4.5. ВЫРАЩИВАНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ

  Главная      Учебники - Радиотехника     Технология керамических радио- электронных материалов

 поиск по сайту           правообладателям

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  ..

 

 

4.5. ВЫРАЩИВАНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ

Современное развитие радиоэлектронной техники требует материалов с высоким кристаллографическим совершенством и чистотой. Традиционные методы керамической технологии не могут обеспечить заданного уровня характеристик. Существует несколько методов выращивания монокристаллов — из расплава, раствора и газовой среды. Разработаны технологические процессы выращивания монокристаллов керамических материалов с различными кристаллическими решетками с относительной плотностью, практически равной рентгеновской (теоретической). Каждый метод выращивания имеет свои специфические особенности, достоинства и недостатки, что и определяет его применение [1, 4, 11, 12, 40, 50]. Из монокристаллических полуфабрикатов изготавливают детали разных размеров и форм: цилиндры, диски, сферы, стержни, пластины и т. д.

Метод выращивания из раствора в расплаве. Сущность метода — в выделении растущих кристаллов из расплава шихты, растворенной в легкоплавком нелетучем веществе. При медленном охлаждении расплава избыточное, по сравнению с равновесным, количеством материала выделяется в виде монокристаллов различной величины. В качестве растворителей используют оксиды, разлагающиеся соли или их сочетания: PbO, PbF2, В2О3, В12О3, ВаСОз, Bi2СОз, тетраборнокислый натрий и др. В расплавленном состоянии они должны хорошо растворять исходные компоненты кристаллизующегося материала, но не их твердые растворы. После затвердевания кристаллы должны без особых трудностей отделяться от растворителя. Иногда в состав флюсов вводят добавки, например борный ангидрид, который уменьшает вязкость расплава и ускоряет процесс.

Основу технологии составляют операции: по дозировке исходных компонентов; смешению и помолу шихты; наплавлению и прокаливанию ее; собственно кристаллизации; отмывке; сушке и отбраковке монокристаллов. Для ферритов, например, перемешивание и измельчение ведут в вибромельнице сухим способом 30 мин при соотношении масс шихты и шаров, равном 1: 10. После просева большую часть порошка засыпают в платиновый тигель, который неплотно закрывают платиновой крышкой и помещают в печь для наплавления, температура которого в зависимости от материала 850—1200°С (1123—1473 К) время выдержки 1 ч, охлаждение с печью. Затем в тигель с наплавленным материалом загружают оставшуюся часть шихты, прокаливают при Т — 600 °С (873 К) 2 ч, и плотно закрывают крышку^ Место соединения крышки с тиглем герметизируют огнеупорной замазкой из оксида алюминия, огнеупорной глины и шаматного порошка.

Выращивают монокристаллы в установке (рис. 4.20) — это печь 8 с силитовыми нагревателями и опускающимся подом. Для равномерности температурного поля и недопущения прямого облучения тигля нагреватели 6 защищают цилиндрическим карборундовым экраном 7. Тигель с расплавом 5 устанавливают на под 4, который может вращаться со скоростью 25—30 об./мин механизмом 2 для выравнивания температуры. Механизм 3 служит для вертикального перемещения тигля. Измеряют температуру термопарами 1, которые выведены на потенциометр. Для ферри-товых материалов режимы выращивания кристаллов: 7=1100— 1400°С (1373—1673 К), температура плавления большинства ферритов превышает 1600°С (1873 К); т=10—20 ч; охлаждение со скоростью 0,5—2,0°С/ч в течение 25—40 ч до заданной температуры, а затем на воздухе или с закалкой. После охлаждения выращенные кристаллы отделяют от затвердевшего расплава в нагретом 20 %-ном растворе азотной кислоты. Применяют также способ слива расплава в вакууме. Иногда при выращивании могут образовываться несколько ферритов с различными решетками, для разделения которых можно использовать магниты с учетом разницы в значениях температуры точки Кюри; различаются кристаллы и по внешнему виду. Кристаллы не превышают нескольких миллиметров.

Есть разновидность этого метода, заключающаяся в наращивании кристаллизующегося образца на ориентированную затравку. Она опускается нижней частью в раствор, вращается со скоростью около 130 об./мин; в процессе роста кристалла производится охлаждение со скоростью 0,1—0,8°С/ч. Таким способом можно выращивать одиночные кристаллы с размерами до 20x25 мм.

