Групові методи вирощування профільованого сапфіру

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут монокристалів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

05.02.01 - матеріалознавство

Групові методи вирощування профільованого сапфіру

Андрєєв Євгеній Петрович

Харків - 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті монокристалів НАН України, м. Харків

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Литвинов Леонід Аркадійович, Інститут монокристалів НАН України, завідувач відділу

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Змій Віктор Іванович, ННЦ ХФТІ Інститут фізики твердого тіла, матеріалознавства та технологій НАН України, начальник лабораторії

доктор технічних наук, професор Мигаль Валерій Павлович, Національний Аерокосмічний Університет ім. М.С. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти та науки, професор кафедри фізики

Провідна установа: Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України м. Київ, відділ синтезу та кристалізації монокристалів алмазу та кубічного нітриду бора

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат фізико-математичних наук М.В. Добротворська

Анотація

Андрєєв Є.П. Групові методи вирощування профільованого сапфіру. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - матеріалознавство. - Інститут монокристалів НАН України, Харків, 2005.

Дисертація присвячена дослідженню і розробці групових методів вирощування профільованого сапфіру. Досліджено вплив умов вирощування і відпалу на структурну досконалість профільованого сапфіру. Встановлено зв'язок кількості і розподілу пір в кристалах з конструкцією капілярної системи формоутворювача, кращі за якістю кристали одержані на формоутворювачах, що мають мінімальну кількість живлячих каналів. Вперше встановлено, що руйнування формоутворювачів з багатоканальним підживленням зони зростання відбувається по межах зіткнення потоків розплаву і носить кавітаційний характер. Вперше запропоновано коаксіальний спосіб вирощування групи профілів, розраховано теплові умови в системі коаксіальних сапфірових трубок і знайдена можливість поліпшення якості внутрішніх профілів залежно від кількості зовнішніх профілів. Запропоновано ряд способів вирощування профільованих кристалів для отримання виробів з дном високої оптичної якості. Розроблено спосіб автоматичного затравлення, заснований на тепловому розширенні елементів технологічного оснащення, який виключає суб'єктивний чинник і випадкове пошкодження формоутворювачів. Запропоновано конструкції тигля і капілярної системи із знімними формоутворювальними насадками, які значно знижують витрати тугоплавких металів. Розроблено ефективний спосіб очищення молібденових і вольфрамових деталей технологічного оснащення від корунду для відновлення їх працездатності.

Ключові слова: сапфір, профільовані кристали, формоутворювач, пори, розплав, структурна досконалість, технологічне оснащення, теплова зона, коаксіальне вирощування.

Аннотация

Андреев Е.П. Групповые методы выращивания профилированного сапфира. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - материаловедение. Институт монокристаллов НАН Украины, Харьков, 2005.

Диссертация посвящена исследованию и разработке групповых методов выращивания профилированного сапфира. Исследовано влияние условий выращивания и отжига на структурное совершенство профилированного сапфира.

Установлено, что скопления пор в кристаллах образуются над местами встречи и взаимодействия потоков расплава в зоне кристаллизации и связано с конструкцией капиллярной системы формообразователя. Лучшие по качеству кристаллы получены на формообразователях, имеющих минимальное количество питающих каналов.

Впервые установлено, что разрушение формообразователей с многоканальной подпиткой зоны роста происходит по границам столкновения потоков расплава. Характер взаимодействия потоков расплава при их столкновении может быть объяснен по аналогии с известным явлением, получившим название межфазной турбулентности. Скорости движения потоков расплава из капилляров отличаются по величине и направлению. Благодаря вязкости расплава потоки подтормаживают друг друга на границе их слияния, в силу разно направленных векторов скоростей. Образуются пары сил, вращающие слои потоков, что приводит к образованию вихрей. То есть в пленке расплава возникают зоны, в которых течение расплава носит турбулентный характер, что приводит в конечном итоге к кавитации. С уменьшением шероховатости формообразующей поверхности с R_a=4мкм до R_a=0.25мкм стойкость к разрушению возрастает более чем на порядок, а общее количество пор в кристалле уменьшается.

Впервые предложен коаксиальный способ выращивания группы профилей и рассчитаны тепловые условия в системе коаксиальных сапфировых трубок. Показано, что внутренние трубки растут в более благоприятных тепловых условиях, чем наружные, что позволяет снизить дефектность и термоупругие напряжения, полностью исключить разностенность одновременно выращиваемых профилей и повысить их оптическую прозрачность.

