Выращивание кристаллов (987305), страница 8

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 8)

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.

Р
ис. 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.

11.1.7.2 Гарнисажный метод выращивания кристаллов

Этот метод заключается в использовании водоохлаждаемого контейнера, который целиком заполняется в начале эксперимента шихтой кристаллизуемого соединения. Слой кристаллизуемого вещества, прилегающий к холодному контейнеру, остается нерасплавленным в процессе роста и является фактически "холодным тиглем". Поддержание устойчивого положения границы расплав-гарнисаж осуществляется путем управления мощностью высокочастотного генератора. Для создания и удержания расплава, поглощающего энергию высокочастотного поля, не­обходимо, чтобы исходное неэлектропроводное вещество было нагрето до температуры, при которой оно приобретает электропроводность, достаточную для эффективного поглощения высокочастотного поля. Наиболее радикальным решением проблемы является создание стар­тового (или затравочного) расплава, т.е. небольшого количества расплава в массе твердой фазы. Условием жизнеспособности стартового расплава, т.е. его способности увеличиваться в объеме, является неравенство

VP>k (T_p-T₀)πD₀² (11.1.17)

где \/ - объем стартового расплава; Р - мощность потребляемая единицей объема расплава; k -коэффициент теплопередачи от расgлава к теплоносителю; Т₀ -температура расплава, Т_p -температура теплоносителя; D₀- диаметр стартового расплава.

Левая часть неравенства представляет собой мощность, выделяющуюся в стартовом расплаве, а правая - мощность, теряемую через поверхность расплава. Теплоту фазового перехода из рассмотрения исключаем, так как расплавление может происходить в принципе коль угодно медленно, тогда условием жизнеспособности расплава является

D>6k/P*(T_p-T₀) (11.1.18)

т.е. начальный диаметр капли расплава превышать некоторый критический D_к.

Как видно из неравенства (11.1.18), критический объем расплава для данного вещества зависит в основном от теплоизолирующих свойств окружающей расплав твердой фазы. Для создания стартового расплава могут быть применены спо­собы.

1. Плавление путем подвода лучистой энергии. Источником излучения могут служить мощные дуговые газоразрядные лампы (например, шаровые ксеноновые лампы сверхвысокого давления), дуга постоянного или переменного тока, мощный лазер. Во всех случаях необходима система, фокусирующая изучение на поверхность расплавляемого вещества. Этот метод может быть применен к любым веществам, так как он является абсолютно чистым.

2. Плавление с помощью факела. Источником факела могут быть газовые (кислородно-водородные, ацетилено-водородные) или плазменные (дуговые, высокочастотные) горелки. Ограничением метода яв­ляется невозможность его использования для веществ, взаимодейст­вующих с исходными газовыми компонентами пламени или с продук­тами его горения,

3. Нагрев и плавление с помощью электрической дуги. В этом случае дуга образуется между электродами, введенными непосредст­венно в расплавляемый материал. Может быть использована дуга как постоянного тока, так и переменного. Электроды могут быть как нагреваемыми (графит, иридий и т.п.), так и холодными (охлаждае­мыми водой или другими теплоносителями). В некоторых случаях фа­кел дуги может находиться не в объеме вещества, а вблизи поверх­ности, расплавляя ее своим излучением. Этот метод может быть применен для создания стартового расплава веществ, не образующих с материалом электродов стойких продуктов взаимодействия.

4. Плавление путем введения в вещество постороннего электропроводного материала - тела нагрева. Телами нагрева могут слу­жить цилиндры (или изделия другой формы) из тугоплавких металлов. После создания стартового расплава, образующегося в месте контак­та с телом нагрева, тело нагрева извлекается из расплавленного материала. Понятно, что тело нагрева не должно образовывать в ус­ловиях эксперимента стойкие загрязняющие соединения с расплавлен­ными веществами.

