Проект участка по производству монокристаллов GSGG·Nd3+ (диаметр 20 мм, длинна 150 мм) производительностью 100 штук в год

 

 

Рисунок 1.4. Схема метода Бриджмена-Стокбаргера: 1 – контейнер; 2 – нагреватель; 3 – расплав; 4 – растущий кристалл.

 

Сущность метода зонной плавки заключается в том, что материал плавится лишь на небольшом участке, который перемещается от затравки по всей шихте. Вариант метода бестигельной зонной плавки со световым нагревом изображен на рисунке 1.5.  Излучение ксеноновой лампы сверхвысокого давления 6, помещенной в фокус нижнего эллипсоидного отражателя 7, концентрируется в фокусе верхнего эллипсоидного отражателя 1, где происходит расплавление исходного поликристаллического материала 2. Для плавной регулировки светового потока, поступающего в фокус верхнего отражателя, служит так называемая световая заслонка. Заслонка в крайнем нижнем положении полностью отрезает излучение ксеноновой лампы от верхнего отражателя. При плавном подъеме заслонки световой поток плавно нарастает, что позволяет безударно нагревать поликристаллический стержень исходной шихты.

Так как выращивание происходит на воздухе, то в кристалле сохраняется  кислородная стехиометрия, что является важным условием получения высококачественных оксидных кристаллов.

 

 

Рисунок 1.5. Схема метода бестигельной зонной плавки со световым нагревом: 1,7 – эллипсоидные отражатели 2 – стержень исходной  шихты 3 – кристалл 4 – печь отжига 5 – световая заслонка 6 – ксеноновая дуговая  лампа

 

Применения этого метода обусловлено  рядом его достоинств. Так, отсутствие тигля избавляет растущий кристалл от загрязнения материалом контейнера, позволяет выращивать монокристаллы  тугоплавких оксидных соединений на воздухе. Для выращивания не требуются  дорогостоящие иридиевые тигли, не нужно создавать защитную атмосферу, необходимую для роста с тиглем. Метод позволяет существенно  экономить дорогостоящие реактивы, так как в процессе роста используется практически вся шихта, а не 20-40% как в методе Чохральского. Отсутствие процедур наплавления, а также небольшой  объем расплава позволяют существенно  экономить электроэнергию и охлаждающую  воду.

Но метод зонной плавки обладает и рядом недостатков, которые  не позволяют его использовать для  получения промышленных лазерных кристаллов: неравномерность концентрации Nd³⁺ по длине кристалла, не обеспечивается  структурное совершенство кристаллов. Кроме того этим методом нельзя получить крупные кристаллы (диаметр выращенных кристаллов составляет 5-8 мм, а длина от 20 до 50 мм).

 

Рисунок 1.6. Схема гибридного метода: 1 – токовводы 2 – ленточный нагреватель 3 – поликристалл 4 – расплав 5 – монокристалл 6 – печь отжига 7 – затравка

 

Сущность гибридного метода заключается в том, что кристалл вытягивается из расплава, находящегося в нагреваемом формообразователе, при непрерывной подаче шихты в расплав. Один из вариантов гибридного метода с использованием ленточного нагревателя представлен на рисунке 1.6.

Для получения крупных кристаллов гранатов высокого оптического качества используют в основном метод Чохральского (рисунок 1.7.). В этом случае нет прямого контакта кристалла с контейнером, но материал последнего все же загрязняет кристалл. Это происходит вследствие того, что из-за высокой температуры плавления GSGG приходится использовать иридиевые контейнеры. При этих температурах иридий окисляется и его оксид, попадая на расплав и кристалл, разлагается с выделением иридия. Но использование инертной атмосферы и технологических приемов можно свести этот процесс к минимуму. Неравномерность концентрации Nd³⁺ по длине можно уменьшить выращивая монокристалл из большого количества расплава, выбирая из тигля не больше 50% расплава.

Таким образом для производства монокристаллов GSGG·Nd³⁺ выбран метод Чохральского.

5. Характер оборудования.

Установка “Кристалл-2” предназначена  для роста кристаллов методом  Чохральского. Этот метод является основным и практически единственным методом роста лазерных кристаллов гадолиний-скандий-галлиевого граната, поскольку он обеспечивает максимальный контроль, за процессом роста, а следовательно  и очень высокое качество выращиваемых кристаллов, что в данном случае и необходимо.

Рисунок 1.7. Схема выращивания из расплава по методу Чохральского: 1 – весовой датчик 2 – водоохлаждаемый шток 3 – центрирующее устройство 4 – внутренний шток  с кристаллом 5 – кристалл 6 –расплав       ж

6. Обоснование места размещения.

Участок предполагается разместить в  Москве в составе отдела роста  лазерных кристаллов в Институте  Общей Физики Российской Академии Наук (ИОФ РАН).

