Лабораторная работа №1

По курсу:

«Технология материалов и изделий электронной техники»

«Выращивание кристаллов методами направленной кристаллизации»

Выполнили студенты: Будкина Л.

Балдина А.

Хамин Р.

Группа: Эл-15-05

Проверил: Арсеньев П.А.

2008

Метод горизонтально направленной кристаллизации (метод Багдасарова)

Схема установки

Д
ля реализации метода горизонтально направленной кристалли­зации разработана специальная кристаллизационная установка "Сапфир-1-М" 111 , а ее принципиальная схема дана на рис. 1.

Рис. 1. Блок-схема установки “Сапфир-1М”

1- нагреватель;

2- вакуумная камера;

3- приемник кристаллов;

4- механизм перемещения;

5- механизм подъема колпака вакуумной камеры;

6- диффузионный насос;

7- блок электрического питания;

8- контейнер с кристаллизуемым веществом;

9- система молибденовых экранов.

Нагревательный элемент представляет собой прямоугольную спираль, изготовленную из четырех витков пруткового вольфрама, диаметром 8 мм.

Витки этой спирали расположенные перпендикулярно к направлению движения контейнера с веществом. Спираль подвешена на 6 опорах, которые приварены к нагревателю. Для изоляции нагревателя от системы экранов использованы керамические пластины из окиси алюминия, которые подложены под опоры. Теплоизоляция создается многослойными экранами 9, состоящими из наружного и внутреннего слоев. Экраны выполнены в виде отдельных блоков, что обеспечивает их разборку и для свободного доступа к нагревательному элементу и быструю смену вышедших из строя экранов.

Ближайший от нагревателя экран набирается из отдельных вольфрамовых стержней, диаметром 5 мм., укладываемых плотно друг к другу. Он формирует зоны плавления и зоны отжига, что позволяет используя только один нагреватель, осуществлять и плавление вещества, и отжиг кристалла в процессе его выращивания.

Молибденовый контейнер с исходным веществом устанавливается на платформу, выполненную из пруткового вольфрама, которая по специальным роликам с помощью механизма перемещения движется вдоль кристаллизационной камеры. Путем изменения величины анодного напряжения с помощью программного устройства добиваются соответствующего программированного изменения температуры.

Описание метода

Метод горизонтально направленной кристаллизации, схематично показанный на рис.2, заключается в следующем: в контейнер, имеющий форму лодочки, загружают шихту (в виде порошка, кристал­лического боя или керамики) расплавляют ее и путем перемещения контейнера сквозь зону нагрева, закристаллизовывают.

Рис.2 Схема метода горизонтально направленной кристаллизации(метод Багдасарова): 1- затравка; 2 - кристалл; 3 - расплав; 4 - контейнер; 5- нагреватель

Для получения строго ориентированного кристалла в вершину лодочки устанавливают затравку и визуально наблюдает как за моментом затравления, так и за формой фронта кристаллизации в процессе вы­ращивания монокристалла, так как в данном методе высота расплава много меньше среднего радиуса поверхности расплава, то возникают условия эффективного удаления примесей из расплава за счет испа­рения.

Для данного метода, характеризуемого изменяющейся величиной зеркала расплава, эффективный коэффициент распре­деления К с учетом испарения будет иметь вид

С=С₀K(1-x)^K-1 (1-δ₂ l₀ /h₀ x) φ/γ-1

где h₀ - первоначальная высота расплава в прямоугольной лодоч­ке; l₀ - первоначальная длина расплава.

Основные операции выращивания высококачественных кристаллов:

1) Подготовка исходной шихты

2) Изготовление молибденового контейнера и очистка его от оксидных пленок

3) Установка затравочного кристалла и наполнение контейнера исходной шихтой

4) Установка контейнера на платформу кристаллизационной установки

5) Соединение приемной и кристаллизационной камер

6) Введение контейнера в зону нагревателя с помощью ручного перемещения

7) Создание вакуума в кристаллизационной камере

8) Подъем температуры и расплавление вещества

9) Затравление путем визуального наблюдения через верхнее окно кристаллизационной камеры и включение механизма перемещения контейнера

10) Снижение температуры нагревателя после завершения кристаллизации

11) Отделение и поворот приемной камеры с помощью каретки, извлечение контейнера с кристаллом

Meтод вертикально направленной кристаллизации

В
контейнер, имеющий форму трубки в уплотненном виде, помещают исходную шихту, расплавляют ее и путем перемещения сквозь зону нагрева сверху вниз закристаллизовывают. Для получения строго ориентированного кристалла в нижней части трубки устанав­ливают затравочный кристалл изготовленный в форме цилиндра.