5. Плавление путем введения в объем расплавляемого вещества металла, входящего в состав этого вещества (алюминия в случае лейкосапфира и рубина, циркония в случае двуокиси циркония и т.д.). Отличие этого метода от предыдущего состоит в том, что тело нагрева после создания стартового расплава остается в расплаве и постепенно переходит в соединение, идентично расплавляемому. В некоторых случаях может быть применен металл, являющийся акти­ватором основного вещества.

Время и скорость создания стартового расплава в случае плавления путем введения в объем расплавляемого вещества металла, входящего а состав этого вещества, можно определить, рассматри­вая задачу о распространении зоны плавления при нагреве диэлект­рика полем высокой частоты. Из теории индукционного нагрева из­вестно, что при данной частоте генератора эффективно нагревается только некоторый цилиндрический объем радиуса R. Считая, что в области лежащей вблизи стартового расплава температура ли­нейно изменяется с расстоянием от центра нагревательного индук­тора, можно предполагать, что в этой области нагрев идет лишь за счет теплопроводности. Этот факт позволяет рассматривать задачу о нагреве некоторого объема, как внутреннюю задачу теплопроводно­сти, для цилиндра радиуса R при наличии внутренних источников, плотность которых зависит от величины расстояния от центра индук­тора.

Метод гарнисажа используется также и в методике направлен­ной кристаллизации путем снижения температуры расплава. При этом образуется крупноблочный слиток, из которого извлекаются отдельные монокристаллы. Большой интерес для выращива­ния совершенных тугоплавких оксидных монокристаллов представля­ет комбинация "холодного тигля" с методикой выращивания по ме­тоду Чохральского, когда с помощью ВЧ—нагрева в медном водоох-лаждаемом контейнере материал доводится до температуры, близ­кой к температуре плавления, и в середину тигля по определенной схеме фокусируется излучение мощных световых источников, с по­мощью которых осуществляется плавление материала, управление температурными полями в зоне кристаллизации и предварительный отжиг выращиваемого кристалла. К недостаткам гарнисажного ме­тода следует, безусловно, отнести наличие значительного перегрева некоторых областей расплава, трудность строгого контроля процесса роста в течение длительного времени.

11.1.1.8. Новые экспрессные методы выращивания тугоплавких лазерных монокристаллов

Для широкого поиска новых кристаллов необходимо развитие новых методов выращивания, которые в сильной степени определя­ются источниками нагрева. В этой связи важное развитие получили лучевые источники нагрева, позволяющие строго создавать ограни­ченный объем расплава, обеспечивая при этом высокую стабильность процесса. Рассмотрим метод оптической зонной плавки (ОЗП), на­шедший широкое применение при синтезе лазерных монокри­сталлов. Этим методом можно выращивать моно­кристаллы высокотемпературных соединений в любой атмосфере, в вакууме и под давлением без загрязнения материала в процессе выращивания, быстро получать целые серии кристаллов, легирован­ных различными примесями, а также отсутствие температурных ог­раничений, легкость стабилизации и автоматизации. При проведении экспериментов по этому методу затраты сравнительно малы, что объясняется как небольшим количеством материала, так и отсутст­вием необходимости использовать дорогостоящие тигельные мате­риалы (например, иридий или платина) для контейнера. К числу недостатков следует отнести ограниченность диаметра выращивае­мых кристаллов, что связано с мощностью выпускаемых промышлен­ностью газоразрядных ламп, большие температурные градиенты, свойственные методу зонной плавки.

Н
иже приводится описание установок для выращивания монокристаллов тугоплавких оксидных монокристаллов. Схема метода ОЗП дана на рис. 11.1.24 а. Цилиндрический стержень из прессованного материала 3 и монокристаллическая затравка 6 закрепляется вертикально в цанговых держателях 2 и 8.

