Технология материалов и изделий электронной техники. Выращивание монокристаллов из расплавов. Лабораторный практикум

плава и формирует команду на коррекцию высоты положения тигля с расплавом: его опускание или подъем (в зависимости от результата сравнения). В итоге мениск занимает заданное положение и т.д. Постоянство температуры расплава TЖ поддерживается с помощью специального терморегулятора.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

VПОД

Рис. 8.3. Схема технологической установки для выращивания кристаллов методом СК:

1 – верхний шток; 2 – затравка; 3 – верхняя камера; 4 – кристалл; 5 – диафрагма; 6 – тигель;

7 – расплав; 8 – нижняя камера; 9 – нижний шток

2.Кристаллизатор с верхним и нижним приводами для выращивания монокристаллов.

3.Весы аналитические для дозировки компонентов шихты.

4.Шихтовые материалы.

5.Затравки монокристаллические.

6.Тигель для шихты.

7.Штангенциркуль для измерения размеров затравки и кри-

сталлов.

8.Образцы кристаллов промышленного производства и изделий из них.

72

8.4. Порядок выполнения работы и обработка результатов эксперимента

1.Ознакомиться с инструкциями по технике безопасности.

2.Составить схему приводов кристаллизатора с указанием характеристик основных узлов.

3.Произвести расчет необходимого количества шихтовых материалов.

4.Произвести измерение размеров тигля.

5.Произвести взвешивание шихтовых материалов и загрузку их в тигель.

6.Задавшись диаметром кристалла d и скоростью его роста VT, рассчитать скорость подъема тигля VПОД по формуле (8.3).

7.Расплавить шихту.

8.Прогреть затравку, выдержав ее над расплавом в течение

15…20 мин.

9.Коснуться затравкой поверхности расплава и после небольшой выдержки приступить к формированию верхнего конуса кристалла, включив привод кристаллодержателя.

10.По достижении заданного рабочего диаметра выращиваемого кристалла включить привод подъема тигля и наблюдать за дальнейшим ростом кристалла.

11.По достижении заданного аксиального размера кристалла осторожно произвести отрыв вырешенного кристалла от расплава и приступить к его отжигу.

12.После охлаждения кристалла провести измерение его размеров и обследование ростовых дефектов.

8.5. Отчет по работе

Отчет должен содержать следующие материалы.

1.Необходимые сведения из Инструкции по технике безо-

пасности.

2.Схемы приводов кристаллизатора.

3.Расчет количества шихтовых материалов.

4.Расчеты скорости подъема тигля Vпод по формуле (8.3).

5.Эскиз кристалла с указанием его размеров.

6.Хронометраж процесса выращивания кристалла.

7.Результаты обследования выращенных кристаллов на наличие дефектов.

73

8. Сравнительную характеристику методов выращивания: Чохральского, Стокбаргера, Киропулоса и метода СК.

8.6.Контрольные вопросы

1.Каковы недостатки метода Стокбаргера?

2.Каковы недостатки метода Киропулоса?

3.Каковы особенности процесса выращивания кристаллов методом СК?

4.Каковы преимущества метода СК по сравнению с методами Стокбаргера и Киропулоса?

5.Каковы причины нестабильного положения межфазной границы при выращивании кристаллов?

6.Каким образом обеспечивается фиксированное положение поверхности расплава в процессе выращивания кристаллов методами Чохральского, Стокбаргера, Киропулоса и СК?

7.Каковы причины изменения диаметра выращиваемого кри-

сталла?

8.Как поддерживается постоянный уровень мениска в процессе выращивания методом СК?

9.Как регулируется диаметр выращиваемого кристалла?

10.Чем отличаются тепловые условия выращивания кристаллов методами Чохральского, Стокбаргера, Киропулоса и СК?

11.Как обеспечивается постоянство скорости кристаллизации в вышеперечисленных методах?

12.Как обеспечивается стабильность диаметра растущего

кристалла?

13.Как осуществляется теплоотвод скрытой теплоты кристаллизации?

14.Каким образом устраняются нарушения, возникающие в системе «расплав – растущий кристалл»?

8.7.Библиографический список

1.Розин К.М. Физико-химические основы процессов получения оптических и акустических монокристаллов. М.: МИСиС, 1977.

Ч. 1. С. 24 – 40.

2.Шашков Ю.М. Выращивание монокристаллов методом вы-

тягивания. М.: Металлургия, 1982. С. 24 – 60, 98 – 120.

3.ЭйдельманЛ.Г., Доклады АН СССР, 1968. Т. 180. №3. С. 599.

4.Апилат В.Я., Олейник Г.М., Эйдельман Л.Г. // Приборы и техника эксперимента, 1966. №3. С. 216.

74

Лабораторная работа 9

ВЫРАЩИВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОНОКРИСТАЛЛОВ МЕТОДОМ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

(2 часа)

9.1. Цель работы

Ознакомление с одним из новейших перспективных методов выращиваниятугоплавкихкристалловкрупногосечения– методомГНК.

