ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Источники нагрева из "Высокотемпературная кристаллизация из расплава" Существует несколько способов нагрева, использование которых определяется, с одной стороны, физико-химическими свойствами кристаллизуемого вещества, а с другой — методом выращивания монокристаллов. Например, метод Вернейля и газопламенный источник нафева неотделимы друг от друга. Аналогично и метод гарниссажа [103] применяется только с высокочастотным нафевом и т. д. Кроме того, тип источника нафева зачастую неотделим от условий выращивания монокристаллов. В частности, электронно-лучевой нагрев, возбуждаемый только в вакууме, применим лишь при выращивании монокристаллов в вакууме. Использование плазменного нагрева, с характерным для этого способа потоком газов, возможно только при кристаллизации в газовой среде. [c.129] Среди многообразия источников нагрева можно выделить две группы нелучевые (газопламенный, омический, высокочастотный, плазменный) и лучевые источники нафева (электронно-лучевой, оптический, лазерный). Важное различие их заключается в том, что нелучевые источники нафева практически трудно, а зачастую невозможно вынести за пределы кристаллизационной камеры. [c.129] Газотаменный нагрев, как отмечалось выше, был впервые использован для промышленного производства монокристаллов рубина. При экзотермической реакции Н2 + 1/2 О2 Н2О + 57,8 кДж/моль выделяемое тепло используется для плавления кристаллизуемого вещества. Максимально достигаемая температура при этом (порядка 2500 °С) офаничена эндотермической реакцией диссоциации молекул Н2О, поскольку указанная выше реакция обратима. На рис. 94 а, б представлены основные типы газовых горелок. Их разнообразие связано с числом каналов для прохождения кислорода и водорода. В большинстве случаев используются двухходовые горелки по центральному каналу подается кислород, а по периферийному — водород. В том случае, когда необходимо создать достаточно протяженное температурное поле, используются трехходовые горелки, имеющие три канала кислород - кислород - водород. Устойчивость режима кристаллизации определяется соотношением расхода кислорода [95], т. к. именно расход кислорода определяет конфигурацию пламени. [c.129] Омический нагрев наиболее часто используется при выращивании тугоплавких монокристаллов, поскольку он технически прост и надежен. Это не значит, однако, что нет проблем, связанных с его использованием. [c.129] Напротив, имеется, например, температурный предел, определяемый теп-лофизическими свойствами материалов нагревателей и тепловых экранов. Более того, взаимодействие паров кристаллизуемого вещества с материалом нагревателя зачастую уменьшает срок его службы. Омический нагрев накладывает ограничение и на атмосферу кристаллизации. На рис. 95 представлены различные типы омических нагревателей. Основное требование к ним — устойчивость при высоких температурах, т. к. в противном случае произойдет нарушение теплового режима кристаллизации. Как показал опыт эксплуатации омического нагрева, весьма эффективным оказался коаксиальный нагреватель (рис. 95 д), представляющий собой систему из трех соединенных по следовательно труб. Причем внутренная трубка (нагреватель) выполнена из вольфрамового листа, что позволило создавать в нем температуры порядка 2500 Ч- 2800 °С. Два внешних молибденовых экрана играют активную роль, поскольку являются проводниками электрического тока к нагревательному элементу. [c.130] При этом имеет место транспортная реакция, которая способствует переносу вещества нагревателя. Глубокая очистка атмосферы от кислорода— технически сложная и поэтому не всегда целесообразная задача. [c.132] Другой способ защиты — это нанесение стойких покрытий на рабочие поверхности системы. Однако для условий высоких температур такие покрытия еще не разработаны. И, наконец, третий путь основан на использовании чисто физических способов защиты. Например, зная заряд ионов, участвующих во взаимодействии с нагревательной системой, можно воспользоваться электростатическим полем и защитить систему от разрушения. [c.132] Конструктивно система высокочастотного нагрева состоит из индуктора, представляющего собой соленоид, выполненный из медной водоохлаждаемой трубки, и тигля, помещаемого в индуктор. Тигель обычно изготавливается из тугоплавких материалов платины, платино-родия, иридия, молибдена, вольфрама и графита. Для создания переменного электромагнитного поля используются токи низкой (50 Гц), средней (до 10 кГц) и высокой частоты (свыше 10 кГц). Практическое применение при выращивании тугоплавких монокристаллов, как уже отмечалось, получили высокочастотные генераторы средней и высокой частоты. [c.132] Стремление избавиться от возможного попадания в расплав материала тигля привело к созданию нового способа высокочастотного нагрева — способа холодного тигля (гарниссажа), существенный вклад в развитие которого внес В. В. Осико [106]. Этот способ заключается в прямом высокочастотном нагреве исходного вещества, основанном на зависимости электропроводности от температуры. Известно, что при наложении переменного электрического ноля в диэлектриках возникает ток смещения (из-за поляризации) и ток проводимости (обусловленный наличием электрически заряженных частиц). При протекании суммарного тока образуется тепло. Выделяемая мощность пропорциональна напряженности поля, частоте, диэлектрической проницаемости и тангенсу угла потерь. Для усиления процесса исходное вещество предварительно прогревают обычно с помощью металлической пластинки, помещаемой в индуктор. Материал этой пластинки по химическому составу должен быть близок к расплавляемому веществу. Например, для предварительного нагрева оксида алюминия используется алюминиевая пластинка, для прогрева оксида титана — титановая пластинка и