Предложена методика выращивания с последующим отжигом в насыщенных парах оксида алюминия в среде с восстановительным химическим потенциалом е - 50 кДж/моль, позволяющая устранить центры окраски и включения инородной фазы, вызванные анионной расстехиометрией кристалла и неконтролируемыми примесями в исходном сырье. Это позволило получить методом Степанова лейкосапфировые стержни оптического качества длиной до 1000 мм и диаметром больше 12 мм.

Предложен ряд способов выращивания профилированных кристаллов с использованием одного или двух формообразователей для получения изделий с плоским дном и высокого оптического качества. Применение формообразователя с двумя формозадающими поверхностями позволило выращивать сапфировые изделия в виде лодочки с постоянным поперечным сечением внутреннего объема по всей длине изделия.

Разработан способ автоматического затравления, который основан на тепловом расширении элементов оснастки, исключающий субъективный фактор и случайное повреждение формообразователей.

Разработан способ, повышающий точность контроля и стабильность толщины пленки расплава в зоне роста за счет создание вспомогательной (демпферной) пленки между формообразователем и пучком капилляров, что позволило улучшить геометрию выращиваемых кристаллов. Для наблюдения за процессом кристаллизации предложена оптическая система телекамеры, позволяющая получать качественное изображение зоны роста на экране монитора с увеличением от 5^х до 30^х.

Предложена конструкция тигля и капиллярной системы со съемными формообразующими насадками, что дало возможность унифицировать технологическую оснастку для выращивания сапфировых профилей и снизить расход тугоплавких металлов при ее изготовлении.

Разработан эффективный способ очистки формообразователей и других элементов технологической оснастки, изготовленных из молибдена или вольфрама, от корунда для восстановления их работоспособности. Способ основан на термическом травлении корунда в углеродосодержащей среде. Эмпирически установлено, что для полной очистки формообразователей, необходим отжиг в течение 10-15 минут при 2070-2100°С.

Ключевые слова: сапфир, профилированные кристаллы, формообразователь, поры, расплав, структурное совершенство, технологическая оснастка, тепловая зона, коаксиальное выращивание.

Annotation

Andreev Y.P. Group methods for the growth of shaped sapphire. - Manuscript.

Thesis for the degree of Candidate of Technical Sciences in specialty 05.02.01 - Material Sciences. - Institute for Single Crystals of NAS of Ukraine, Kharkiv, 2005.

The thesis is devoted to investigation and development of group methods for the growth of shaped sapphire. The influence of the conditions of crystal growth and annealing on the structure perfection of shaped sapphire is studied. Established is a relation between the quantity and distribution of pores in the crystals and the design of the shaper capillary system. The crystals with higher quality are obtained using the shapers with minimal number of feeding channels. For the first time it is found that destruction of the shapers with multi-channel replenishment of the growth zone takes place along the boundaries of melt flow collisions and is of cavitational character. For the first time, a coaxial method for growing a group of profiles is proposed, calculated are the thermal conditions in the system of coaxial sapphire tubes and found is the possibility to improve the quality of inner profiles depending on the quantity of outer ones. A number of methods are proposed for the growth of shaped crystals for the obtaining of articles with bottom of high optical quality. Developed is a method of automated seeding based on thermal expansion of the equipment components which excludes subjective factors and occasional damage of the shapers. Proposed is the design of the crucible and the capillary system with removable shaping gadgets which essentially diminishes consumption of high-melting metals. An efficient method is proposed for purification of molybdenum and tungsten components of the technological equipment from corundum which restores their normal operation.

Key words: sapphire, shaped crystals, shaper, pores, melt, structure perfection, technological equipment, thermal zone, coaxial growth.

1. Загальна характеристика роботи

профільований сапфір тепловий

Актуальність теми. Розвиток науки і сучасних технологій немислимий без використовування сапфіру. Квантова електроніка і високотемпературна оптика, медицина і атомна енергетика, СВЧ-техніка і машинобудування, ось далеко не повний перелік областей їх застосування. Такий широкий спектр використовування сапфіру пов'язаний з унікальністю його фізико-хімічних властивостей: високою температурою плавлення, оптичною прозорістю в широкому діапазоні довжин хвиль, високою механічною міцністю, хімічною інертністю і цілим рядом інших.

Сапфір в даний час вирощують методами Вернейля, Чохральського, Киропулоса, горизонтальної спрямованої кристалізації (ГСК) і методом Степанова (EFG). Вибір методу вирощування визначається технічними параметрами необхідних кристалів (оптичними, геометричними та іншими).

Кристали застосовують у вигляді деталей визначеної, іноді дуже складної, форми (стрижні, трубки, профілі різних перетинів). Виготовлення таких виробів методом механічної обробки - процес тривалий і дорогий. Тому однією з основних задач є отримання кристалів заданої форми і високої структурної досконалості. Практично єдиним методом, що дозволяє управляти в широких межах формою вирощуваних кристалів, є метод Степанова. До того ж їм можна одночасно вирощувати групу кристалів (до декількох десятків штук), що значно збільшує продуктивність процесу.

