186236. lajstromszámú szabadalom • Eljárás bórtrioxidot tartalmazó, oxidegykristályok növesztésére szolgáló homogén olvadék-oldatok gyors és reprodukálható előállítására
186 236 A találmány tárgya olyan eljárás, amellyel B2Oí-at tartalmazó, oxidegykristályok előállítására szolgáló olvadék-oldatok viszonylag gyorsan és időben stabil telítési hőmérséklettel preparálhatók, s amely eljárás alapján előkészített olvadék-oldatokból előállított oxidegykristályok a kívánt anyagi paraméterekkel rendelkeznek. Mint ismeretes, az olvadék-oldatokból történő tömb-, vagy vékonyréteg-oxidegykristályok előállítására használt rendszerek túlnyomó többsége B203-at tartalmaz. A B203 szerepe összetett, a telítési hőmérsékletet csökkentő hatásával növeli a kristályalkotó oxidok oldhatóságát, üvegképző hajlamánál fogva csökkenti a spontán nukleáció lehetőségét, valamint csökkenti a tégelykorróziót. Ismeretes az is, hogy például a buborékmemória anyagok folyadékfázisú epitaxiás előállításánál, az egykristály réteg alapvető tulajdonságait és az anyagelőállítás reprodukálhatóságát alapvetően az olvadék-oldat összetétele, a növesztőkályha termikus tulajdonságai, valamint az alkalmazott rétegparaméter szabályozási stratégia határozza meg. Saját kísérleti tapasztalataink alapján, különösen a Ca2 + és Ge4+ tartalmú buborékmemória anyagok előállításánál, az anyagi paraméterek és a reprodukálhatóság függ az olvadék-oldat előéletétől, annak preparálás! módjától. Az ismert eljárás lényege, hogy a kristály- és oldószer-alkotó vegyületeket először mechanikusan homogenizálják, majd a növesztő Pt tégelyt feltöltik a homogenizált anyaggal. Mivel a teljes anyagmennyiség egyszerre nem fér a tégelybe, gazdasági és technológiai okokból, a Pt növesztőtégely térfogata, valamint a megengedhető olvadék-magasság minimuma és maximuma limitálva van. ugyanakkor a mechanikusan homogenizált állapothoz képest, a tégelyben lévő anyagmennyiséget megolvasztják, majd szobahőmérsékletre hűtik, s ismét feltöltik a homogenizált vegyületkeverékkel. Ezt a műveletet mindaddig ismétlik, míg a teljes anyagmennyiség a tégelybe nem kerül. Az ilyen módon feltöltött tégelyt ezután a növesztőkályhába helyezik, ahol 1400—1550 K hőmérsékleten, kb. 1 napig termikusán homogenizálják, amit kiegészítenek néhány órás oldatkeveréssef Az eljárás egyik hátránya, hogy a tégelyfeltöltés hosszadalmas, s az olvadék-oldat termikus homogenizálása során a növesztőkályha fűtőeleme és belső szerkezeti elemei tartósan magas hőmérsékleten vannak. Ez nemcsak a növesztőkályha élettartamát csökkenti, hanem gyorsítja az olvadék-oldat ún. elöregedését is, aminek következtében az alkalmatlanná válik az eszköztulajdonságú egykristályok előállítására. További, s az előzőeknél még súlyosabb hátránya az ismert eljárásnak az, hogy tapasztalataink szerint, elsősorban a Ca2+ és Ge4+ ionokat tartalmazó olvadék-oldatok telítési hőmérséklete időben nem stabil, a homogenizálás hőmérsékletétől függően, az 1—3 napon belül akár 30—40 K-kal is csökkenhet. Ez az instabilitás csak az olvadék extra magas hőmérsékletű kezelésével szüntethető meg. Az ismert eljárás hátránya még az is, hogy ilyen módon preparált olvadék-oldatokból előállított buborékmemória anyagok koercitív ereje nem felel meg az eszközkövetelményeknek. A találmánnyal célunk a fentiekben vázolt eljárás valamennyi hátrányának egyidejű kiküszöbölése. A találmánnyal megoldandó feladat ennek megfelelően olyan olvadék-oldat elkészítési eljárás kidolgozása, amely csökkenti a magas hőmérsékletű termikus homogenizálás hőmérsékletét és idejét, ugyanakkor olyan időben stabil telítési hőmérsékletű olvadék-oldatot biztosít, amelyből eszközíulajdonságú egykristályok állíthatók elő. A találmány alapja az a felismerés, hogy a kitűzött feladat egyszerűen megoldódik, ha a növesztőtégely 111 egymást követő feltöltését, a tégelybe töltött anyag megolvasztását, stb. elhagyva, már az első tégelyfeltöltés után termikusán olyan összetételű olvadékot homogenizálunk, amely teljes egészében tartalmazza a szükséges mennyiségű B203 és a kristályalkotó oxi! h dókat (kivéve azt, amelyik oldószerként is szerepet játszik). A homogenizált oldatban az előírt mennyiségű főkomponensű oldószernek és az esetleg oldószerként is szereplő kristályalkotó vegyületnek legalább 50-50%-a jelen van. Az ismert eljárásnál alkalmazott alacsonyabb hőmérsékleten és lényegesen rövidebb ideig hőkezelve az olvadékot, a tégely teljes feltöltését melegen végezzük úgy, hogy a maradék oldószer meghatározott, szélszerűen préseléssel kialakított adagjait egymás után a meleg olvadékba juttatjuk. E végső, ’’•> teljes tégelyfeltöltés után az előzővel azonos paraméterek mellett, az olvadékot ismét termikusán homogenizáljuk, kiegészítve maximum néhányszor tíz perces oldatkeveréssel. A növesztő tégely első felfűtése után annak hőmérséklete nem kerülhet az aktuális telítési • -J hőmérséklet alá. A találmány szerinti eljárás tehát olyan ismert eljárás továbbfejlesztése, amelynek során a szobahőmérsékletű növesztőtégelyt szilárd anyaggal feltöltjük, majd azt termikus és mechanikus lépésekkel homoge; J nizáljuk. A továbbfejlesztés, vagyis a találmány abban van, hogy a feltöltés során a kristályalkotó vegyületeket és a B203 teljes mennyiségét, valamint az oldószer főkomponensé(i)nek 50—80°7o-át helyezzük hideg nö... vesztőtégelybe, melyet először megolvasztunk és termikusán homogenizálunk, majd a maradék szilárd oldószert — adott esetben adagonként — is a tégelybe töltjük és megolvasztjuk. Legvégül oldatkeveréssel egybekötött termikus homogenizál ást végzünk úgy, hogy az olvadék hőmérséklete állandóan legalább 850 K legyen. A találmány értelmében célszerű, ha az első termikus homogenizálás során az olvadék hőmérsékletű 1000 K fölött célszerűen az adott olvadék-oldat telítési ■ ! hőmérséklete fölött 100 K-kal tartjuk legalább 1 óra időtartamig. Nevezetesen célszerű, ha az oldószert az utántöltés során meghatározott adagokba, egymás után, meghatározott időközönként adagoljuk. Célszerű továbbá, ha a tégely utántöltését követően a termikus homogenizálást 1000 K ot meghaladó hőmérsékleten, célszerűen az olvadék-oldat telítési hőmérséklete fölött 100 K-kal, minimálisan 1 óra időtartamig végezzük. ód Célszerű továbbá még az is, ha az olvadékot minimálisan 10 percig keverjük. A találmányt részletesebben folyamatábra alapján ismertetjük, melyen az ismert és a találmány szerinti eljárás példakénti foganatosítási módja mutatja be. A folyamatábrán az 2