Выращивание кристаллов сопровождается ростовыми дефектами, создающими значительные внутренние напряжения в материале. Эти дефекты в значительной степени можно устранить обжигом. Недостатки метода: возможное загрязнение монокристаллов флюсами-растворителями, наличие в производстве платиновых тиглей, жесткие режимы охлаждения расплава, сложная механическая обработка изделий. Однако метод позволяет выращивать кристаллы с достаточно большой скоростью — до нескольких миллиметров в час.

Метод Чохральского — один из основных методов, применяемых в технологии выращивания полупроводниковых монокристаллов. Его используют и при получении монокристаллических ферритов. Сущность метода — в вытягивании монокристалла на затравку с поверхности расплавленного исходного материала с использованием сил поверхностного натяжения (рис. 4.21). Установка состоит из кварцевого цилиндра 1, графитового тигля 6, в который вставлен кварцевый тигель 7. Графит служит для приема энергии от индуктора токов высокой частоты 9, но может использоваться и электрическая нагревательная печь. Если подплавленную затравку 4 на стержне 10 поднимать медленно и со вращением, то за ней, из-за поверхностного натяжения, будет тянуться и затем кристаллизоваться слой 5 расплава 8. Через патрубок 3 в установку можно вводить защитные газы или создавать вакуум. Через смотровое окно 2 наблюдают за процессом. Температура в камере роста кристалла поддерживается с точностью ±0,1°С (К), что в некоторой степени достигается вращением (10 об./мин) тигля в сторону, обратную вращению затравки. Скорость вытягивания составляет около 6 мм/мин. Изменением скорости и температуры в известной мере удается регулировать диаметр монокристалла. Описанная технология типична для элементарных полупроводников.

При выращивании ферритов этим методом в режимах технологии есть принципиальные отличия [12]. Для достижения стабильного равновесия и однородности состава материал плавят в течение 5—7 суток. Со времени соприкосновения поверхности расплава с концом охлаждаемого водой затравкодержателя делают выдержку несколько суток, что необходимо для образования зародышевого кристалла. Затем тигель очень медленно опускают со скоростью 12—13 мм в неделю, снижая температуру расплава по программе и поддерживая непрерывный контакт между расплавом и зародышем.

Основные преимущества метода Чохральского: непрерывность процесса выращивания; свобода роста кристаллов (нестесненнос-ти), что обеспечивает минимальные напряжения в материале, однородность состава; возможность выращивания монокристалла с заданной формой поперечного сечения и визуального наблюдения за процессом. Трудности процесса заключаются в том, что температура плавления выше температуры диссоциации некоторых оксидов, например железа в ферритах. Однако недостаток можно нивелировать, если подобрать соответствующий флюс, способный образовывать с ферритом эвтектику, температура плавления которой меньше температуры диссоциации оксида железа. Аналогичный эффект дает создание равновесной среды для данного состава и температуры, но в отдельных случаях давление очень велико, например для феррита кобальта — 60 МПа. Тогда целесообразно применить другой метод выращивания монокристалла, например из раствора в расплаве. Тигли для ферритовых расплавов должны быть платиновые или платино-иридиевые. В качестве защитной среды можно использовать газ СО2.

Примером разновидности метода Чохральского может служить двухступенчатый процесс. Первая ступень — вытягивание моно-кристаллической були из расплава в защитной атмосфере, как
это было показано для полупроводников. В результате получают двухфазный кристалл с когерентной структурой и упорядоченной кислородной решеткой (напрнмер, типа шпинели). Вторая ступень— обжиг с длительной выдержкой в окислительной среде при температуре, достаточной для быстрой диффузии ионов металлов в тетра- и окта-позиции основной решетки. При этом монокристалл превращается в однофазную композицию по всему объему були.

Для получения монокристаллов можно использовать и метод зонной плавки. Стержень из поликристаллического материала закрепляется в зажимах в кварцевой печи и расплавляется в виде узкой полосы.

Разогрев можно производить с помощью токов высокой частоты или электронной бомбардировки. Нагревательное устройство может передвигаться возвратно-поступательно вдоль стержня и вместе с ним будет перемещаться зона проплавления материала. Соответствующая скорость, температура и время могут создать условия для получения монокристаллической структуры.