Зростають вимоги до оптичних характеристик профільованого сапфіру, які багато в чому визначаються конструкцією елементів теплової зони, технологічного оснащення (тиглі, формоутворювачі, екрани) та технологічними параметрами процесу вирощування. Значний вплив на оптичні характеристики профільованого сапфіру роблять центри забарвлення. Закономірності їх утворення і руйнування вимагають подальшого вивчення.

Існуючі конструкції оснащення не забезпечують повноти рішення проблем якості профільованого сапфіру, зниження матеріалоємності і енергоємності технологічного процесу. Не розглянуто вплив чистоти обробки поверхні формоутворювача на його довговічність та якість вирощуваних кристалів . Все це робить актуальним дослідження процесів утворення та розподілу дефектів, а також вдосконалення відомих і розробку нових високопродуктивних технологій вирощування профільованих кристалів високої якості.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, які проведені в дисертаційній роботі, є складовою частиною науково-дослідних розробок, пов'язаних з держбюджетними темами Інституту монокристалів НАН України: “Штандарт-2” (2000-2002 р.), постанова Бюро ВФ ТПМ НАН України від 20.06.00 р., протокол №11; “Шипшина” (2003-2004 р.), постанова Бюро ВФ ТПМ НАН України від 24.06.03, протокол № 9; “Шанс” (2003-2004 р.), Наказ МОН від 01.04.03 р. № 197; “Шарада” (2004 р.), рішення НТР НДВ ОКК від 07.11.03 р., протокол № 12.

Метою роботи є встановлення закономірностей формування структури і властивостей профільованого сапфіру при вирощуванні груповими методами, визначення впливу умов вирощування і відпалу на структуру і фізичні властивості профілів, а також розробка способів управління тепловими умовами в зоні зростання.

Задачі дослідження:

1. Дослідження впливу умов вирощування і відпалу на структурну досконалість при груповому вирощуванні профільованого сапфіру.

2. Дослідження впливу характеру організації потоків розплаву в зоні кристалізації на розподіл пір в кристалах.

3. Вивчення впливу чистоти обробки робочої поверхні формоутворювача на його довговічність та якість вирощуваних профілів.

4. Розробка способів вирощування, створення конструкцій тиглей, формоутворювачів і капілярних систем, що дозволяють вирощувати профілі високої структурної досконалості.

Об'єктом дослідження є процес вирощування профільованих монокристалів сапфіру методом Степанова.

Предметом дослідження є теплові умови в зоні зростання, утворення та розподіл структурних дефектів при груповому вирощуванні методом Степанова і його різновидами сапфірових профілів.

У роботі було застосовано такі методи дослідження:

Методом оптичної мікроскопії в досліджуваних зразках вивчалась наявність і розподіл інофазних включень. Блоковість кристалів досліджувалася в поляризованому світлі, а структурна досконалість на трьохкристальному рентгенівському дифрактометрі. Спектри оптичного поглинання досліджувалися на спектрофотометрі КСВУ-2, а на інтерферометрі ІКД-101 досліджувалася оптична однорідність кристалів. Величина малокутового розсіяння вимірювалася нефелометром ЮС-94 з погрішністю не більш 15%, наявність розсіяння світла під великими кутами контролювалася візуально, пропускаючи через кристал промінь гелій-неонового лазера. Орієнтація кристалів досліджувалася рентгенографічним методом.

Наукова новизна роботи полягає в таких вперше встановлених положеннях:

- Доведено, що кількість і розподіл пір в профільованих кристалах визначається параметрами організації подачі розплаву в зону кристалізації (кількістю живлячих каналів, капілярним тиском, швидкістю подачі розплаву); кращі за якістю кристали одержані на формоутворювачах, що мають мінімальну кількість живлячих каналів.

- Встановлено, що руйнування робочої поверхні формоутворювачів з багатоканальним підживленням зони зростання відбувається по межах зіткнення потоків розплаву.

- Запропоновано кавітаційний механізм руйнування робочої поверхні формоутворювачів при багатоканальному підживленні розплавом зони зростання, який полягає у тому, що швидкості потоків розплаву з капілярів відрізняються по величині і напрямку. Завдяки в'язкості розплаву потоки пригальмовують один одного на межі їх злиття, це приводить до утворення вихорів і виділення розчинених в розплаві газів, що викликає кавітацію і руйнування формоутворювачів.

