ВКР (1197942), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Однакоширокое распространение этот способ в промышленности не получил вследствиевозможного загрязнения расплава материалом футеровки печи.В работе [41] конструкция экрана представляла собой сферу, изготовленнуюиз платины. Автор работы [42] описывает кристаллизационную камеру,используемую для автоматизированного выращивания кристаллов НЛ, в которойприменен платиновый отражатель. В такой камере выращивались кристаллыдлиной до 70 мм и диаметром до 25 мм.Применение в кристаллизационных камерах массивной теплой зол яцион- нойфутеровки позволило выращивать кристаллы диаметром до 50 мм и длиной 70 мм[43]. Однако использование пассивной теплоизоляции не позволяет получатькристаллы большой длины из-за значительных осевых температурных градиентов,которые в свою очередь приводят к термическим напряжениям в кристалле и егорастрескиванию [44].8Несколько лучших результатов позволяет достичь использование активных(подогреваемых) экранов.
Например, в работах [45, 46] описываются камеры, вкоторых роль теплового экрана играет платиновый цилиндр, нагрев которогопроизводится от двух-трех дополнительных витков индуктора ВЧ-генератора. Этасистема экранировки удобна, так как не требует дополнительного нагревателя.Поэтому такой способ нашел применение в промышленной технологиивыращивания кристаллов НЛ.Однако нагрев экрана дополнительными витками индуктора приводит кнеоднородности теплового поля экрана. Дополнительную неоднородность создаеттакже присутствие смотрового окна. Возникающие при этом осевые и радиальныетермические градиенты приводят к возникновению в кристаллах НЛ упругихнапряжений, растрескиванию, а также к ухудшению однородности оптических иэлектрофизических свойств [46].Авторами работ [46, 47] проведены исследования температурного полярасплава в зависимости от расположения тигля в нагревателе.
Опускание тигля внагреватель приводит к понижению устойчивости режима выращивания. Приположении тигля ниже торцовой кромки нагревателя на 5,0 - 20,0 мм выраститькристаллы с постоянным диаметром представляет значительные трудности.Малейшие изменения скорости вращения и подъема затравки отражаются надиаметре були. Установка тигля выше торцовой кромки нагревателя на 5,0-15,0мм делает режим более устойчивым, менее чувствительным к изменениюпараметров роста и окружающей среды.Однако авторы не учитывали влияние опускания уровня расплава в тигле впроцессе вытягивания кристалла на устойчивость режима роста. Характерконвекционных потоков в расплаве меняется в процессе роста кристалла.
В началепроцесса конвекционные потоки определяются только свободной конвекцией имало зависят от вращения кристалла. На заключительных стадиях процессасвободнаяконвекцияподавляетсявынужденной.Изменениехарактераконвекционных потоков меняет форму поверхности фронта кристаллизации - от9выпуклой до вогнутой. Авторы связывают это изменение с опусканием расплава втигле [48].Влияние на осевой температурный градиент таких исходных факторов, какрасположение тигля в индукторе, теплоотвод в окружающее пространство,глубина расплава в тигле, скорость вращения и вытягивания, рассматривается вкнигах [32, 49].Кристаллы ниобата лития выращивались со скоростями от 3 до 8 мм/ч.Нижний и верхний пределы скорости вытягивания определяются чистотойисходного сырья.
Многие исследователи считают, что начальный осевой градиент50-100 К/см и скорость вращения 15-40 об/мин обеспечивают при вышеуказаннойскорости вытягивания плоскую границу раздела фаз и исключают возникновениеячеистого роста кристалла.Для предотвращения растрескивания кристалла рекомендуются такие приемы:1) отрыв кристалла от расплава производить путем небольшого повышениятемпературы расплава без изменения скорости вытягивания;2) охлаждение кристалла осуществлять плавно в течение 7-10 ч дотемпературы 600 °С и далее инерционно до комнатной температуры;3) кристалл вынимать из камеры только после полного его охлаждения,поскольку на поверхности охлаждаемого кристалла вследствие пироэффектавозникают достаточно большие статические заряды, которые стекают череззаземленный платиновый кристаллодержатель или нейтрализуются ионами,содержащимися в окружающей среде [50, 51, 52].Недостатком практически всех ростовых систем для выращивания кристалловНЛ является обязательное наличие достаточно больших размеров (3-6 см2)смотрового окна, необходимого для визуального контроля диаметра растущегокристалла.
Наличие такого окна существенно увеличивает нестабильностьтепловых условий на фронте кристаллизации из-за флуктуаций температурыгазовой среды над расплавом, достигающих амплитуды примерно 40 °С [53].Термическая нестабильность может привести в отдельных случаях крастрескиванию растущего кристалла, поскольку НЛ имеет довольно узкую10область пластичности [54]. Даже если кристалл остается целым, присутствиесмотрового окна больших размеров ведет к нелинейному распределениютемпературы вдоль оси вытягивания кристалла и тем самым увеличивает влияниенеконтролируемых факторов на процесс роста кристалла.