9.2. Теоретическое введение

Потребности радиоэлектроники и электронной техники, испытывающих острую нужду в диэлектрических монокристаллах крупного сечения, а также высокая стоимость платиновых и платиноиридиевых тиглей для выращивания тугоплавких монокристаллов методом Чохральского (с температурами кристаллизации до 2000 С) стимулировали разработку одного из новейших методов выращивания – метода горизонтальной направленной кристаллизации (ГНК), разработанного в лаборатории высокотемпературной кристаллизации Института Кристаллографии Академии Наук под руководством чл.- корр. АН Х.С. Багдасарова.

Благодаря своим достоинствам метод ГНК получил широкое распространение при получении тугоплавких монокристаллических материалов, применяемых не только в радиоэлектронике и электронной технике, но и в акустоэлектронике и даже в ювелирной промышленности.

К достоинствам метода ГНК можно отнести, помимо замены драгоценных и весьма дефицитных материалов для контейнера (платины и иридия) более доступным и более тугоплавким молибденом, также следующие его особенности:

– возможность выращивания монокристаллов большого се-

чения;

– наличие эффекта самоочистки расплава благодаря интенсивному испарению вредных примесей при высоких температурах и

75

сильно развитой поверхности испарения расплава, который позволяет значительно снизить требования к чистоте шихтовых материалов;

– относительная техническая и технологическая простота проведения процесса и многие другие.

Рассмотрим технологический процесс выращивания монокристаллов методом ГНК.

Молибденовая лодочка (температура плавления молибдена –

более 2300 С) из листового металла (толщина стенок до 0,5 мм) загружается тугоплавкой шихтой (например, шихтой алюмоиттриевого

граната Y3Al5O12 с температурой плавления 1930 С) и помещается в высокотемпературную камеру с инертным газом (рис. 9.1). В передней части лодочки помещается монокристаллическая затравка заданной кристаллографической ориентировки, которая определяется техническими условиями процесса.

Рис. 9.1. Схема контейнера (лодочки) для выращивания монокристаллов методом ГНК:

1 – молибденовая лодочка; 2 – распла; 3 – вольфрамовый нагреватель сопротивления; 4 – растущий кристал; 5 – клювик для затравки

Шихта в лодочке расплавляется с помощью вольфрамовых нагревателей электросопротивления (температура плавления вольфра-

ма – 3400 С), изготовленных из прутков диаметром 8 мм. После расплавления загрузки молибденовая лодочка с расплавом медленно перемещается из зоны нагрева во вспомогательную камеру. При скорости передвижения лодочки около 10 мм/час в ней вырастает плоский кристалл крупного сечения в форме пластины толщиной около 20 мм, шириной до 300 мм и длиной до 400 мм. Конструкция кристаллизационной установки позволяет проводить непосредственный визуальный контроль процесса как на этапе затравливания, так и на этапе роста

76

основной части монокристалла, то есть делает возможным прямое наблюдение (через специальное окно в корпусе установки) за положением и формой фронта кристаллизации, что позволяет подбирать оптимальный режим для выращивания кристаллов из расплава.

Для осуществления высокотемпературной кристаллизации методом ГНК вольфрамовые нагреватели в форме многовитковой прямоугольной спирали окружают системой многослойных тепловых экранов из танталовой жести. Тепловые экраны выполняются из отдельных блоков, что обеспечивает удобство их сборки и разборки, а также быструю замену вышедших из строя блоков. При этом внутренний тепловой экран (ближайший к нагревателю) выполняется из отдельных вольфрамовых прутков (диаметром 5 мм), укладываемых плотно друг к другу.

Для данного метода выращивания характерно эффективное удаление примесей, чему способствует не только весьма высокая температура расплава, но и хорошо развитая поверхность расплава (при небольшой величине отношения глубины лодочки к ее ширине – в отличие от методов Чохральского, Киропулоса и др.).

Особенностью метода ГНК является также возможность проведения многократной предростовой перекристаллизации материала, что способствует глубокой очистке кристаллизуемого вещества и позволяет значительно снизить требования к чистоте исходных шихтовых материалов. Наличие открытой поверхности расплава позволяет вводить в него активирующую примесь на любом этапе выращивания кристалла.

Весьма характерной и выгодной особенностью метода ГНК является возможность реализации малоградиентного температурного поля, что позволяет выращивать монокристаллы со сравнительно небольшими внутренними напряжениями – это особенно важно, если учесть рекордные размеры выращиваемых кристаллов.

В заключение приведем схему процесса выращивания монокристаллов методом ГНК, содержащую перечень основных технологических операций.

1.Изготовление молибденового контейнера и очистка его поверхности от окисных пленок.

2.Подготовка шихты.

3.Установка затравочного кристалла и заполнение лодочки

шихтой.

77

4. Установка лодочки с шихтой на платформу приемной ка-

меры.

5.Соединение приемной камеры с кристаллизационной (высокотемпературной) камерой.

6.Введение лодочки в зону плавления.

7.Ваккуумирование кристаллизационной камеры.

8.Подъем температуры в печи и расплавление шихты.

9.Затравливание кристалла и включение привода горизонтального перемещения лодочки.

