Применение индукционного нагрева для выращивания лазерных монокристаллов

Развитие техники индукционного нагрева привело к созданию специальных систем, в которых индукционный нагрев используется непосредственно для выращивания кристаллов. Большинство кристаллов, использующихся в лазерной технике, являются диэлект­риками, и непосредственное применение высококачественной плавки в этом случае затруднено, ввиду малой величины удельной электропроводности этих материалов при комнатной температуре. Однако с повышением температуры электропроводность этих материалов воз­растает и при какой-то определенной температуре становится воз­можным непосредственный нагрев этих материалов токами высокой частоты. На рис.11.1.22 а приведена зависимость удельного сопротив­ления ряда материалов от температуры.

Рис. 11.1.22 а. Зависимость удельного сопротивления ряда мате­риалов от температуры:

а - зависимость удельного сопротивления оксидных монокристал­лов от температуры; б — зависимость модуля напряженности элект­рического поля и пропорционального ему модуля настила тока от аргу­мента r₀ 2^1/2/z₁; в - зависимость модуля напряженности магнитного поля от аргумента r₀ 2^1/2/z₁; г - зависимость функций ψ2 и φ₄ от аргумента r₀ 2^1/2/z_1; д- зависимость cosφ системы индуктор-расп­лав от аргумента r₀ 2^1/2/z₁ и отношения D₀/d₀

В табл. 11.1.2 даны температуры предварительного подогрева не­которых оксидных соединений,

Таблица 11.1.2 Температуры предварительного подогрева

После того, как материал будет способен взаимодействовать с электромагнитным полем высококачественного генератора эффектив­но поглощая энергию поля, становится возможным разогрев материа­ла вплоть до плавления и дальнейшего перегрева. Это позволяет вплотную подойти к решению ряда проблем, основные из которых создание больших объемов расплавов тугоплавких оксидных соедине­ний, создание систем нагрева и отжига, работающих в окислительной атмосфере при температурах выше 2500 К и практи­чески не имеющих ограничений по мощности, создание систем пред­варительного синтеза высокотемпературных оксидных соединений и т.д.

Ос­тановимся на рассмотрении данной группы методов.

11.1.1.8.Водоохлаждамые контейнеры в технологии выращивания кристаллов

Плавка в холодном тигле, как способ предупреждения реакции между активным расплавом и материалом контейнера, разработана довольно давно, В настоящее время процессы выращивания кристал­лов с использованием холодных контейнеров можно классифицировал следующим образом:

1) по источнику тепла; а) дуговой нагрев; б) электронно-лучевой нагрев; в) индукционный нагрев;

2) по структуре расплава: а) плавка с гарнисажем (автоти­гель); б) плавка без гарнисажа.

Дуговая плавка металлов в гарнисажных полях как наиболее разработанный металлургический процесс, широко используется в промышленности.

Однако дуговые печи имеют ряд недостатков, которые исключа­ют их использование в прецизионной технологии: 1) загрязнение расплава материалом электрода даже в случае нерасходуемого электрода; 2) нестабильность горения дуги; 3) нестабильность пути тока через расплав; 4) возможность попадания дуги на тигель, про­жог его и проникновение воды к расплаву; 5) отсутствие перемешивания расплава

По сравнению с дуговым использование электронно-лучевого на­грева имеет ряд преимуществ, а именно: хорошая стабильность ис­точника нагрева и возможность свободно регулировать величину мощ­ности подаваемой энергии; чистота процесса поскольку высокий ва­куум позволяет избавляться от летучих примесей

Но и в этом методе имеются свои недостатки: отсутствие перемешивания расплава в ванне (нагрев производится только с поверх­ности), недолговечность катода.

Весьма перспективным является использование индукционного нагрева. Неоспоримые преимущества делают этот метод нагрева незаменимым в некоторых технологических. процессах. К достоинствам метода следует отнести: 1) наличие перемешивания из-за электродинамического взаимодействия тока с полем, 2) нагрев может осуществляться в любой атмосфере и при любом давлении; 3) расплав может быть перегрет до любой температуры.

На рис. 11.1.23 изображены поперечные сечения двух подобных устройств для зонной очистки. На рис. 11.1.23 б тигель представляет собой длинный желоб-лодочку, охлаждаемую водой. Индуктор окружает лодочку на коротком участке, создает расплавленную зону загрузки, передавая, энергию как в расплав, так и в металл лодочки. Токи во всех элементах системы изображены стрелками. Очевидно, что ток в лодочке также индуцирует часть тока в расплаве. Лодочка в этом случае работает как вторичная обмотка трансформатора. Расплав не смачивает поверхности холодного металла, поэтому возможна очистка слитка. При движении зоны от одного конца лодочки до другого. На рис. 11.1.23 а показана модификация того же устройства, но вместо единого желоба используется ряд трубок, которые играют ту же роль. Существенным недостатком индукционных систем, опи­сываемых выше, являются значительные потери энергии в промежуточном звене трансформации, т.е. в самом водоохлаждаемом контей­нере.

Рис. 11.1.23. Схема "холодного" тигля для горизонтальной зонной плавки: а - единый желоб-лодочка, б - трубчатый тигель

Контейнер экранирует загрузку от поля индуктора и искажает это поле, особенно у дна, которое играет роль короткозамкнутого витка. Попытка использовать вместо металлических тиглей тигли из непроводящего материала (в частности из кварца), охлаждаемого водой, успеха не имели. Но самую существенную опасность представляет растрескивание такого тигля и проникновение воды в рас­плав, что может привести к взрыву.