Температурныефлуктуации на границе роста кристалла оказывают существенное влияние нахимический состав выращенного кристалла. Указанные флуктуации могутпривести к постепенному переходу от кристаллизации со стабильной плоскойповерхностью к гранному росту [55]. Например, уменьшение температурногоградиента над расплавом при вытягивании кристалла может привести кконцентрационномупереохлаждению,образованиюячеекнафронтекристаллизации и, в конечном счете, к несовершенству синтезированного образца.Образование ячеистой структуры кристалла при переохлаждении расплава можетбыть объяснено имеющимися в расплаве примесями [56]. Образование ячеистойструктуры в кристаллах НЛ наблюдается также и при отсутствии контролируемыхпримесей [50].
Концентрационное переохлаждение при вытягивании кристалловНЛ из номинально чистого расплава может возникнуть при выращиваниикристаллов из расплава, отличного от конгруэнтного состава, так как в этомслучае избыточные компоненты кристаллизуемого соединения играют рольпримеси.Другим наиболее распространенным типом дефекта, тесно связанного сфлуктуациями температуры на фронте кристаллизации, являются полосы роста,которые независимо от кристаллографического направления выращиваниякристалла всегда перпендикулярны направлению его выращивания. Полосы ростасвязываютсяглавнымобразомсослоистымраспределениемпримеси,возникающим из-за нестабильности режима выращивания. Образование полосроста в отсутствие примесей в НЛ может быть вызвано отклонением химическогосостава на фронте кристаллизации вследствие микроскопических вариацийскорости роста кристалла.Получение кристаллов без полос роста возможно при сравнительнонебольших градиентах температуры над расплавом и высокой стабильности11температуры расплава (0,2-0,3 °С) [50].
Применение конгруэнтного состава длявыращивания монокристаллов позволяет избежать многих факторов, влияющихна качество кристалла.Для конгруэнтного расплава составы расплава и кристалла идентичны, так каккоэффициент распределения примеси k - 1. Затвердевший кристалл имеет состав,соответствующий составу расплава. Состав кристалла и состав расплаванезависимы от затвердевшей фракции расплава.
Поэтому состав кристалла вдольнаправления роста будет оставаться постоянным даже для длинных буль. Крометого, состав такого кристалла будет относительно независимым от малыхтемпературных флуктуаций и изменений скорости роста. Например, флуктуациитемпературы во время роста могут перевести кристалл в расплав и затем повторнозакристаллизовать расплав на поверхности роста, но так как состав кристаллаидентичен составу расплава, то это не приведет к изменениям в составе кристалла.Аналогично, изменение скорости роста не будет приводить к композиционнымизменениям, но изменения в составе кристалла могут иметь место, если расплавизменяется из-за предпочтительного испарения одного из компонентов.Экспериментально установлено, что испарение лития за время роста одной булинезначительно.
Однако этот фактор необходимо учитывать, если несколько бульбыли выращены из одного и того же расплава или если тигель с расплавом послепроведения процесса выращивания был дополнен вместо замены расплаваполностью.Кристаллы, выращенные из конгруэнтного расплава, — более высокогооптического качества и имеют более низкие вариации двойного лучепреломлениявдоль направления роста по сравнению с кристаллами, выращенными изстехиометрического расплава.В процессе выращивания контролируют температуру тигля, скоростьвытягивания кристалла из расплава и перемешивание расплава при вращениивытягиваемого кристалла или тигля.
Конструктивные особенности установкипризваны обеспечить требуемую форму тепловых полей вблизи границы роста,12регулировать тепловые потери в области выхода кристалла из расплава и череззажимный патрон, держащий затравочный кристалл.Для инициирования роста кристалла затравочный кристалл опускают врасплав, плавно уменьшают его температуру и начинают вытягивать кристалл израсплава.
Поскольку в большинстве модификаций метода Чохральского скрытаятеплота кристаллизации выделяется главным образом за счет тепловогоизлучения, интенсивность которого определяется излучающей площадью итемпературой окружающей среды, диаметр кристалла зависит от соотношениямежду скоростью вытягивания и характером температурных полей. Влияниеповерхностного натяжения относительно мало при нахождении границы ростазначительно выше или ниже уровня расплава.Обычно в качестве материала тигля, в котором расплавляют кремний,используют (температура размягчения около 1600 °С). Легирующие примеснрастворяют в расплаве, и до начала кристаллизации расплав гомогенизируют.Кристаллизацию проводят в вакууме в среде инертного газа. Кристаллывытягивают со скоростью см/с и вращают с частотой 10-40 об/мин.
Частоодновременно осуществляют вращение тигля в противоположном направлении.Методом Чохральского выращивают слитки диаметром до 30 см и длиной донескольких метров.Выращивание номинально чистых (с разным отношением Li/Nb) а такжелегированных монокристаллов ниобата лития с заданными физическимихарактеристикамиивысокогоструктурногосовершенства,представляетзначительные сложности за счет неоднозначного влияния разных физикохимических и технологических факторов на структуру кристалла [57, 58]. Длявыращивания монокристаллов ниобата лития разного состава, исследованных врассматриваемой работе использовалась оригинальная гранулированная шихтаниобата лития (ТУ 0.027.039), синтезированная в лаборатории ИХТРЭМС КНЦРАН.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