В ИОФРАНе имеются необходимое  для этого производства электроснабжение, которое может обеспечить установки  электрическим током нужной мощности.  Электроэнергия поступает от “Мосэнерго”. В ИОФРАНе имеется собственная  система оборотного водоснабжения. Помимо этого в ИОФРАНе можно  высвободить под данное производство площадь, что даст возможность избежать затрат на строительство и ускорить ввод участка в строй. Эти три  фактора значительно снижают  капитальные затраты на подготовку производства. Также имеются налаженные связи с поставщиками сырья и  потребителями готовой продукции.

Выбор места производства так же обусловлен наличием в Москве соответствующего кадрового потенциала (технология производства монокристаллов гранатов постоянно  совершенствуется и для повышения  эффективности производства необходима научно-исследовательская база, в  качестве таковой выступает ИОФРАН).

Кроме того это производство малоотходно, экологически безопасно и достаточно компактно, что позволяет разместить его в мегаполисе.

 

7. Технологическая схема.

Исходным сырьем для производства GSGG×Nd³⁺ являются оксиды гадолиния, скандия, галлия, неодима. Химическая чистота определяет как структурную однородность кристаллов и их свойства, так и возможность получения монокристаллов. Сырьё должно иметь марку “ОСЧ”.

 

1. Прокаливание  исходных реактивов.

Для этого их переносят в платиновые стаканы 100´100´1 (контейнеры 1,2,3,4). Стаканы с реактивами помещаются в печь КО-14 и прокаливаются при 1200⁰С в течении 24 часов.

 

2. Взвешивание  реактивов. 

Обезвоженные реактивы навешиваются в стеклянных бюксах (чашки 1,2,3,4) согласно технологическому расчету. Взвешивание  производится на электронных весах  “Sartorius E 5500 S”.

 

3. Перемешивание  навесок. 

Навески реактивов переносятся  в емкость для перемешивания  типа “пьяная бочка”. Для улучшения  перемешивания в барабан для  перемешивания помещают несколько  тефлоновых палочек длиной 50 мм и  диаметром 10 мм. Заполненный барабан (коэффициент заполнения 0,3) закрывается  и устанавливается в смеситель. Частота вращения смесителя 20 оборотов в минуту, время смешения 24 часа.

 

4. Взвешивание  шихты.

Далее взвешивают необходимое для  загрузки в тигель (чашка 5) количество шихты на весах “Sartorius E 5500 S” и  смешивают в платиновом стакане  с этиловым спиртом, беря такое его  количество, чтобы получилась сметанообразная  смесь. На одну загрузку шихты для  роста берется »50 г спирта.

 

5. Прессовка  шихты в таблетки.

Полученную смесь (шихта + пластификатор) прессуют на гидравлическом прессе П-10 в таблетки диаметром 50 мм и толщиной 20 мм, выдерживая под давлением около 50 атмосфер  порядка 5-10 секунд.

 

6. Твердофазный  синтез.

Полученные таблетки помещают в  платиновый стакан (контейнер 5), который  затем помещается в муфельную  печь КО-14 и выдерживается 24 часа при 1200⁰С.

 

7. Загрузка  таблеток в тигель.

После охлаждения печи таблетки загружаются  в Ir контейнер 60´60´3 (тигель 1).

 

8. Подготовка  установки к наплавлению шихты  в тигель.

Загруженный Ir тигель помещают по центру индуктора и окружают тепловыми  экранами из керамики на основе ZrO₂. Ростовая камера герметизируется и откачивается до давления 10^–3 мм.рт.ст. сначала форвакуумным насосом НВР-16Д, а затем турбомолекулярным насосом 01АБ-1500-ОЧ. Давление контролируется по термопарной части вакуумметра ВИТ-3. После откачки в ростовую камеру из баллона напускается смесь азота и кислорода (1-3 объемных %)  до атмосферного давления. Азот служит защитной средой предотвращающей разрушение Ir контейнера, вследствие окисления при высоких температурах, а кислород предотвращает разложение и испарение Ga₂O₃.

 

9. Наплавление  шихты в тигель.

После создания инертной атмосферы  подается вода на охлаждение индуктора  и стенок камеры, в ЭВМ установки  вводится режим нагрева и включается питание индуктора. Контроль проведения процесса производится с помощью  ЭВМ и постоянного наблюдения.

 

10. Охлаждение  установки. 

По достижении температуры плавления  производится плавный сброс мощности на индукторе в течении 9 часов. После  охлаждения ростовую камеру откачивают для удаления азота и заполняют  воздухом. Время одного цикла 7–10 составляет 15 часов.

 

11. Подготовка  установки к росту. 