- Запропоновано коаксіальний спосіб вирощування групи профілів, розраховані теплові умови в системі коаксіальних сапфірових трубок і знайдена можливість покращення якості внутрішніх профілів залежно від кількості зовнішніх профілів.

- Встановлено, що управляти структурною досконалістю кристалів при їх вирощуванні можливо шляхом регулювання ступеня агрегації розплаву перед фронтом кристалізації; ступенем агрегації можна управляти зміною концентрації домішки і величини переохолодження розплаву.

Практична цінність. Результати досліджень можуть бути застосовані в технології вирощування профільованих кристалів. Зокрема:

- розроблено технічні рішення, що дозволяють одержувати сапфірові стрижні завдовжки до 1000 мм і діаметром більш ніж 12 мм оптичної якості з приповерхневим дефектним шаром не більш 0,4 мм;

- запропоновано способи вирощування профільованих кристалів для отримання виробів у вигляді тиглів з дном високої оптичної якості;

- розроблено спосіб, що підвищує точність контролю товщини плівки розплаву в зоні вирощування та покращує геометрію кристалів;

- розроблено спосіб автоматичного затравлення, заснований на температурному розширенні елементів оснащення, який виключає суб'єктивний чинник і випадкове пошкодження формоутворювачів;

- запропоновано конструкцію тиглю і капілярної системи із знімними формоутворювальними насадками, яка значно знижує витрату тугоплавких металів;

- розроблено ефективний спосіб очищення молібденових і вольфрамових деталей технологічного оснащення від корунду для відновлення їх працездатності.

Впровадження. Теоретичні і експериментальні дослідження, технологічні прийоми і технічні рішення, приведені в даній роботі, впродовж багатьох років використовуються в НТК “Інститут монокристалів” і дослідному виробництві при виконанні НДР і контрактів з фірмами Японії, США, Німеччини.

Особистий внесок здобувача. Експериментальна частина по вирощуванню кристалів та постановка задач, які були вирішені в дисертаційній роботі, виконані за безпосередній участі здобувача. В роботах по дослідженню структурної досконалості залежно від умов вирощування і відпалу кристалів [1-4, 16], а так само в роботі по розрахунку теплових умов при коаксіальному способі вирощування [5] автору належить постановка задачі і узагальнення одержаних результатів. В роботах [17-19] по дослідженню розподілу пір в кристалах і механізму руйнування робочої поверхні формоутворювача експериментальна частина роботи проведена здобувачем особисто, а узагальнення отриманих результатів проведена з науковим керівником досліджень та співавторами. У запропонованих способах вирощування, автоматизації процесу затравлення і конструкціях технологічного оснащення [6-15] автору належать основні технічні рішення і експериментальне втілення. Усі експериментальні результати здобувачем отримані самостійно або за його безпосередній участі, експериментальні дані оброблені і проаналізовані самостійно.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації докладалися на:

- III Всесоюзній конференції “Стан і перспективи розвитку методів отримання монокристалів”, м. Харків, 18-19 жовтня, 1985 р.

- Всесоюзній нараді по отриманню профільованих кристалів і виробів способом Степанова і їх застосуванні в народному господарстві, м. Ленінград, ФТІ, 1986 р.

- Другій науково-технічній нараді “Прогресивні методи створення оптичних елементів”, м. Мінськ, ІФ АН БССР, 1987 р.

Х Національній конференції по росту кристалів, м. Москва, 24-29 листопада 2002 р.

- XIV Міжнародній конференції по росту кристалів, м. Гренобль (Франція), 2004 р.

Публікації. Основний зміст дисертації відображений у 19 друкарських роботах, серед них: 5 статей у наукових журналах, 4 тези докладів у матеріалах міжнародних наукових конференцій та 10 авторських свідоцтв і патентів.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку цитованої літератури та додатку. Робота займає 132 сторінки машинописного тексту та містить 69 малюнків, 9 таблиць. Література налічує 113 найменувань джерел вітчизняних та закордонних авторів.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, вказано мету і позначено основні задачі дослідження, показано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів. Також коротко викладено відомості про апробацію результатів, публікації.

У розділі 1 розглянуто варіанти методу Степанова і його різновидностей: метод EFG (edge-defined film-fed growth), метод CAST (capillary action shaping technique), перевернений метод Степанова (Inverted Stepanov Technique), метод варіаційного формоутворення, GES (growth from an element of shape) -метод та метод не капілярного формоутворення NCS (non capillary shaping method). Не зважаючи на різноманіття існуючих різновидів методу Степанова, він себе далеко ще не вичерпав. Розвиток сучасних передових технологій ставить задачу не тільки отримання окремих монокристалічних виробів складної конфігурації, але і вирощування цільних вузлів. У зв'язку з цим актуальним є вдосконалення існуючих і розробка нових варіантів способів вирощування профільованих монокристалів.

