[11] Методы Выращивания Кристаллов В Электронной Технике (987513), страница 7

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

Текст из файла (страница 7)

Р
ис.11.1.17. 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. 11.1.18. Этот нагреватель имеет три трубки, вставленные друг в друга, и соединенные последовательно.

Р
ис. 11.1.18. 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. 11.1.19).

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 описанным в разделе 11.1.5, 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. 11.1.19. 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.

В качестве примера рассмотрим выращивание монокристаллов ортоалюмината иттрия YAlO₃. Особенность этого процесса заклю­чается в том, что само вещество представляет собой метастабильную фазу, образование которой в отличие от Y₃Al₅O₁₂ оказалось энергетически более выгодным. Дело в том, что координационные числа для иттрия и алюминия в расплаве и ортоалюминате близки и существенно различаются между расплавом и иттрий-алюминиевым гранатом. Это определяет так называемый кинетический фазовый переход, благодаря которому скорость роста кристаллов ор-тоалюмината иттрия в несколько раз выше, чем иттрий-алюминиевого граната. Исходная шихта в виде механической смеси оксидов Y₂O_{3 и} Al₂O₃ помешается в молибденовую трубку, диаметром 12-14 мм, которая закреплена в держателе. Держатель с трубкой, заполненной шихтой, навинчивают на механизм опускания и вручную вводят трубку в нагреватель. Затем, после создания форвакуума, заполняют камеру азо­том, в который добавляют водород (2% по объему). Такая газовая среда предотвращает реакции окисления при нагреве системы.

В том случае, когда исходное вещество обладает достаточно высокой упругостью пара необходима кристаллизация под избыточным внешним давлением. Обычно используются избыточные давления до 200 атм. Этот способ не единственный. Имеется возможность создания избыточного давления за счет кристаллизуемого вещества. Для этого достаточно плотно закупорить контейнер с веществом; по мере испарения вещества внутри контейнера создается избыточное давление за счет собственных паров материала. Для этого разрабо­тана специальная пробка (рис. 11.1.20), которая после заполнения кон­тейнера шихтой вставляется в верхний торец трубки. Герметичность достигается путем предварительного расплавления другого вещества помещенного между стенкой контейнера с пробкой, обладающего тем­пературой плавления много выше чем кристаллизуемое вещество.

Р
ис. 11.1.20. Система герметизации контейнера:1 — пробка; 2 — герметизируемое веще­ство; 3 — контейнер

Метод направленной кристаллизации успешно применяется для выращивания монокристаллов халькогенидов РЗ в молибденовых, танта­ловых и вольфрамовых контейнерах. Атмосфера кристаллизации обес­печивалась либо системой подпитки халькогеном (рис.11.1.21), либо использованием заваренных ампул.

Р
ис. 11.1.21. Схема реактора для выращивания кристаллов сульфидных редких земель в атмосфере паров серы; 1 - затвор, 2 - кварцевый реактор; 3 - ти­гель с сульфидом; 4 - тепловой экран; 5 - ВЧ индуктор

11.1.1.7 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.

Р
ис. 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.

Характеристики

Список файлов учебной работы