CC BY
219
УДК 621.365
Ж.С. Синицына
ВЫРАЩИВАНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ В ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СВЧ УСТАНОВКЕ БЕЗ ПРЕРЫВАНИЯ РОСТОВОГО ПРОЦЕССА
Проанализированы методы выращивания монокристаллов. Предложен вариант конструкции высокотемпературной СВЧ установки без прерывания ростового процесса для выращивания монокристаллов.
Монокристаллы, выращивание монокристаллов, методы выращивания
J.S. Sinitsyna
SINGLE-CRYSTAL GROWTH IN THE HIGH MICROWAVE INSTALLATION WITHOUT INTERRUPTING THE GROWTH PROCESS
The methods of growing single crystals. A variant of the design of microwave high-install without interrupting the growth process for growing single crystals.
Single crystals, growing single crystals, methods of growing
Одни из самых выдающихся достижений науки и техники ознаменованы использованием кристаллов минералов, их уникальных свойств: оптических, пьезоэлектрических, полу-
Вестник СГТУ. 2012. № 2 (66). Выпуск 2
проводниковых и прочих. Самые первые в России корунды тоже были изначально синтезированы с целью применения их в науке: в точном приборостроении, часовой промышленности и т.д. В 1936 году заработала первая в России установка по выращиванию корундов, а вскоре было налажено непрерывное производство. Первым промышленным методом получения корундов (а также шпинели) является метод Вернейля - тугоплавких оксидов и солей, легированных примесями [3].
Французский химик Огюст Вернейль начал свои опыты по выращиванию минералов еще в конце XIX века, но официальным годом рождения первых синтетических корундов считается 1905 год. Позже появились и другие методы выращивания монокристаллических структур.
Методы Стронга-Штёбера и Наккена чаще всего используют для выращивания крупногабаритных кристаллов легкоплавких органических веществ (нафталина размером 20-50 см, бифталата калия размером 1-20 см). Методы Бриджмена-Стокбаргера и Киропулоса -кристаллов неорганических солей (№С1 и КС1 размером 20-90 см). Методы Чохральского и зонной плавки - кристаллов, металлов и полупроводников (ве, вёЛв, ZnAs размером 1-50 см). Метод Степанова - металлических кристаллов сложной формы (труб из А1 и лопаток турбин размером до 1 м). Чтобы получить корунд красного цвета (рубин), добавляют к порошку окиси алюминия окись хрома; синего цвета (сапфир) - добавляют окись железа и титана. Никель окрасит корунд в желтый цвет. Используя подобие метода Чохральского, получают шпинель с 1920-х годов, для этого используют окись магния и окись алюминия. Шпинели обычно придают сапфирово-голубую или зеленую окраску [1-5].
В настоящие время отечественной технологии выращивания монокристаллов позволяет получать кристаллы диаметром до 50 мм с длиной до 3 м. Часто выращивание кристаллов производится на установке «Кристалл-3».
Однако достигнутый технический уровень не удовлетворяет запросам рынка, нужно, чтобы выращенные монокристаллы соответствовали потребностям некоторых отраслей технической промышленности. В частности, это касается лазерной промышленности. Создать активные лазерные элементы производства невозможно без кристаллов ИАГ: № диаметром 80 мм и более, длиной более 300 мм [4]. Необходимо новое оборудование для выращивания монокристаллов иттрий-алюминиевого граната, удовлетворяющего следующим требованиям:
- диаметр ростовой камеры установки, мм, не менее 800;
- диаметр тигля, мм, не менее 150;
- скорость вращения штока, об./мин - от 0 до 100;
- максимально допустимое биение штока, мм, не более 0,1;
- мощность транзисторного преобразователя частоты, кВт, 100;
- гарантированное время безотказной работы, ч, не менее 1000;
- установка должна быть оборудована системой досыпки тигля шихтой без прерывания ростового процесса;
- установка должна быть оснащена системой управления технологического процесса, выполненной на современной элементной базе и позволяющей реализовывать различные варианты ведения ростового процесса.
Многие установки для выращивания монокристаллов не оснащены оборудованием системой досыпки тигля шихтой без прерывания ростового процесса, что значительно замедляет производство.
Для решения данной проблемы предлагаем подавать материал через рукав загрузки, не прекращая процесс роста монокристалла.
Схема установки для выращивания монокристаллов методом Чохральского представлена на рисунке.
За счет непрерывной досыпки материала через загрузочный рукав 6 и доставки по-средствам винта Архимеда 5 ванна 3 с расплавом остается на одном уровне, что позволяет выращивать монокристалл той длины, которая необходима для дальнейшего производства.
Схема установки для выращивания монокристаллов методом Чохральского: 1 - затравка; 2 - излучатели; 3 - ванна; 4 - материал; 5 - винт Архимеда; 6 - рукав загрузки;
7 - редуктор; 8 - двигатель; 9 - футеровка
Оснащение отечественных ростовых производств оборудованием такого класса позволит обеспечить лазерную отрасль России кристаллами ИАГ, соответствующими мировому уровню технологии. В Белоруссии была принята специальная национальная программа развития производства синтетических кристаллов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бакли Г. Рост кристаллов: пер. с англ. / Г. Бакли. - М.: Изд-во иностр. лит., 1954. -
184 с.
2. Лодиз Р. А. Рост монокристаллов: пер. с англ. / Р. А. Лодиз, Р. Л. Паркер. - М.: Мир, 1973. - 540 с.
3. Маллин Д. Кристаллизация: пер. с англ. / Д. Маллин. - М.: Металлургия, 1966. - 342 с.
4. Шубников А. В. Образование кристаллов / А.В. Шубников. - М.- Л.: Изд-во АН СССР, 1947. - 39 с.
5. Шубников А. В. Как растут кристаллы / А.В. Шубников. - М.- Л.: Изд-во АН СССР, 1935. - 175 с.
Синицына Жанна Сергеевна -
аспирант кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А.
Janna S. Sinitsyna -
Postgraduate
Department of Automated Electrical-Technological Plants and Systems,
Gagarin Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 18.05.12, принята к опубликованию 17.06.12