Аналіз теоретичних досліджень показав, що основні схеми методу Степанова в даний час математично описані досить добре, про що свідчить велика кількість літератури з цього питання. Проте різноманіття технічних рішень вирощування кристалів цим методом робить актуальним теоретичні опрацьовування конкретних існуючих і варіантів вирощування, які розроблюються.

Розглянуто різні варіанти конструкцій ростового устаткування і теплових вузлів. Проаналізовано вплив конструкції тиглей, капілярних систем, формоутворювачів на якість вирощуваних кристалів, а також способи контролю процесу вирощування.

З огляду виходить, що проблема створення високопродуктивної технології вирощування сапфірових профілів у всіх її аспектах повністю не розв'язана. Дана постановка задачі і основні напрями дослідження.

розділ 2 присвячений методиці експерименту. Для вирощування профільованого сапфіра використовувалися установки “Кристал-606” з індукційним нагрівом та використанням машинного або тиристорного генератора з частотою 8000 Гц. Досліджено вплив матеріалу і геометричних розмірів графітного концентратора на технічні параметри теплової зони. Показано, що для виготовлення графітного концентратора краще використовувати матеріали на піровуглецевій основі типа ГСП. Основна перевага концентраторів з графіту ГСП - відсутність механічного руйнування (обсипання) і втрати геометричної форми, що в значній мірі забезпечує постійність електричних параметрів в процесі експлуатації.

Описана система теплових екранів, що дозволяє ефективно управляти тепловими градієнтами уздовж тигля і на торці формоутворювача в зоні росту кристалів. Вона складається з пакету молібденових екранів різної товщини і конфігурації.

Досліджено причини і розроблено методи усунення оплавлення тигля. Основними причинами оплавлення тигля є: рекристалізація стінок тигля, масоперенос в середині технологічної зони, обумовлений тепловою конвекцією, зменшення зазору між тиглем і концентратором менше 10 мм, перегрів нижньої частини тигля внаслідок втрати концентратором своїх теплофізичних параметрів.

Для спостереження за ростом кристалів розроблено та описано оптичну систему телевізійної камери, яка дозволяє одержувати якісне зображення зони росту на екрані монітора із збільшенням від 5^х до 30^х.

У розділі 3 досліджено залежність властивостей профільованого сапфіру від умов отримання. Управління структурною досконалістю кристалів при груповому вирощуванні має деякі особливості, що пов'язані з розташуванням кристалів в групі. У кристалах досліджувалася густина і розподіл дислокацій, блоковість, домішкова полосчатість. Крім того варіювалися градієнт температури (100ч400 град/см), ступінь переохолодження розплаву і час витримки його перед початком процесу кристалізації (від 10 мін. до 2 годин). Для всіх даних випадків середня густина дефектів змінюється трохи, проте в межах одного вирощування густина дефектів може змінюватися від кристала до кристала.

Істотне значення при груповій кристалізації набуває симетрія теплового поля. При вирощуванні шести або восьми кристалів у разі симетричного розташування їх щодо осі тигля кристали практично ідентичні, якщо ж кристали розташовані не симетрично щодо осі тигля, то кристали в центрі більш досконалі, ніж на периферії.

Показано, що управління структурною досконалістю при вирощуванні кристалів зводиться до управління не тільки утворенням дефектів за фронтом кристалізації, але і процесом агрегації розплаву перед фронтом кристалізації. Ступенем агрегації можна управляти концентрацією домішки і розміром переохолодження розплаву.

Переважним напрямом кристалізації є [110]. Лейкосапфірові стрижні діаметром 14 мм, вирощені в цьому напрямі із швидкістю 30 мм/ч, мають оптичну якість, приповерхневий дефектний шар не перевищує 0,4 мм.

Підвищення густини вакансій, характерне для профільованого сапфіру, особливо поблизу міхурів, може привести до утворення центрів забарвлення, зокрема R - центрів. У таких кристалах збільшується вірогідність об'єднання двох і трьох вакансій, які при захопленні одного або декілька електронів утворюють різне заряджені М- та R - центри. Показано, що центри забарвлення і включення чужорідної фази, викликані аніонною розстехіометрією кристала і неконтрольованими домішками в початковій сировині, усуваються відпалом в насичених парах оксиду алюмінію в середовищі з відновним хімічним потенціалом е - 50 кДж/моль.

Досліджено закономірності розподілу пір в профільованому сапфірі. Розподіл пір в кристалах визначається конструкцією капілярної системи формоутворювача. Кращі за якістю кристали одержані на формоутворювачах, що мають мінімальну кількість живлячих каналів. При зменшенні рівня розплаву в тиглі і зменшенні швидкості витягання, кількість пір в кристалах зменшується.