Зонная плавка может успешно применяться для очистки от

примесей Са, Сu, Mn, Si, Fe и других, например в полупроводниках. Примеси обладают более низкой энергией активации, чем основной материал в расплавленном состоянии, поэтому по мере продвижения жидкая зона все больше ими насыщается и переносит примеси к концам заготовки, которые затем обрезают и направляют в переплав. Для управления этим процессом используют явление сегрегации (неодинаковость растворимости примесей в жидком и твердом состояниях).

Перед надвигающейся зоной (на фронте плавления) твердая фаза плавится и питает зону новым материалом. За зоной (на фронте кристаллизации) затвердевает более чистое вещество, чем в зоне плавления, если коэффициент распределения примесей в материале менее единицы.

Метод Вернейля применяют для получения крупных кристаллов с плавлением материала в кислородно-водород-ном пламени. Этим методом можно получать даже тугоплавкий корунд, Т„„ =

= 2050°С (2323 К). Принцип работы установки состоит в следующем

(рис. 4.22). В резервуар 2 с сетчатым дном засыпают шихту и подают ее равномерной струйкой по системе 3 через зону пламени 4 горелки на установленную в печи 5 вращающуюся жаропрочную свечу-крн-сталлоносец 6. Для непрерывной и равномерной подачи порошка в печь используют ударное устройство /. Частицы, подплавляясь по пути падения, на кристаллоносце сначала образуют конус из спеченных образований и затем из вершины вырастает монокристалл. По мере его роста свеча с помощью устройства 7 плавно и медленно опускается вниз таким образом, что поверхность жидкой фазы (фронт кристаллизации) на кристалле остается на постоянном уровне и проходит через температурный фокус пламени. Между скоростью подачи шихты, размером растущего кристалла и скоростью его опускания должно существовать определенное соотношение.

При выращивании ориентированных кристаллов на свечу устанавливают затравку в виде ориентированного осколка такого же материала. Повышая температуру пламени, верхушку затравки оплавляют и на нее направляют распыленную шихту, которая при кристаллизации образует основание монокристалла. Так можно вырастить крупные направленные образцы диаметром 7—9 мм и длиной до 50 мм и более. Кислород и водород подаются по той же системе 3, и в горелке образуют горячую смесь. Отношение объемов указанных газов в пламени составляет примерно Н2:О2=0,7:1.

Преимущества метода Вернейля — в отсутствии загрязнения растущего кристалла и платиновой оснастки. Но высокая температура процесса создает в кристаллах внутренние напряжения; возможны испарения и восстановление отдельных компонентов, что нарушает стехиометрию состава материала.

Можно использовать в этом методе плазменную горелку. Распыленный оксид очень равномерно подают с потоком газа в зону плазмы, которую предварительно ионизируют ВЧ генератором мощностью, например, 9 кВт, работающего на частоте 5 МГц. Монокристалл образуется на опорной трубке из оксида алюминия со скоростью 1—2 мм/ч. Общая продолжительность выращивания составляет около 5 ч. Возможно применение затравок.

Метод Бриджмена состоит в кристаллизации расплавленной керамики при ее медленном охлаждении в тигле, плавно перемещаемом в печи через зоны нагрева с разной температурой. Для предотвращения процессов разложения твердых растворов при высокой температуре 1500—1600 °С (1773—1873 К) и их окисления при низкой температуре выращивание кристаллов ведут в регулируемой среде, которая может изменяться от окислительной до нейтральной. Температура расплава должна быть немного на 30—40 °С (К) выше температуры плавления. После необходимой выдержки тигель со скоростью 3—8 мм/ч опускают по каналу специальной, например шахтной печи. С определенного момента скорость охлаждения можно увеличить до 50 К/ч, но в инертном газе. Этим методом выращивают монокристаллы с размерами до 20X40 мм.
Особо следует отметить успешно развивающуюся технологию выращивания монокристаллов в космическом пространстве, обладающем уникальным сочетанием свойств: глубокий вакуум, высокая и низкая температуры, невесомость, радиоактивные излучения высоких энергий, микрогравитация. Степень изменения этих свойств можно регулировать. В космосе уже получены многие материалы в монокристаллическом состоянии на специально созданном технологическом оборудовании с уникальным сочетанием структурных, электрофизических, оптических и других свойств.