных напряжений итрещин.2.

Малая толщина кристалла– до 50 мм.1. Выращивание кристаллов свысокой плотностью структурныхдефектов.Методы Киропулоса и Чохральского в настоящее время характеризуютсявысоким техническим уровнем, тем не менее они имеют ряд особенностей, которые не позволяют уменьшить стоимость кристаллов сапфира. К этим особенностям40можно отнести высокую стоимость ростового оборудования; технологическиесложности при выращивании кристаллов с большим диаметром кристаллографической ориентации (0001), которая является оптимальной для оптоэлектроники иоптики на базе нитрид-галлиевых структур; важность использования дорогого исходного материала (Al2O3) с высокой степенью чистоты (99,996 %). Многие изэтих недостатков не свойственны для метода ГНК.

Метод ГНК не требует дорогогои сложного оборудования, позволяет получать крупные кристаллы с любой кристаллографической ориентацией и применять дешевое сырье с большей концентрацией примесей из-за их эффективного испарения в процессе кристаллизациирасплава. Это позволяет увеличить размеры получаемых кристаллов, расширитьобласть их использования в науке и технике.По сравнению с другими методами метод ГНК имеет ряд преимуществ. Впервую очередь это проявляется в том, что высота расплава и площадь его остаются неизменными в течение всего процесса. Большая площадь расплава гарантируетпроцесс эффективного испарения примесей. В методе ГНК имеется возможностьконтроля визуально или с помощью оптических приборов процесса затравления играницы раздела фаз, что предоставляет хорошие возможности для автоматизациипроцесса [25, 26].Метод ГНК был предложен в Институте кристаллографии Российской Академии Наук (Москва, Россия) академиком Багдасаровым Х.С.

и получил развитиена Ванадзорском химическом заводе (Армения) и в Институте монокристаллов(Харьков, Украина). Данный метод лежит в основе технологии получения монокристаллического корунда. Метод ГНК широко используется и за рубежом –Швейцария, Чехия, США, Израиль и другие.Метод ГНК представляет собой сочетание элементов направленной кристаллизации и зонной плавки [27-37].

Если при обычном росте кристалла сапфира израсплава вся шихта расплавляется, то при методе ГНК между затравочным кристаллом и поликристаллическим агрегатом (шихтой) образуется локальная расплавленная область. Кристалл сапфира формируется при незначительном пере41движении этой области вдоль контейнера с шихтой в форме лодочки. Схема получения кристаллов сапфира методом ГНК представлена на рисунке 1.11.Рисунок 1.11 – Схема получения монокристаллов сапфира методом горизонтальной направленной кристаллизацией: 1 – затравка; 2 – кристалл; 3 – расплав;4 – нагреватель; 5 – контейнерВ данном случае сокращается время нахождения материала в состоянии расплава, что сокращает интенсивность термической диссоциации [38].

Тем не менее,ширина зоны расплава такова, что градиент температуры довольно большой. Этодает возможность лучше контролировать условия кристаллизации, так как при высоких температурных градиентах незначительное изменение подаваемой мощности меньше влияет на стабильность теплового поля на фронте кристаллизации, однако при образовании кристаллов при малых градиентах такое же изменение мощности ведет к нарушению постоянства тепловых условий.В последнее время наравне с методом Вернейля метод ГНК позволяет преодолевать дефицит в кристаллах сапфира для использования их в области высокотемпературной оптики и микроэлектроники [38-41].Основные характерные черты метода ГНК: проведение процесса кристаллизации в контролируемых условиях; исключение операции специального температурного отжига, поскольку температурное поле позволяет выращивать кристаллы с малым уровнем остаточныхнапряжений; возможность использования доступных материалов для создания температурного поля с необходимой конфигурацией;42 возможность проведения многократных перекристаллизаций исходного материала.Процесс получения монокристаллов сапфира включает в себя основные ивспомогательные технологические операции.К основным технологическим операциям относят: подготовку установки к проведению процесса роста кристаллов; получение расплава исходного материала; затравление и осуществление всего цикла кристаллизации; снижение температуры и съем готового монокристалла.К вспомогательным технологическим операциям включают: подготовку исходного вещества; изготовление и подготовку контейнера к процессу кристаллизации; наполнение контейнера исходным материалом; обработку и размещение затравочного кристалла; установку экранов и контейнера на вольфрамовую рамку.Важная особенность получения монокристаллов сапфира в отличие от процесса роста кремния заключается в том, что не совпадают температура плавления итемпература кристаллизации сапфира.

Температура плавления сапфира воспроизводится при различных скоростях нагрева, а температура кристаллизации сильноменяется в зависимости от скорости снижения температуры расплава. Определено[27, 39], что при кристаллизации в условиях, приближенных к равновесным (скорости падения температуры в расплаве около 1,0 К/мин), разница между температурой плавления и температурой кристаллизации составляет около 2,0 К 27, 39.Однако с ростом скорости охлаждения разница в температурах возрастает, и прискорости больше 15 К/мин разница в температурах становится более 60 К [28, 40].Это говорит о том факте, что расплав сапфира характеризуется фундаментальнойсклонностью к переохлаждению. В этом случае образование структуры формируемого кристалла будет осуществляться при сочетании последовательной и объемной кристаллизации 39-43.43Процесс роста монокристаллов сапфира методом ГНК проводился на установках СЗВН 155.320 цеха синтетических кристаллов общества с ограниченнойответственностью (ООО) “Завод “Кристалл” (Россия, г.

Характеристики

Список файлов диссертации