10.Перемещение лодочки во вспомогательную камеру (осуществляется одновременно с ростом кристалла).

11.Отжиг выращенного кристалла.

12.Охлаждение установки.

13.Извлечение лодочки с кристаллом.

14.Извлечение выращенного кристалла из лодочки.

9.3.Оборудование и материалы для проведения работы

1.Кристаллизатор типа «Сапфир – 2М».

2.Лодочка молибденовая.

3.Затравка монокристаллическая.

4.Шихтовые материалы.

5.Компоненты нагревательного устройства: вольфрамовые прутки, танталовые тепловые экраны, изоляторы из окиси алюминия.

6.Монокристаллы, выращенные методом ГНК.

7.Образцы промышленных изделий излейкосапфира и граната.

8.Микроскоп оптический.

9.Срезы выращенных монокристаллов.

9.4. Порядок выполнения работы и обработка результатов эксперимента

1.Ознакомиться с инструкциями по технике безопасности при работе на технологических кристаллизационных установках типа «Сапфир – 2М».

2.Составить эскиз кристаллизационной установки.

3.Составить электрическую схему кристаллизационной уста-

новки.

4.Составить кинематическую схему установки.

5.Составить эскизы лодочки и затравки.

78

6.Указать квалификацию компонентов шихтовых материалов (по заводским паспортам на сырье).

7.Произвести расчет шихты, исходя из стехиометрического состава выращиваемого кристалла и необходимой массы загрузки.

8.Составитьподробную технологическуюсхемупроцессаГНК.

9.Провести наблюдение за процессом выращивания кристалла.

10.Описать выращенный кристалл (изобразить эскиз, указать размеры, описать ростовые дефекты).

11.Провести анализ микроструктуры кристаллических образцов с помощью микроскопа.

12.Описать изделия из кристаллов (лейкосапфира и граната), выращенных методом ГНК.

9.5. Отчет по работе

Отчет должен содержать следующие материалы.

1.Сведения из инструкций по технике безопасности.

2.Эскиз кристаллизационной установки.

3.Электрическую схему установки.

4.Кинематическую схему установки.

5.Чертежи лодочки и затравки с указанием размеров.

6.Расчет количества шихтовых материалов.

7.Описание установки в статическом (исходном) состоянии и

впроцессе выращивания кристалла.

8.Технологическую схему процесса ГНК.

9.Результаты наблюдения за процессом кристаллизации (номинальная скорость кристаллизации, особенности конкретных стадий процесса).

10.Описание выращенного кристалла.

11.Описание изделий из монокристаллов.

12.Результаты исследования микроструктуры выращенных кристаллов.

13.Описание ростовых дефектов выращенных кристаллов.

9.6.Контрольные вопросы

1.Каковы характерные особенности процесса ГНК?

2.Какойтипнагрева используетсявустановке«Сапфир– 2М»?

3.Каковы возможные причины отказа нагревателей?

4.Из каких материалов изготовлены: лодочка, нагреватель, тепловые экраны?

79

5.Каковы назначение и конструкция тепловых экранов?

6.Как осуществляется контроль за процессом ГНК?

7.Каково практическое значение отношения глубины лодочки к ее ширине?

8.Какую роль играет многократная перекристаллизация шихты в процессе ГНК? В каком режиме она проводится?

9.Сколько времени продолжается один цикл выращивания кристалла методом ГНК?

10.Какова линейная скорость кристаллизации при выращивании монокристаллов: лейкосапфира, граната?

11.Какова цель проведения отжига выращенных монокри-

сталлов?

12.Каковы особенности температурного режима процесса

ГНК?

13.Какова технология изготовления лодочки?

14.Какова технология изготовления затравок? Как определяется их кристаллографическая ориентировка?

15.Содержатся ли в выращенных кристаллах металлические или иные включения?

16.Какое влияние оказывают ростовые дефекты на эксплуатационные характеристики изделий из монокристаллов?

17.Как извлекают выращенный кристалл из лодочки?

18.В чем состоят трудности применения метода Чохральского для выращивания тугоплавких монокристаллов?

9.7.Библиографический список

1.Шашков Ю.М. Выращивание монокристаллов методов вытягивания. М.: Металлургия, 1982. С. 252 – 264.

2.Пфанн В.Дж. Зонная плавка. М.: Мир, 1960.

3.Розин К.М. Физико-химические основы процессов получения оптических и акустических монокристаллов. М.: МИСиС, 1977.

Ч. 1. С. 41 – 42.

4.Соединения редкоземельных элементов: Системы с оксидами элементов I – III групп / П.А. Арсеньев, Л.М. Ковба, Х.С. Багдасаров и др. М.: Наука, 1983. С. 241 – 265.

5.Синтез минералов / Ю.М. Путилин, Ю.А. Белякова, В.П. Го-

ленкои др. М.: Недра, 1987. Т. 2. С. 169 – 231.

6.Мюллер Г. Выращивание кристаллов из расплава: конвекция и неоднородности: Пер. с англ. М.: Мир, 1991. С. 92 – 136.

80