Руйнування формоутворювачів при багатоканальному підживленні зони росту відбувається по межах зіткнення потоків розплаву і носить кавітаційний характер. Із зменшенням шорсткості формоутворювальної поверхні з R_а = 4,0 мкм до R_а = 0,25 мкм стійкість до руйнування зростає більш ніж на порядок, а загальна кількість пір в кристалі зменшується.

У розділі 4 описано способи управління тепловими умовами в зоні росту при груповому вирощуванні профільованого сапфіру (коаксіальне вирощування і вирощування сумісне з сапфіровим відбивачем, що росте разом з кристалами). Особливістю коаксіального методу є коаксіальне розташування формоутворювачів щодо один одного і теплової осі зони росту. Таке розташування дозволяє створити для внутрішніх кристалів більш рівномірне теплове поле, оскільки кожен профіль служить тепловим екраном для сусіднього профілю. Використовування однієї затравки для всіх кристалів гарантує збереження заданої орієнтації і економить матеріал затравки. Коаксиальність один одному і аксиальність тепловій осі зони росту дозволяють вести процес в однорідному по перетину кожного кристалу тепловому полі.

Теоретично досліджено випадок одночасного вирощування трьох концентричних тонкостінних сапфірових трубок в припущенні, що трубки непрозорі і вісь трубок суміщена з віссю симетрії теплового поля.

При виведенні системи рівнянь (1) передбачалося, що внутрішні порожнини обмінюються випромінюванням і обмежені знизу дзеркально відбиваючою поверхнею. Розрахунки показали, що внутрішні трубки ростуть в сприятливіших умовах, ніж зовнішні, оскільки значення градієнтів температури і других похідних температур уздовж осі z для них у декілька разів менше. А, як відомо, всі компоненти тензора напруг можуть бути виражені в деякому наближенні через другі похідні від температури по z, що справедливе для кристалів різної форми. У вирощених з коаксіальним розташуванням сапфірових трубках різностінність не спостерігається, термопружні напруги в трубках виходять менше, якщо вони захищені зовнішніми трубками.

Для вирощування груп кристалів з метою зменшення асиметрії теплового поля в зоні росту розроблено спосіб вирощування групи профілів спільно з тепловим сапфіровим екраном, що росте разом з кристалами. Висота додаткового формоутворювача 5 менше висоти основних формоутворювачів 4 на 0,01-0,03 чисельного значення температурного градієнта на фронті кристалізації. Зазор між зовнішньою поверхнею основного формоутворювача 4 і додаткового 5 дорівнює 2-5 мм.

Використовування запропонованих способів групового вирощування дозволяє повністю виключити різностінність одночасно вирощуваних виробів.

розділ 5 присвячений опису розроблених конструкцій тиглів, формоутворювачів, капілярних систем, а також способів підвищення точності контролю процесу вирощування кристалів і вирощування профілів складних форм.

Для стабілізації положення фронту кристалізації при температурних флуктуаціях розплаву в тиглі розроблено спосіб створення демпферного шару розплаву під дном формоутворювача. Суть його полягає в створенні і контролі двох плівок над і під формоутворювачем (демпферна плівка). При збільшеннях температури товщина плівки розплаву, що розташована між кристалом і верхнім торцем формоутворювача, прагнутиме збільшуватися за рахунок підплавлення кристала. Проте цього не відбудеться, оскільки в той же самий час товщина демпферного шару під формоутворювачем буде зменшуватися. Із збільшенням температури зменшується питома вага розплаву, зменшується гідродинамічна сила, що утримує формоутворювач на поверхні демпферного шару розплаву. У разі зменшення температури товщина плівки розплаву між кристалом і верхнім торцем формоутворювача прагне зменшитися, а товщина демпферного шару збільшитися.

Завдяки одночасної але різноспрямованої дії цих чинників положення фронту кристалізації ні в тому, ні в іншому випадку не зміниться, що є важливою умовою отримання досконалих кристалів.

Для виключення суб'єктивного чинника в процесі затравлення і вирощування кристалів, підвищення довговічності технологічного оснащення розроблено спосіб автоматичного затравлення. Він заснований на використовуванні ефекту теплового лінійного розширення елементів технологічного оснащення. Затравка встановлюється над формоутворювачем із зазором, рівним відносному тепловому подовженню елементів технологічного оснащення. При появі розплаву на торці формоутворювача зазор зменшується до нуля і відбувається торкання затравки торця формоутворювача. Спосіб простий і надійний в реалізації. При правильному виборі величини зазору неможливо пошкодити формоутворювач.

