Способ получения монокристаллов периклаза

 

Использование: в микроэлектронике, СВЧ и вычислительной технике. Сущность изобретения: монокристаллы периклаза получают из расплава методом гарнисажа в электродуговой трехфазной печи при общем сопротивлении каждой фазы 5,5-7,9 мОм. 1 табл.

Изобретение относится к технологии оксидных огнеупорных материалов, применяемых в микроэлектронике, СВЧ и вычислительной технике.

Известны различные способы получения монокристаллов оксидных материалов, например, методы выращивания монокристаллов из расплавов: методы Чохвальского, Стокбаргера, Бриджмена и другие (Вильке К.-Т. Методы выращивания кристаллов. Л. Недра. Ленинг. отд-ние, 1968, с. 138-228).

Каждый из них имеет свои преимущества и характерные недостатки, влияющие на структуру и физико-химические свойства кристаллов. Наиболее существенные недостатки: нарушение стехиометрии расплава из-за термической диссоциации компонентов и образование макро- и микронеоднородностей в кристаллах, загрязнение расплава от контейнера, упругое взаимодействие контейнера с кристаллом при охлаждении, приводящее к возникновению напряжений в кристалле.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является способ, включающий расплавление магнезиальной шихты в электродуговой трехфазной печи с последующей кристаллизацией расплава (Автухов В.В. Тихонов В. П. и др. Рациональное управление электрическим режимом дуговых печей для получения высококачественного периклаза. Проблемы совершенствования технологии электротехнического периклаза и повышения его качества, М. Металлургия, 1988, с. 8-11).

В его основе находится регулирование электрического режима процесса путем переключения ступеней напряжения трансформатора с целью получения высококачественного периклаза. Причем общее сопротивление фазы не превышает 3 мОм.

Недостатки метода: небольшая зона монокристаллов периклаза, состоящая из сростков монокристаллических фрагментов различной ориентации, практически непригодных для изготовления конструкционных материалов.

Предложение решает задачу массового производства структурно совершенных монокристаллов периклаза больших размеров, в частности кристаллов с размером грани ориентации (100) до 50х50 мм. Для этого монокристаллы периклаза выращивают методом гарнисажа из расплава, полученного электродуговым нагревом шихты при общем сопротивлении фазы (Z_ф), равном (5,5-7,9) мВм. В этом случае создаются условия для оптимального соотношения между тепловыми процессами и кинетикой кристаллизации (скоростью зарождения и скоростью роста кристаллов от переохлаждения расплава).

На представленной фигуре показана схема замещения моноэлектродного пространства электродуговой трехфазной печи, в которой сопротивление дуги (R_д) и сопротивление шунтирующего ее шихтового слоя (R_ш) включены параллельно, а сопротивление расплава (R_p) последовательно с ними. Сопротивления подводящей сети (r_п.с., x_п.с.) в расчетах не учитываются вследствие их малости. Общее сопротивление каждой фазы (Z_ф) является основным электрическим параметром, влияющим на технологические характеристики процесса. При периодической загрузке шихты (Z_ф) зависит от сопротивлений дуги и расплава, которые регулируются глубиной погружения электродов в расплав. Автоматический режим работы электропечи основан на регулировании электродного тока в пределах заданной величины путем изменения скорости подъема электродов.

Сущность технического решения заключается в том, что при данном электрическом режиме расплавления шихты основная доля подведенной электрической мощности (примерно 90% ) выделяется на сопротивлениях дуги (R_д) и расплава (R_p) и только 10% мощности выделяется на сопротивление шихты (R_ш). Медленное расплавление шихты замедляет скорость подъема электродов до 43,5 мм/ч, что способствует накоплению расплава, который образует слой глубиной 600 мм при диаметре ванны печи 2800 мм. При таких экспериментально подобранных параметрах ведения плавки шихты создаются благоприятные условия для кристаллизации расплава, процесс которой происходит следующим образом. Наружные слои накопленного расплава быстро охлаждаются, в них возникает большое число центров кристаллизации. В результате получается зона мелких равноосных кристаллов. Но при этом сразу выделяется значительное количество тепла, вследствие чего температура образовавшейся кромки мелких кристаллов начинает повышаться и на фронте кристаллизации появляется зона столбчатых кристаллов. В дальнейшем охлаждение всего объема расплава сопровождается его переохлаждением, при котором продолжается рост исходных кристаллов и формирование новых. Процесс сопровождается увеличением размера кристаллов за счет перекристаллизации, при которой вещество переносится с более мелких кристаллов на более крупные. В дальнейшем образуется сплошной фронт кристаллизации, причем число кристаллов, выходящих на фронт, постепенно становится все меньше и соответственно увеличивается площадь фронта, занимаемого каждым из них. Кроме того, кристаллы всевозможных случайных ориентаций приобретают так называемую столбчатую структуру.

Если полное сопротивление фазы (Z_ф) составляет менее 5,5 мОм, электрическая мощность, выделяемая на сопротивлении шихты, составляет менее 16% а скорость подъема электродов менее 22 мм/ч. В расплаве увеличивается концентрация примесей за счет повышенного расхода электродов и как следствие возрастает число зародышей центров кристаллизации и образование сростков кристаллов всевозможных ориентаций.

При повышении сопротивления фазы (Z_ф) более 7,9 мОм падает электрическая мощность, выделяемая на сопротивлении расплава. Возрастает скорость подъема электродов до 65 мм/ч. Накопление достаточного объема расплава не происходит. Глубина его слоя уменьшается до 250 мм. Возникающие тепловые процессы ухудшают развитие кристаллов в объеме. Осуществляется процесс массовой кристаллизации, сопровождающийся образованием мелких кристаллов.

Пример выполнения.

Расплавление химически чистого магнийсодержащего сырья марки МОМК-97(ТУ 14-8-480-84) проводили в электродуговой трехфазной печи ОКВ-955H при электрической мощности печного трансформатора 807 кВт и заданном электродном токе 6,6 кА. Наплавление блока вели при общем сопротивлении фазы (Z_ф) 6,9 мОм и соответствующей этому электрическому режиму скорости подъема электродов 34,8 мм/ч. Загрузку шихты осуществляли по мере полного расплавления и затвердевания предыдущей порции материала. В процессе плавления автоматически поддерживали скорость подъема электродов, необходимое количество расплава и оптимальные условия его кристаллизации. После завершения наплавления периклазового блока в течение 90 ч и его охлаждения зону полученных монокристаллов отделяли от остального поликристаллического материала. Было получено 120 кг монокристаллов периклаза с преобладающим размером грани ориентации (100) 50х50 мм.

Другие примеры выполнения аналогичны приведенному.

Структурные исследования полученных монокристаллов периклаза проводили путем анализа дифракционного уширення рентгеновских линий. Полученные данные исследования монокристаллов периклаза, выращенных предлагаемым способом и по прототипу, приведены в таблице.

Как видно из таблицы, предложенный способ получения монокристаллов периклаза позволяет увеличить размер грани ориентации (100) в 4,5-12,5 раза, снизить блочность и угол разориентировки отдельных фрагментов соответственно в 2-4 раза и 4 раза.

На подложках, изготовленных из полученных совершенных монокристаллов периклаза, отработана технология нанесения тонких монокристаллических пленок, применяемых в микроэлектронике.

Формула изобретения

Способ получения монокристаллов периклаза из расплава методом гарнисажа, включающий расплавление магнезиальной шихты в электродуговой трехфазной печи с последующей кристаллизацией расплава, отличающийся тем, что расплавление шихты ведут при общем сопротивлении каждой фазы 5,5 7,9 МОм.

РИСУНКИ

Рисунок 1