المواد الشائعة في درجات الحرارة العالية لنمو البلورة الواحدة

مقدمة

تتطلب جميع عمليات نمو البلورة المفردة عالية الجودة بواسطة عمليات Czochralski و Bridgman وغيرها من العمليات أفران تعمل في درجات حرارة عالية جدًا في تدرجات حرارية شديدة الانحدار. تخلق هذه الظروف متطلبات غير عادية على المواد المختارة للاستخدام في بناء الأفران.

ولا يجب أن تتحمل المكونات مثل البوتقات والسخانات والدعامات الهيكلية درجات حرارة أعلى من 2000 درجة مئوية فحسب، بل يجب أن تتحمل أيضًا الهجوم الكيميائي والإجهاد الحراري والتشوه الميكانيكي. ولذلك فإن اختيار المادة المناسبة هو الاعتبار الأكثر أهمية، لأنه يؤثر بشكل مباشر على جودة البلورات وأداء العملية وعمر المعدات.

متطلبات المواد المطلوبة

عند اتخاذ قرار بشأن مواد الأفران، هناك العديد من متطلبات الأداء التي يجب موازنتها بدقة:

-درجة انصهارعالية: يجب ألا تصبح المواد لينة أو تتحلل في ظروف التشغيل. التنجستن ( 3422 درجة مئوية)، والموليبدينوم (2623 درجة مئوية)، والجرافيت (التسامي فوق 3600 درجة مئوية) من أفضل المواد المرشحة.

- التوصيل الحراري: يحافظ النقل الفعال للحرارة على التدرجات الحرارية إلى أدنى حد ممكن؛ وتتفوق الموليبدينوم والموليبدينوم والسيليكون والجرافيت في هذا الصدد.

- التمدد الحراري: يقلل التمدد المنخفض من الإجهاد الحراري ويحسن توافق المكونات. على سبيل المثال، W (حوالي 4.5 × 10-⁶ كلفن¹) وMo (حوالي 5.1 × 10-⁶ كلفن¹) مستقرة نسبيًا.

- مقاومة الانزلاق: استقرار الحجم تحت الضغط لفترات طويلة مهم للغاية بالنسبة للمكونات الحاملة. تتفوق المعادن الحرارية وسبائكها في هذا الجانب.

-الثباتالكيميائي: يجب أن تتحمل المواد الأكسدة وتكوين الكربيد والتفاعل الزائف مع الذوبان. وغالبًا ما يتم التحكم في ذلك من خلال العمل في أجواء الفراغ أو الغاز الخامل.

-المتانةالميكانيكية: الأجزاء مثل دعامات البوتقة والسخانات مطلوبة لتحمل الأحمال الثقيلة دون تشوه؛ يشيع استخدام سبائك التنجستن والموليبدينوم ومركبات الجرافيت.

المواد الشائعة عالية الحرارة لنمو البلورة الواحدة

التنجستن (W)

يظل التنجستن المادة القياسية الذهبية في أفران البلورة الواحدة. ويتميز بنقطة انصهار متميزة تبلغ 3422 درجة مئوية، ومعامل تمدد حراري منخفض للغاية (حوالي 4.5 × 10 - 10⁶ كلفن¹)، وقوة زحف مرضية في ظل ظروف درجات الحرارة العالية. كل هذه الأسباب تجعل التنجستن سلعة أساسية للسخانات وقضبان الدعم وأجزاء الأفران الأخرى التي يجب أن تتحمل الأحمال الحرارية القاسية. عيبها الرئيسي هو الأكسدة: في درجات الحرارة العالية التي تزيد عن 400 درجة مئوية تقريبًا في الهواء، يتحلل التنجستن بسرعة كبيرة. ونتيجة لذلك، يتم تشغيله دائمًا في بيئات عالية التفريغ أو بيئات خاملة مثل الأرجون.

الموليبدينوم (Mo)

الموليبدينوم متوازنللغاية في كل من خصائص درجات الحرارة العالية. يذوب الموليبدينوم عند درجة حرارة 2623 درجة مئوية ولديه موصلية حرارية تبلغ حوالي 138 واط/كلفن مما يوفر ثباتاً ميكانيكياً مناسباً وقابلية تشغيل ممتازة مقارنةً بالتنغستن. ويستخدم الموليبدينوم على نطاق واسع من قبل المهندسين في دعامات البوتقة والتدريع وأجزاء الأفران حيث يجب إجراء اللحام أو التشكيل. ومثل التنجستن، يتأكسد الموليبدينوم بسهولة - أكثر من 600 درجة مئوية تقريبًا في الهواء - ويتطلب استخدامه أيضًا بيئات خاضعة للتحكم.

الجرافيت

يتميز الجرافيت بمزيج فريد من الخصائص الميكانيكية والحرارية. فهو موصل جيد للحرارة (تصل قيمه في المستوى المستوي إلى 200 واط/م-ك)، ويمكنه تحمل درجات حرارة أعلى من 3600 درجة مئوية، ويمكن تشكيله آليًا إلى أشكال معقدة بسهولة نسبية. ولهذه التطبيقات، يتم استخدامه على نطاق واسع في البوتقات والمواد الحساسة والعزل الحراري. الجرافيت تفاعلي للغاية مع الأكسجين، حيث يتأكسد عند 500 درجة مئوية تقريبًا، مما يحد من استخدامه في بيئات الفراغ أو الغازات الخاملة.

السيراميك

تُستخدم مواد السيراميك مثل الألومينا (Al₂O₃، درجة انصهارها حوالي 2072 درجة مئوية)، والإيتريا (Y₂O₃، 2430 درجة مئوية تقريبًا)، والزركونيا (ZrO₂، 2700 درجة مئوية تقريبًا) حيثما يكون الاستقرار الكيميائي مصدر قلق. وهي تقاوم هجوم المواد المنصهرة، لذلك فهي مناسبة تمامًا للبوتقات والبطانات ومكونات العزل في معدات نمو البلورات. ومع ذلك، فإن هشاشتها تجعلها عرضة للصدمات الحرارية والإجهاد الميكانيكي، لذلك يقتصر استخدامها على التطبيقات منخفضة الإجهاد.

كيفية الاختيار

إن اختيار المواد المناسبة لنمو البلورات الأحادية في البلورات المفردة في درجات الحرارة العالية هو عملية موازنة بين الأداء الكيميائي والميكانيكي والحراري.

ويُعد الموليبدينوم والتنغستن الحصانان الثقيل للمكونات ذات درجة الحرارة العالية والقوة العالية هما الموليبدينوم والتنغستن، مع كون الجرافيت والسيراميك حلولاً مفيدة ومجربة وحقيقية للبوتقات والبطانات والعزل. توفر السبائك المعدنية المقاومة للحرارة امتدادًا إضافيًا للأداء حيث تكون قوة الزحف والليونة أمرًا بالغ الأهمية. وأخيرًا، يضمن التطابق الوثيق لخصائص المواد مع تصميم الفرن جودة بلورية متسقة وعمر أطول للمعدات وتشغيل أفضل. لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).