Розроблено конструкцію тигля і капілярної системи із знімними формоутворювальними насадками, яка значно знижує витрати тугоплавких металів. Перевагою пристрою є також його універсальність при вирощуванні кристалів різної форми, що дозволяє легко замінювати одну формоутворювальну насадку на іншу.

Запропоновано три способи і пристрій для групового вирощування профільованих кристалів з внутрішньою порожниною для отримання виробів з дном не тільки різної конфігурації, але і високої оптичної якості.

Розроблено спосіб очищення молібденових (вольфрамових) формоутворювачів від корунду, який дозволяє видаляти корунд з отворів діаметром менше 1 мм. Фізико-хімічна суть способу заснована на термічному травленні кристала корунду в вуглець утримуючому середовищі в результаті взаємодії окислу вуглецю з продуктами випаровування корунду (алюмінієм і киснем) та їх відведенням від поверхні кристала (розплаву).

Емпірично встановлено, що для повного очищення формоутворювачів, тривалість відпалу дорівнює 10-15 хвилин при 2070-2100°С.

Висновки

У дисертації встановлено закономірності формування структури і властивостей профільованого сапфіру, а також вплив умов вирощування та відпалу на структурну досконалість сапфірових профілів, які вирощувались різними груповими методами.

Встановлено, що розподіл пір в профільованих кристалах визначається параметрами організації подачі розплаву в зону кристалізації: кількістю живлячих каналів, капілярним тиском, швидкістю подачі розплаву. При зменшенні рівня розплаву в тиглі (капілярного тиску) і зниженні швидкості витягання кількість пір в кристалах зменшується.

Запропоновано методику вирощування з подальшим відпалом в насичених парах оксиду алюмінію в середовищі з відновним хімічним потенціалом е -50 кДж/моль, яка дозволяє усунути центри забарвлення і включення чужорідної фази, викликані аніонною розстехіометрією кристала і неконтрольованими домішками в початковій сировині. Це дозволило одержати методом Степанова сапфірові стрижні оптичної якості завдовжки до 1000мм і діаметром більше 12 мм.

Вперше встановлено, що руйнування формоутворювачів з багатоканальним підживленням зони зростання відбувається по межах зіткнення потоків розплаву і пояснюється кавітаційними явищами. Встановлено, що із зменшенням шорсткості формоутворювальної поверхні з R_a=4мкм до R_a=0.25мкм стійкість до руйнування зростає більш ніж на порядок, а загальна кількість пір в кристалі зменшується.

Розроблено способи одночасного вирощування декількох однакових або різних профілів:

- коаксіальний спосіб;

- способи для групового вирощування профілів з внутрішньою порожниною, з плоским і оптично прозорим дном.

Способи дозволяють управляти температурним градієнтом в зоні зростання, знизити дефектність і термопружні напруги у вирощуваних кристалах, виключити різностінність одночасно вирощуваних профілів і підвищити їх оптичну прозорість.

Показано, що густина дислокацій в аксіальному профілі, захищеному зовнішнім коаксіальним профілем знижується до 1*10⁴ см^-2, а інтегральне пропускання світла збільшується до 95%, що не досяжне при індивідуальному вирощуванні аналогічних профілів.

Розроблено спосіб, що підвищує точність контролю товщини плівки розплаву в зоні зростання, що покращує геометрію вирощуваних кристалів. У запропонованому способі точність контролю досягається за рахунок створення під формоутворювачем додаткової (демпфірної) плівки розплаву. Для спостереження за процесом кристалізації розроблена і виготовлена оптична система відео камери, що дозволяє за допомогою додаткових діафрагм та світофільтрів одержувати якісне зображення високотемпературної зони зростання на екрані монітора із збільшенням від 5^х до 30^х.

Розроблено спосіб автоматичного затравлення, заснований на тепловому розширенні елементів технологічного оснащення, який виключає суб'єктивний чинник і випадкове пошкодження формоутворювачів.

Запропоновано конструкції тиглів, формоутворювачів і капілярних систем із знімними формоутворювальними насадками, які дозволяють значно знизити витрату тугоплавких металів і витрати на виготовлення технологічного оснащення.

Основні публікації

1. Андреев Е.П., Добровинская Е.Р., Звягинцева И.Ф. и др. Влияние условий выращивания и отжига на некоторые физические характеристики профилированного сапфира // Изв. АН СССР. Сер. физ. - 1983. - Т. 47, № 2 - С. 382-385.

2. Andreev Ye.P., Lytvynov L.A. Group growing method of sapphire crucibles and boats // Functional materials. - 2003. - Vol. 10, № 1. - P. 41-43.