Рис. 11.1.24 а,б,в. Выращивание монокристаллов методом зонной плавки:

а - узел выращивания; б- двухзеркальная оптическая установка; в - трехзеркальная опти­ческая установка

Р
ис. 11.1.24 г. Варианты оптических схем. 1 – верхний шток; 2-цанговый держатель; 3 – стержень из прессованного материала; 4 — зона высоких температур; 5- зона расплава; 6 — монокристаллическая затравка; 7-внешняя аллундовая трубка; 8 - нижний держатель; 9 – шток; 10 - внутренняя трубка кристаллизатора; 11 – ВЧ-индуктор; 12- нагревательныестержни; 13,14 - эллиптические отражатели; 15 – газоразрядные лампы; 16- дальний фокус эллиптических отражателей; 17 - сферический отражатель и; 18,19- отверстия в эллиптических отражателях; 21,22-пароболические отражатели; 23,24- сферические отражатели; 25- плоское зеркало

Расплавленная зона создается фокусированием с помощью двух эллиптических зеркал 13 и 14 (рис. 11.1.24 б) лучистой энергии ксеноновой лампы сверхвысокого давления. Прессованный стержень 3 медленно вводится в зону высоких темперaтyр 4 и на конце его создается капля расплавленного материала. После получения капли к ней снизу подводится монокристаллическая затравка 6 для соприкосновения, и, таким образом, создается зона расплавленного материала, удерживаемая силами поверхности - на­тяжения. Если продвигать всю систему относительно зоны 4, то, очевидно, можно прогнать расплавленную зону практически по всей длине прессованного стержня. Достаточная степень перемешивания материала в расплавленной зоне достигается вращением стержня 3 и затравки 6 (рис. 11.1.24 а). Остановимся подробнее на основных узлах системы, поскольку они могут использоваться и в других ме­тодах выращивания кристаллов. Оптическая часть системы (рис. 11.1.24 б) включает в себя газоразрядную лампу высокого давле­ния 15 и два эллиптических отражателя 13 и 14 диаметром 600 мм, которые имеют внешние серебряные покрытия и разнесены на такое расстояние, чтобы их дальние фокусы 16 совпадали. Газо­разрядная лампа 15 находится в ближнем фокусе отражателя 14. Для избежания потерь лучистой энергии, не попадающей на отража­тель 14, над лампой ставится водоохлаждающий сферический отра­жатель 17, снабженный системой юстировки. Таким образом лучи­стая энергия, излучаемая лампой, собирается в фокусе отражателя 13 в зоне высоких температур 4. В центре каждого из эллиптиче­ских отражателей имеются отверстия 18 и 19. Через отверстие 18 верхнего отражателя проходит шток с цанговым держателем от механизмов вращения и опускания, а через отверстие 19 подстав­ка, на которую крепится пампа и которая связывает последнюю с механизмом ее юстировки в горизонтальном и вертикальном направ­лениях. Кроме того, эти отверстия создают возможность получения в зоне верхнего отражателя холодной конусообразной зоны, в кото­рую помешаются механизмы, необходимые для выращивания моно­кристаллов. Юстировка системы производится в два этапа. На первом из них производится их юстировка по вертикальной оси на определенном расстоянии друг от друга. На втором этапе в ближние фокусы эллиптических отражателей ставятся точечные световые источники и производится дополнительная настройка с учетом индивидуальных свойств взятых отражателей. В процессе работы ус­тановка не требует проверки оптической системы. Срок между двумя котировками практически определяется сроком службы лампы. Механическая часть установки ничем не отличается от анало­гичных частей систем, применяемых для получения полупроводниковых материалов. В том случае, когда для выращивания требуется создание какой-либо атмосферы или вакуума, зона создается в проз­рачной кварцевой трубе, имеющей уплотнения на концах. Для сниже­ния температурных градиентов сразу же после зоны высоких тем­ператур устанавливается печь отжига. Конструкции печи могут быть разнообразными. В описываемой системе применен индукционный нагрев, в качестве нагревательных элементов могут быть взяты цилиндры из платины, иридия, дисилицида молибдена - в зависимости от требуемой температуры отжига. При использовании в описан­ной системе газоразрядной лампы в зоне высоких тем­ператур удавалось создать световые потоки с плотностью до 800 Вт/см². Этого достаточно, чтобы расплавить материал типа тугоплавких оксидов с температурой плавления до 2800 К и диа­метром зоны 6 мм.

Характеристики

Список файлов лекций