Контейнер устанавливается по центру индуктора и окружается тепловым экраном. Со стороны смотрового окна ростовой камеры в экране оставляется  отверстие с таким расчетом, чтобы  можно было наблюдать за  местом соприкосновения кристалла и зеркала расплава. К сапфировому затравкодержателю, с помощью платино-родиевой проволоки крепится затравочный кристалл, ориентированный в направлении [111]. Затравкодержатель укрепляется на штоке. Шток центрируется по бумажной мишени, помещенной по центру тигля. После этого ростовая камера герметизируется, откачивается до 10^–3 мм.рт.ст. и заполняется смесью азота, углекислого газа и кислорода. Подается вода на охлаждение индуктора, штока и корпуса установки. В ЭВМ вводятся параметры роста. После этого подается питание на индуктор.

 

12. Затравление. 

В установке “Кристалл-2” предусмотрена  возможность автоматического затравления  под управлением ЭВМ. Но в целях  повышения выхода годной продукции  затравление производит сам оператор. Делается это по двум причинам.  Во-первых, при нагреве установки за счет теплового расширения возможно нарушение  центровки штока. Чтобы устранить  влияние биения штока вытягивают более длинную шейку, чем при  нормальном затравлении и кристалл сам выходит на тепловой центр  тигля.  Если этого не сделать, то возможен спиральный рост кристалла.  Во-вторых, из-за наличия в ростовой камере следов кислорода, небольшая  часть иридия окисляется. Летучий  оксид иридия попадает на зеркало  расплава и там разлагается с  выделением частиц иридия. которые  окисляются на поверхности расплава. Чтобы избежать загрязнения ими  кристалла делают “перетяжку”, то есть вначале резко расширяют  кристалл. и расширенная часть  собирает с поверхности расплава частицы иридия. Затем снова сужают диаметр и ведут нормальный рост. Сам процесс затравления состоит  в следующем. Опуская шток, определяют по показаниям весового датчика момент касания затравкой расплава.  После этого проводят операции по устранению влияния биения штока  и удалению частиц иридия с зеркала  расплава как описано выше, и управление ростом передается ЭВМ установки.

 

13. Рост кристалла. 

Рост кристалла происходит полностью  в автоматическом режиме. ЭВМ отслеживает  длину кристалла и регулирует его диаметр по скорости увеличения веса кристалла. соответствующим образом  изменяя мощность на индикаторе. В  установке использован ПИД-регулятор  типа Р-17. Скорость вытягивания 2 мм/час. Частота вращения штока 15 оборотов в минуту.

 

14. Отрыв  кристалла от расплава.

При достижении кристаллом заданной длины ЭВМ автоматически начинает уменьшение диаметра, увеличивая нагрев. В момент отрыва кристалла от расплава подается звуковой сигнал.

 

15. Отжиг. 

После отрыва кристалл поднимают на 1-2 см от зеркала расплава и отключают  механизм вытягивания. В ЭВМ закладывается  режим отжига. Температуру постепенно снижают до комнатной в течении 25 часов.

 

16. Извлечение  кристалла из установки. 

По достижении комнатной температуры  из ростовой камеры откачивается азот и напускается воздух.  Рабочая  камера вскрывается.  Разбирается  ростовой узел. и снятый кристалл поступает  на обработку.

 

17. Подготовка  установки к выплавлению остатка  расплава из тигля. 

Тигель с остатком расплава устанавливается  вверх дном на керамической подставке. а под ним устанавливается  керамический стакан (тигель 2). В качестве тигля 2 желательно использовать стаканы, уже пришедшие в негодность. Тигель закрывается экранами.  Установка  герметизируется. откачивается. заполняется  азотом. Включается водяное охлаждение индикатора и стенок камеры. После  этого подается питание на индуктор.

 

18. Выплавление  остатков расплава из тигля. 

Тигель нагревается до температуры  чуть ниже температуры плавления  расплава в течении 1,5 часов. Затем, после небольшой выдержки (15-20 минут) следует резко повысить температуры  плавления расплава. При этом расплав  выливается в тигель 2.

 

19. Охлаждение  установки. 

Затем установку охлаждают, откачивают азот, напускают воздух и извлекают  очищенный контейнер.

 

20. Взвешивание  иридиевого тигля. 

Очищенный контейнер сначала взвешивают для фиксирования потери иридия. затем  он поступает на операцию 7.

 

21. Очистка  керамического тигля. 

Керамический тигель очищается  просто скалыванием из него расплава, который идет в отход.

 

22. Очистка  ростовой камеры. 

После демонтажа тепловых экранов  ростовая камера трижды протирается  ветошью, смоченной в этиловом спирте. После этого установка готова к повторению процесса, начиная с  операции 8.

 

23. Резка  кристалла. 

Распилка кристалла производится на распилочном станке. алмазным диском с внешней режущей кромкой. На столике станка кристалл крепится с  помощью пиццеина. От кристалла отрезаются торцевые конусы , образовавшиеся при  выходе  на диаметр и при отрыве кристалла от расплава.