МЕТОД КИРОПУЛОСА



Рисунок 1. Схема ростовой установки выращивания по модифицированному методу Киропулоса


1 – тигель с расплавом, 2 – растущий кристалл, 3 – фронт кристаллизации, 4 – датчик уровня с электроконтактным щупом, 5 – боковой нагреватель, 6 – донный нагреватель, 7 – нижний охлаждаемый полукорпус, 8 – верхний охлаждаемый полукорпус, 9 – кристаллодержатель, 10 – шток кристаллодержателя, 11 – редуктор системы вращения и вытягивания штока кристаллодержателя.

Рост кристаллов по модифицированному методу Киропулоса осуществляют путем непрерывного вытягивания кристалла на затравку с постоянной скоростью из тигля с расплавом, тепловое поле (профиль температур) внутри которого создается и управляется боковым и донным нагревателями, а также тепловыми экранами и футеровкой печи.



Рисунок 2. Укрупненная схема системы управления ростовой установкой


Процесс роста не сопровождается подпиткой расплава, т.е. уровень расплава в тигле падает по мере перехода вещества в кристалл: 1 – подсистема уровнемера, 2 – подсистема вытягивания кристалла.

Система условно разделена на два контура. Нижний контур состоит из не зависимых ПИД-регуляторов управляющих нагревателями дна и бока. Эти регуляторы имеют малый цикл управления (т.е. высокое быстродействие относительно регулятора диаметра) и настроены по ПИ-закону, коэффициенты настройки выбраны индивидуально под соответствующий нагреватель. В начале выращивания на каждом регуляторе отдельно выставляется заданная температура (задающие воздействия Xдно, Xбок) и изменяется в ручном режиме из соображений соблюдения технологического регламента выращивания.

К моменту перехода от фазы «разращивания» к фазе автоматизированного выращивания «по высоте» с контролем косвенно измеренного диаметра кристалла на боковом нагревателе выставлена некоторая начальная температура Xбок, которая поддерживается соответствующим регулятором. Регулятор диаметра на основании косвенной оценки диаметра, заданного значения диаметра (Xдиам) и собственных настроек вырабатывает управление, представляющее собой значение смещения точки задания регулятора температуры бокового нагревателя со знаком. Процедура выработки описанного управления повторяется после каждого измерения падения уровня расплава (т.е. косвенной оценки диаметра растущего кристалла). Необходимо также отметить, что абсолютное значение смещения ограничено, поскольку резкое изменение тепловых условий в зоне кристаллизации недопустимо из соображений соблюдения технологических требований. Типичное значение ограничения 0,4 °С.

При выращивании кристаллов с активатором, также важна концентрация активатора (Na). По мере уменьшения объема расплава в тигле, естественно, будет увеличиваться концентрация натрия в расплаве, поскольку, в отличие от таллия, он не «летуч» и не испаряется из расплава (оседая на стенках ростовой камеры, на боковой поверхности кристалла и т.д.), это неизменно скажется на концентрации активатора в кристалле. Главное, чтобы концентрация активатора в кристалле не превышала предельно допустимую концентрацию (0,0018-0,0020 масс.%), как можно дольше по мере роста кристалла. Задача системы управления частично состоит в том, чтобы путем стабилизации массовой скорости роста добиться равномерного и заданного вхождения активатора в кристалл при увеличивающейся концентрации его в расплаве.

Основные параметры оценки качества полученного кристалла это – световой выход и энергетическое разрешение, полученные на образцах 25х25мм. Для обеспечения необходимого качества кристалл должен быть оптически прозрачным, не иметь поликристаллических зон, в аспекте системы управления это означает недопустимость резких изменений температурного поля, и соответственно жесткие ограничения на управление. На описываемой установке проведена серия экспериментов направленных на изучение поведения фронта кристаллизации во время выращивания. Суть экспериментов заключалась в отрыве и переохлаждении ФК в те моменты времени, когда длинна кристалла достигала заданных значений (25 мм, 50 мм, 80 мм, 110 мм и 140 мм). При переохлаждении в теле кристалла на границе ФК образовывался «захват», который после вырезания пластины из центральной части кристалла был виден при ультрафиолетовом освещении. Таким образом удалось количественные оценки динамики поведения формы ФК.

ЭНЦИКЛОПЕДИЯ НЕФТИ и ГАЗА


С. Киропулос предложил в 1926 способ выращивания крупных щелочногалоидных монокристаллов, используемых в оптических приборах. В методе Киропулоса монокристаллическая затравка, закрепленная в водоохлаждаемом кристаллодержателе, приводится в контакт с расплавом, находящимся в тигле. На этой затравке происходит постепенное нарастание кристалла в форме полусферы. При этом кристалл как бы врастает в расплав.

Когда разрастающийся кристалл приближается к стенке тигля, кристаллодержатель с кристаллом поднимается на несколько мм и затем продолжается дальнейший рост до очередного разрастания до стенок тигля, последующего подъема и т. д. После каждого такого подъема на боковой поверхности кристалла остаются кольцеобразные метки – следы перехода от одного уровня к другому. Таким образом, при выращивании методом Киропулоса диаметр выращиваемого кристалла ограничивается лишь размерами тигля и практически может достигать 300 см и более.

Известны также модификации метода Киропулоса, в которых вместо периодического подъема кристаллодержателя с растущим кристаллом осуществляется непрерывный его подъем с постоянной скоростью. В целях снижения напряжений выращенные кристаллы подвергаются специальному послеростовому отжигу.

Основное преимущество метода Киропулоса заключается в его технической простоте и надежности. Он экономически выгоден, поскольку возможно более эффективное экранирование источника нагрева, сводящее невозвратные потери тепла к минимуму. Метод Киропулоса позволяет выращивать крупные монокристаллы, например, монокристаллы лейкосап-фира весом до 10-20 кг и более.

Существенным недостатком метода, однако, является непостоянство скорости выращивания, поскольку теплообмен по мере увеличения массы монокристалла претерпевает изменения, учесть которые технически трудно. Поэтому скорость роста задается заведомо низкой (для лейкосапфира порядка 2 мм/ч), чтобы избежать возможного образования в монокристаллах различного рода включений, блоков и малоугловых границ.

Применявшиеся для исследования монокристаллы иа очищенных солей щелочно-галоидных соединений выращивались из расплава по методу Киропулоса. Однако в тех случаях, когда температура кипения активирующего соединения значительно ниже температуры кипения основания, получение активированных кристаллов методом Киропулоса весьма затруднительно или даже совершенно невозможно, так как активирующая примесь быстро улетучивается.

Балонин Н.А., Суздаль В.С., Козьмин Ю.С. Синтез регуляторов простой структуры для управления процессами кристаллизации. Вісник національного технічного университету "ХПІ" №15 (1058) 2014 Харків с. 3-11.

Rambler's Top100