Технология производства монокристаллов

В настоящее время насчитывается около 150 разновидностей методов получения монокристаллов из паровой, жидкой (расплавов и растворов) и твердой фаз.

Несмотря на большое многообразие, существующие методы получения металлических монокристаллов из жидкой фазы можно разделить на четыре группы:

• 1. Образование монокристалла из расплава внутри тигля, постепенно перемещающегося с расплавом из горячей зоны печи через холодную диафрагму (метод Бриджмена-Стокбаргера).
• 2. Кристаллизация путем выведения части расплава из тигля с помощью затравки (метод Чохральского, и метод Степанова — вытягивание профилированных монокристаллов из расплава через диафрагму).
• 3. Зонная плавка, предложенная Пфанном. К зонной плавке близок метод кристаллизации из металлических расплавов (зонная плавка с температурным градиентом).
• 4. Формирование монокристалла наплавлением металла или какого-либо другого вещества на торцевую поверхность перемещающейся вниз затравки (метод Вернейля) [3].

Методы Бриджмена-Стокбаргера и Чохральского используются преимущественно для выращивания легкоплавких и средней тугоплавкости металлических монокристаллов (Т_пл не превышает 1500°С).

Были попытки получить методом Чохральского с электронно-лучевым нагревом монокристаллы тугоплавких металлов [2].

Метод зонной плавки Пфанна эффективно используется для получения металлических монокристаллов в широком диапазоне температур плавления. В зависимости от тугоплавкости материала осуществляется косвенный, индукционный или электронно-лучевой нагрев.

Метод бестигельной электронно-лучевой зонной плавки нашел наибольшее применение для выращивания монокристаллов тугоплавких металлов, многих их сплавов и соединений. Он позволяет избежать использования тиглей, реагирующих с расплавами тугоплавких металлов, осуществить тонкую регулировку теплового режима и высокотемпературный нагрев металла.

При получении монокристаллов тугоплавких металлов методом электронно-лучевой зонной плавки наряду с эффектом зонной очистки исключительно большое влияние на удаление примесей оказывают так называемые вторичные процессы. Металлические примеси удаляются как за счет эффекта зонной очистки, так и прямым испарением, а примеси внедрения — путем дегазации (в виде СО, СО₂, CН₄ Н₂, N₂ и т. д.). Кроме того, при вертикальной зонной плавке удаление примесей может осуществляться за счет флотационного или гравитационного эффектов. Степень очистки при зонной плавке может быть повышена при наложении электрического поля, что наблюдалось на монокристаллах вольфрама, молибдена и редкоземельных металлов.

Одним из существенных достижений в технике выращивания монокристаллов тугоплавких металлов за последние годы явилось применение плазменного нагрева.

Разработанный плазменно-дуговой метод получения монокристаллов тугоплавких металлов общей схемой напоминает метод Вернейля. Процесс начинается с оплавления торцевой поверхности монокристаллической затравки плазменной дугой. При этом в отличие от метода Вернейля наводится относительно глубокая ванна (~ 5 мм). По мере подпитки ванны жидким металлом затравка опускается вниз, поддерживая границу жидкой и твердой фаз на постоянном уровне. Процесс можно отождествить с однократной зонной плавкой при движении зоны расплава снизу вверх. Как и при зонной плавке, должно соблюдаться условие равенства количества металла, расплавляемого на верхней границе и кристаллизующегося на нижней границе зоны. При этом методе очистка от примесей наряду с эффектами, реализуемыми при зонной плавке, осуществляется за счет взаимодействия с компонентами плазмообразующего газа и сильного перегрева расплава.

Плазменно-дуговым методом были получены крупные монокристаллы вольфрама и молибдена диаметром до 50 мм с низким остаточным содержанием примесей, особенно углерода. Метод характеризуется высокой производительностью, позволяет использовать исходные материалы с повышенным содержанием примесей, что недопустимо при электроннолучевом нагреве.

Рекристаллизационные методы получения металлических монокристаллов требуют использования исходных металлов высокой чистоты или легированных микропримесями, стимулирующими направленный рост кристаллов в твердой фазе.

Преимущества — возможность получения монокристаллов полиморфных металлов. При использовании этого метода исходный материал медленно и по возможности равномерно деформируют на несколько процентов, после чего нагревают, чтобы вызвать рост зерна.

Для получения монокристаллов тугоплавких металлов используется метод электронно-лучевой зонной плавки (ЭЛЗП).

Химический состав материала, скорость роста, число проходов жидкой зоны, геометрия монокристалла и ряд других технологических параметров могут существенно повлиять на структурное совершенство выращиваемых монокристаллов[3].