Рис.3

Схема установки вертикально направленной кристаллизации:

1- корпус камеры,

2-нагреватель,

3-вентель,

4-контейнер с материалом,

5-подставка для экрана,

6-промежуточная камера,

7-вентель ДН,

8-шток,

9-диффузионный насос (ДН),

10-форвакуумный насос,

11-корпус подвижного механизма,

12-кронштейн,

13-огнеупорная трубка,

14-насадка,

15-изолятор,

16-токоввод,

17-диэлектрическая прокладка,

18-монометрические лампы,

19-натекатель,

20-вентель,

21-экран

В отличие от горизонтально направленной кристаллизации в этом мето­де поверхность расплава сравнительно мала и определяется диамет­ром трубки. Поэтому процессы испарения замедленны, в результате чего требования к чистоте исходной шихты повышаются. Выражение для эффективного коэффициента рас­пределения примеси с учетом испарения выглядит так

C=K*C₀(1-x)*(K+₁)/(K+₂)-1

При реализации метода вертикально направленной кристаллиза­ции технологически просто сознать малоградиентное температурное поле, что позволяет выращивать ненапряженные монокристаллы. Основные механические напряжения возникают из-за прямого механизма контакта между кристаллом и контейнером. В методе верти­кально направленной кристаллизации градиент температуры на фрон­те роста характеризуется двумя составляющими: осевой и радиаль­ной. В процессе кристаллизации из-за перемещении контейнера с расплавом относительно нагревателя происходит изменение температуры в расплаве и кристалле, показанное на рис. 4.

Р
ис.4. Распределение температуры по высоте столба расплава иттрий-алюминиевого граната в контакте с молибденом контейнера и монокристаллом:

1 - температура на нагревателе;

2 - расплав в контакте с мо­нокристаллическим веществом;

3, 4, 5, - различные стадии кристал­лизации

Характерно явно нелинейное распределение температуры в расплаве, причем знак осевого градиента температуры вдоль высоты расплава меняется. Это обстоятельство оказывает решающее воздействие на характер конвективных потоков в расплаве, в результате чего они могут быть направлены как в сторону фазовой границы, так и от нее. Учет характера конвективных потоков важен но двум причинам, Во-первых, их интенсивность существенно сказывается на колебания температур, а во-вторых, их направление во многом определяет пе­ренос примесей вблизи фронта роста. Для реализации метода верти­кально направленной кристаллизации разработана кристаллизационная установка "Гранат-lM". Установка снабжена оптическим нагревателем, хотя допускает применение и высокочастотного нагрева. Она состоит из кристаллизационной камеры, в которой устанавливается нагреватель, и механизма вертикального перемещения. Для управ­ления мощностью нагрева имеется отдельный блок управления и стабилизации, схема которого аналогична схеме установки "Сапфир-2 М". Решающим узлом установки является коаксильный нагреватель, схе­ма которого представлена на рис. 5. Этот нагреватель имеет три трубки, вставленные друг в друга, и соединенные последовательно.

Р
ис. 5. Коаксильный нагреватель

Для получения рабочих .температур в области 2473 К внутренняя трубка выполнена из вольфрама, а две остальные - из молибдена. В том случае, когда требуется получение температур до 2973 К, все трубки изготавливаются из вольфрама. Соединение отдельных элементов нагревателя осуществляется с помощью аргонодуговой сварки в инертной среде. Нагревательный элемент устанавливается в центре кристаллизационной камеры так, чтобы его ось совпала с вертикальной осью камеры. На шток механизма перемещения навин­чивается держатель трубки контейнера (рис. 6).

В число основных операций для получения высококачественных монокристаллов входят: 1) подготовка исходной шихты;

2) очистка трубчатого контейнера;

3) заполнение контейнера исходной шихтой;

4) установка контейнера с держателем на механизм опускания;

5) создание предварительного вакуума и заполнение кристаллизаци­онной камеры инертным газом;

6) введение контейнера с шихтой в нагреватель;

7) подъем температуры и расплавление вещества;

8) проведение кристаллизации за счет перемещения контейнера с по­мощью механизма опускания;

9) снижение температуры нагревателя после завершения кристаллизации.

Первые три операции аналогичны уже описанным. Остальные операции несколько отличны, так как в методе вертикально направленной кристаллизации нельзя визуально наблюдать протекание межфазной границы. Наиболее просто в этом методе вести кристаллизацию в режиме спонтанного зарождения. В этом случае вначале шихта полностью расплавляется.

Р
ис. 6. Держатель контейнера:1 - держатель; 2 – контейнер

Центры кристаллизации об­разуются случайно по мере перемещения контейнера в более холод­ную зону. Если необходима кристаллизация на затравку, то предва­рительно с помощью термопар определяется распределение темпера­туры на нагревателе. С целью создания зоны кристаллизации, т.е. зоны с несколько большим осевым градиентом в нижнюю часть на­гревателя вваривается диафрагма, представляющая собой вольфрамо­вое кольцо.

Метод направленной кристаллизации успешно применяется для выращивания монокристаллов халькогенидов РЗ в молибденовых, танта­ловых и вольфрамовых контейнерах. Атмосфера кристаллизации обес­печивалась либо системой подпитки халькогеном, либо использованием заваренных ампул.

Достоинства:

1) Открытая поверхность расплава позволяет вводить в расплав активирующую примесь на любом этапе выращивания моно­кристалла.

2) Этот метод также позволяет проводить многократную пе­рекристаллизацию вещества. 3) Имеется возможность выращивать монокристаллы различных геометрических форм и осущест­влять непрерывный процесс выращивания кристаллов путем направлен­ного перемещения серии контейнеров через зону кристаллизации.

4) При реализации данного метода технически просто создать малоградиент­ное температурное поле, что обеспечивает выращивание ненапряжен­ных монокристаллов таких крупных размеров, которые другими спо­собами получить практически невозможно.

Недостатки:

1. Попадание примесей из тигеля в кристалл.

2. Не равномерное распределение примеси по длине готового слитка.