Czochralski es el fundador del método Czochralski y su artículo se publicó en 1918. Este es uno de los métodos más comunes de crecimiento de fusión. Con este método se han preparado muchos cristales prácticos importantes. En los últimos años, se han realizado varias mejoras importantes en este método, que puede hacer crecer con éxito algunos compuestos volátiles, como GaP y cristales que contienen plomo, así como cristales con formas especiales, como tubos de silicio octogonales y cristales de zafiro en forma de embudo. .
2. Principio y dispositivo del método Czochralski
El dispositivo esquemático del método Czochralski se muestra en la Figura 9-3-1. Los equipos de crecimiento incluyen crisoles, fundidos, cristales semilla, sistemas Czochralski, hornos de calentamiento, sistemas de control de temperatura y atmósfera, etc. Coloque las materias primas premezcladas en el crisol y caliéntelas por encima del punto de fusión de las materias primas para fundirlas. Hay una varilla de tracción que puede girar y elevarse por encima del crisol, y hay un mandril para cargar cristales semilla; en el extremo inferior de la varilla de tracción; baje la varilla de tracción para que las semillas. El cristal se inserte en la masa fundida. Siempre que la temperatura sea adecuada y el cristal de la semilla no se derrita ni crezca, la varilla de cristal se levanta lentamente. y girado. Al mismo tiempo, reduzca lentamente la potencia de calentamiento y el cristal semilla se espesará y crecerá gradualmente (el proceso de "cuello") ajustando continua y cuidadosamente la potencia de calentamiento, se puede obtener el cristal deseado. Todo el dispositivo de crecimiento se coloca en un recinto sellable para garantizar la atmósfera y la presión necesarias para el entorno de crecimiento. A través de la ventana de la tapa se puede observar el crecimiento de los cristales.
Figura 9-3-1 Diagrama esquemático del crecimiento de gemas utilizando el método de extracción por fusión
Los requisitos técnicos para cada parte del dispositivo de crecimiento son los siguientes: se requiere que el crisol sea resistente a altas temperaturas, resistente a la corrosión por fusión y fácil de procesar, características sin contaminación cristalina. Los crisoles de molibdeno se utilizan generalmente para cultivar piedras preciosas como el corindón, y los crisoles de iridio se utilizan para cultivar YAG, GGG y crisoberilo. El calentador requiere un campo de temperatura térmica estable y razonable. A menudo se utilizan hornos de frecuencia intermedia y también se utilizan a menudo hornos de resistencia de grafito o tungsteno. El control atmosférico consta de dos partes: una es el cuerpo del horno con una carcasa de acero inoxidable refrigerada por agua para conservar el calor y la otra parte está llena de gases inertes como cloro, helio e hidrógeno. La maquinaria de elevación y rotación es un conjunto de dispositivos mecánicos precisos.
3. Ventajas y desventajas
Las principales ventajas de este método son:
(1) Es fácil observar el crecimiento de los cristales durante el proceso de crecimiento.
(2) La integridad del crecimiento del cristal es buena, el tiempo de crecimiento es corto, el tamaño es grande y el estrés es bajo.
(3) El cristal semilla direccional y el proceso de estrechamiento reducen significativamente la densidad de dislocación del cristal y mejoran la uniformidad óptica del cristal.
En resumen, la calidad de los cristales cultivados con el método Czochralski es mucho mejor que la del método de fundición a la llama. Sin embargo, para aquellos materiales con una fuerte actividad química o un punto de fusión extremadamente alto, es difícil encontrar un crisol. que no contamine la masa fundida. Por eso limita el ámbito de aplicación del método Czochralski.
En el proceso de utilización del método lifting, la aplicación de tres técnicas hace que este método sea aún más perfecto. Es decir, ADC (tecnología de control de frenado con diámetro de cristal), LEC (captación de líquidos) y EFG (tecnología de horno de cristal único y tecnología de modo guiado). La tecnología de modo guiado (tecnología EFG) se presentará en detalle a continuación.
En cuarto lugar, un ejemplo de piedra preciosa artificial: zafiro
Materia prima: fragmentos de corindón incoloro dopados con TiO_2+fe2o_3 preparados mediante el método de fusión por llama. La cantidad de TiO_2 y Fe2O_3 depende del color, pudiendo utilizarse también bloques sinterizados de corindón de colores.
Crisol: Molibdeno
Calentador: Grafito
Equipo: Horno de extracción de cristal relleno de argón al vacío, el campo de temperatura térmica cumple con los requisitos de diseño de la interfaz.
Condiciones: por encima de 2050 ℃; 10 ~ 15 revoluciones; la velocidad de fundición se puede ajustar entre 1 y 10 mm/hora.
Colocar la materia prima en el crisol, calentarlo a 2060°C para fundir la materia prima, bajar la varilla de tracción con el cristal semilla orientado en la parte superior, para que el cristal semilla quede en contacto con la masa fundida y se controla la temperatura para que sea ligeramente superior al punto de fusión. Luego, tire lentamente, gire y reduzca con cuidado la potencia para hacer que el cristal sea más grueso. Al ajustar la potencia, se realiza todo el proceso de crecimiento de la gestación, la contracción, el crecimiento del diámetro igual del hombro y la terminación. Los cristales crecidos a menudo requieren un tratamiento posterior al calor para eliminar defectos como estrés térmico y dislocaciones formadas durante el proceso de crecimiento del cristal y, a veces, eliminar centros de color innecesarios, mejorando así la calidad del cristal.
5. Método de modo guiado
El nombre completo del método de modo guiado es tecnología de crecimiento por tracción de alimentación de película (EFG) definida por bordes, que es esencialmente un método de tracción que controla la forma. del cristal. La preparación de cristales según la forma y el tamaño deseados tiene obviamente un interés práctico. Con este fin, se han realizado investigaciones durante más de 60 años. En la década de 1960 se lograron grandes avances.
Después de la década de 1980, la tecnología mejoró enormemente para satisfacer la demanda de obleas de silicio de gran tamaño para células solares y para cultivar cristales de zafiro con formas complejas para aplicaciones ópticas especiales. Puede producir obleas de silicio monocristalino de 1 mm × 84 mm × 170 mm y cristales en escamas de zafiro de 2 mm × 35 mm × 200 mm.
El proceso de película conductora consiste en colocar una película inerte de alto punto de fusión en la masa fundida del equipo Czochralski, como se muestra en la Figura 9-3-2. La masa fundida es atraída hacia la superficie superior del molde debido a la acción capilar, y luego se solidifica y cristaliza a medida que se tira del cristal semilla, mientras que el borde superior del molde controla la forma del cristal. De esta forma se cultivan cristales en láminas, cintas, tubos y fibras.
Figura 9-3-2 Diagrama esquemático del crecimiento de cristales mediante el método del modo guiado