3. Андреев Е.П., Литвинов Л.А., Ткаченко С.А. Выращивание сапфировых капилляров // Поверхность. Рентгеновские, синхронные и нейтронные исследования. - 2004. - № 9. С. 38-40.

4. Andreev Ye.P., Kryvonosov Ye.V., Lytvynov L.A., Vyshnevskiy S.D. Growth of long-length sapphire rods of optical quality // Functional Materials. - 2005. - Vol. 12, № 1. - Р. 142-146.

5. Андреев Е.П., Зыкова А.В., Колотий О.Д., Литвинов Л.А. Расчет тепловых полей в системе соосных сапфировых трубок, выращенных методом Степанова // Получение и исследование оптических и сцинтилляционных материалов - Харьков: ВНИИ Монокристаллов. - 1984. - № 12. - С. 55-59.

6. Андреев Е.П., Каплун Л.М., Литвинов Л.А., Пищик В.В. Устройство для выращивания профилированных монокристаллов // А.С. СССР. № 1009117, Кл. С30В 15\34 от 1.12.82 г.

7. Андреев Е.П., Литвинов Л.А., Пищик В.В. Устройство для группового выращивания профилированных монокристаллов // Патент России № 1382052, опубл. в бюл. № 2, 15. 01. 1994 г.

8. Андреев Е.П., Литвинов Л.А., Пищик В.В. Способ выращивания профилированных кристаллов // Патент России, № 1131259, опубл. в бюл. № 4, 30.01.1994 г.

9. Андреев Е.П., Литвинов Л.А., Пищик В.В. Способ затравливания при выращивании профилированных монокристаллов // Патент России, № 1048859, опубл. в бюл. № 45-46, 15.12.1993 г.

10. Андреев Е.П., Литвинов Л.А., Пищик В.В. Устройство для выращивания профилированных кристаллов с внутренней полостью // Патент Украины, № 16728, опубл. в бюл. № 4, 29.08.1997 г., Патент России № 1313027, опубл. в бюл. № 41-42, 15.11.1993 г.

11. Андреев Е.П., Литвинов Л.А., Ткаченко С.А. Способ выращивания группы сапфировых монокристаллических изделий с внутренней полостью // Патент Украины № 53106А, кл. С30В 15/34, 2003 г., опубл. в бюл. № 1, 15.01. 2003 г.

12. Андреев Е.П., Литвинов Л.А., Способ выращивания группы профилированных кристаллов с замкнутым объемом // Заявка на изобретение № 2004076096 от 22.07. 2004 г.

13. Андреев Е.П., Литвинов Л.А., Пищик В.В. Устройство для выращивания профилированных монокристаллов // А.С. СССР № 1031259, кл. С30В 15/34, 1983 г.

14. Андреев Е.П., Вишневский С.Д., Литвинов Л.А., Кривоносов Е.В. Способ очистки формообразователей // Патент Украины № 70250А, кл. С30В 35/00, опубл. в бюл. № 9, 15.09.2004 г.

15. Андреев Е.П., Литвинов Л.А., Пищик В.В. Устройство для выращивания профилированных монокристаллов // А.С. СССР № 1070957, кл. С30В 15/34, 1983 г.

16. Андреев Е.П., Гульчук П.Ф., Литвинов Л.А., Петренко П.В., Чернина Э. А. Влияние условий выращивания корунда методом Степанова на образование агрегатных центров окраски // Материалы Всесоюзного совещания по получению профилированных кристаллов и изделий способом Степанова и их применении в народном хозяйстве. - Л. - 1986. - С. 91-93.

17. Андреев Е.П., Литвинов Л.А., Пищик В.В. Влияние характера распределения потоков расплава на образование пор в профилированном сапфире // Материалы Всесоюзного совещания по получению профилированных кристаллов и изделий способом Степанова и их применению в народном хозяйстве. - Л, ФТИ. - 1986. - С. 87-90.

18. Андреев Е.П., Пищик В.В. Об особенностях выращивания сапфировых оптических элементов сложной конфигурации методом Степанова // Материалы второго научно-технического совещания “Прогрессивные методы создания оптических элементов”. - г. Минск, ИФ АН БССР. - 1987. - С. 23-24.

19. Андреев Е.П., Бутинев Е.И. Исследование динамики потоков в пленке расплава при выращивании кристаллов с многоканальной подпиткой зоны кристаллизации // Состояние и перспективы развития методов получения монокристаллов. Тезисы докладов III Всесоюзной конференции (3-4 октября 1985 г., г. Харьков), Черкассы, ВНИИ Монокристаллов, ОНИИТЭХИМа. - 1985. С. 11-12.

Размещено на Allbest.ru