т. д. [c.133] Согласно (6.2), если АГ О, то -л оо. При этих условиях для поддержания равновесия необходим перегрев расплава. Если Лобщ и Гг постоянны, то произведение /г АГ также постоянно. То есть на понижение или повышение температуры расплава система реагирует соответствующим изменением толщины гарниссажа. Фазовое равновесие достигается регулированием мощности нагрева. В методе гарниссажа изменение объема расплава приводит к изменению энергетических характеристик генератора, поскольку меняется расстояние между расплавом и индуктором. [c.133] Для способа гарниссажа была предложена новая методика выращивания фианитов [106], химическую основу которых составляют диоксиды редких металлов — циркония и гафния, а в качестве стабилизирующих компонентов используются оксиды других элементов скандия, иттрия и редкоземельных элементов с высокими температурами плавления. [c.133] Плазменный нагрев аналогичен газоплазменному с той лишь разницей, что энергия создается за счет электрического разряда. Поэтому основным узлом этого вида нагрева является плазмотрон-газоразрядное устройство для создания низкотемпературной плазмы. Мощность дуговых плазмотронов 10 -г 10 Вт температура струи на выходе из сопла 2500 -г 3000 °С скорость истечения струи 1 + 10 м/с КПД — 50 Ч- 90% Ресурс работы составляет несколько сотен часов. В качестве плазмообразующих веществ используют воздух, азот, аргон, водород, нитрид водорода, кислород, воду, а также жидкие и твердые углеводороды, металлы, пластмассы. [c.134] Начало активного использования плазменного нагрева относится к шестидесятым годам прошлого века, когда были созданы эффективные способы стабилизации плазмы. Однако этот способ нагрева, несмотря на его преимушества, не получил должного развития. Основные попытки его использования связаны с методом Чохральского, при этом применялись дуговые плазмотроны постоянного тока. Плазма, возникавшая в разрядной камере в виде узкой струи, направлялась на поверхность шихты, расплавляя ее. В результате получалась система, подобная гарниссажу. Три плазмотрона располагались под углом 120 ° друг к другу. В центре устанавливался механизм вытягивания монокристалла. Оказалось, что способ создания плазмы с помощью постоянного тока имеет тот недостаток, что в расплав попадают частицы электрода. Эта проблема полностью решается при использовании высокочастотного плазмотрона (рис. 98) [107]. [c.135] В случае дуговых плазмотронов возникает проблема возбуждения плазмы. Эта проблема решается различными способами замыканием электродов поджигом от вспомогательного дугового разряда электрическим пробоем инжекцией вспомогательной плазмы в разрядную камеру. Мощность высокочастотного плазмотрона может достигать 1 МВт, температура в центре разрядной камеры и на начальном участке плазменной струи составляет порядка 10 °С, скорость истечения плазмы О Ч-10 м/с частота находится в пределах от нескольких десятков тысяч Гц до десятков МГц КПД — 50 Ч- 80% ресурс работы — до 3000 ч. Индуктивное возбуждение плазмы существенно расширяет возможности этого способа нагрева и открывает новые перспективы использования плазменного нагрева, например, в методах Вернейля, Бриджмена, зонной плавки. [c.135] Электронно-лучевой нагрев позволяет, в отличие от рассмотренных источников нагрева, сфокусировать пучок электронов непосредственно на поверхность исходного вещества. В этом случае, однако, процесс расплавления возможен только в глубоком вакууме. Энергия пучка электронов преобразуется в тепловую за счет соударений с веществом и определяется электрическим полем высокого напряжения (10+35 кВ). На рис. 99 схематично представлень] основные узлы электронно-лучевого нагрева [108]. [c.136] Источником электронов обычно является проволочный катод прямого накала, выполненный в форме кольца, охватывающего исходное вещество. Для уменьшения температурного градиента в зоне кристаллизации обьино устанавливаются трубчатые экраны из оксида алюминия. Эти же экраны препятствуют попаданию примесей при распылении катода. Электроннолучевой способ нагрева успешно использовался при выращивании монокристаллов тугоплавких металлов и элементарных полупроводников. Для выращивания монокристаллов тугоплавких диэлектриков необходимо удалять с поверхности кристаллизуемого вещества накапливающиеся электрические заряды. Эту задачу для диэлектриков технически трудно разрешить. [c.136] Промежуточным между плазменным и электронно-лучевым является способ холодного катода , в котором иучок электронов создается за счет газового разряда в полом катоде. Если форма полого катода представляет собой форму усеченной сферы, то возникающий кольцевой пучок электронов сходится в центре сферы, позволяя осуществить плавление и кристаллизацию. [c.136] Примем, что 7чп = 0,4, тогда / р = 1)о - 2, 5 Г , где Во, — параметр, определяемый техническими возможностями кристаллизационной установки и режимом ее работы (обычно 1 о = 2). [c.137] Размер зоны расплава зависит от теплофизических свойств кристаллизуемого вещества. Существенное преимущество оптического нагрева заключается в том, что он может быть вынесен за пределы кристаллизационной камеры. [c.137] Наиболее перспективными для выращивания монокристаллов являются непрерывные лазеры, поскольку они позволяют обеспечить высокостабильные условия кристаллизации. Среди них выделяются СО2-лазеры, обладающие высоким КПД и излучающие на длине волны 10,6 мкм. В этой области спектра подавляющее большинство тугоплавких веществ непрозрачно, что обеспечивает высокий КПД системы. Однако из-за того, что коэффициенты поглощения расплава и кристалла (вблизи температуры плавления) практически не отличаются друг от друга, сложно создать высокоградиентное температурное поле, крайне необходимое для выращивания монокристаллов. [c.138] Вернуться к основной статье