一種生長固溶體和包晶反應生成相單晶的「異成份浮區」方法

2023-06-10 05:49:36 1

專利名稱：一種生長固溶體和包晶反應生成相單晶的「異成份浮區」方法
技術領域：
本發明屬於晶體生長領域，特別是涉及浮區法生長分凝係數較高的固熔體晶體與包晶反應生成相晶體技術。
目前用於晶體生長的方法很多，僅從熔體中生長晶體的方法便有提拉法、坩堝下降法、浮區法、焰熔法、導模法、冷坩堝法、基座法等。最常見的如文獻1(姚連增，晶體生長基礎；中國科學技術大學出版社，1995)所述的提拉法、坩堝下降法及浮區法。
1．提拉法是最常見的一種從熔體中生長晶體的方法。利用該方法可以生長尺寸較大的晶體，但對於那些因高熔點或易腐蝕而難於選擇坩堝的材料晶體生長便不能選擇此方法。
2．坩堝下降法也稱布裡奇曼法。該方法同樣具有某些材料晶體生長時難於選擇坩堝的缺點。
3．浮區法生長晶體時將籽晶置於待生長的多晶棒下端，然後加熱籽晶與多晶棒的接合處使其熔化。由於表面張力的作用使多晶棒與籽晶間形成一浮區後，提拉樣品，液體將沿籽晶凝固，實現單晶生長。
浮區法生長單晶的主要優點是不需要特別選擇坩堝材料。不僅可以採用該法生長高熔點或易腐蝕坩堝的單晶材料，而且可以使汙染降低到最低程度。另外，加熱比較方便，可以用電子束加熱、射頻加熱、碳弧成象、輝光放電、雷射等。然而目前用浮區法生長固熔體和包晶反應生成相晶體遇到了很大困難。生長固溶體，特別是分凝係數高的固溶體晶體時會引起嚴重的組份偏析。如文獻2晶體生長J.Wollweber,vol.158,1996,166。生長包晶反應生成相晶體可用提拉法等在生長晶體時使液相體積份數提高，並且將配料成份選擇在避開包晶反應處，見文獻3相圖與相結構(上)，梁敬魁，科學出版社，1993，但原料的利用率很低。用通常的浮區法生長這類晶體時，如果配料成份偏離晶體成份，狹窄的熔區內很快產生組份聚集，造成大的成份過冷使晶體生長失敗，為此我們對通常的浮區法生長晶體進行了改進，即所謂的「異成份浮區法」。
本發明的目的是為了使製備的固熔體晶體成份偏析很小，製備的包晶反應生成相晶體不含其它相。為此提供一種生長固溶體和包晶反應生成相單晶的異成份熔區浮區方法。
本發明是在電子束浮區晶體生長爐中實現的。加熱體為一環形電子槍。棒狀樣品垂直穿過電子槍中心。電子槍體相對樣品處於負高壓端，熾熱環形陰極逸出的電子在高壓的作用下打到樣品上，使之區域熔化。用於單晶生長的多晶棒在配有狹長銅坩堝的電弧爐中熔煉而成，其成份為所需生長的晶體成份。熔區的成份不同於多晶棒，這一技術通過單獨製備一相當於熔區大小的短棒加在樣品與籽晶之間來實現(無籽晶時可將其直接置於樣品下端)。該設備的工作參數如下額定高壓8000伏；陰極電流35安培；額定束流300毫安； 最大輸出功率2400瓦；穩定工作時間12小時；輸出功率精度5/1000在上述裝置進行晶體生長時採取如下步驟(1)製備與待生長樣品成份相同(如附圖2，附圖3中6)且尺寸合適的多晶棒和籽晶。
(2)製備相當於熔區尺寸且成份為某合適成分的樣品段。某合適成份(如附圖2,3中的7)按如下規則選定若生長6成份的固溶體晶體(附圖2)，7成份點對應的液相線溫度等於6成份點對應的固相線溫度；生長6成份的包晶反應生成相晶體時，7成份點要選擇在熔點低於包晶反應線溫度一側，且7點對應的液相線溫度略低於包晶反應線溫度。
(3)將7成份的樣品段置於多晶棒與籽晶之間(見附

圖1)，加熱該樣品段使其成為連接籽晶與多晶棒的熔區，然後進行提拉。即將待生長的多晶棒與籽晶之間加一具有熔區尺寸，且成分不同於待生長多晶棒的樣品段，加熱該樣品段使其成為連接籽晶與多晶棒的熔區再提拉。這樣7成份的熔區下端將沿籽晶結晶出6成份的單晶。加熱溫度取決於合金段的成份，在操作時可直接從小到大調節加熱工率直至作為熔區的合金段全部熔化。晶體生長時間依材料而異。
加熱方式可依生長晶體的種類而異，可用感應加熱、電子束加熱及光學加熱等適用於浮區法生長晶體的加熱方法。
本發明的優點在於依上述方法生長的固溶體晶體可降低組分偏析，生長的包晶反應生成相晶體可避免其他伴生相產生，還可以提高原料的利用率。
下面結合附圖及實施例對本發明作進一步詳細說明圖1是晶體生長裝置示意2是固溶體相3是普通包晶反應相圖(a)與生成化合物相包晶反應相圖(b)圖面說明如下1支架2籽晶3熔區4加熱體5多晶棒6待生長樣品成分7依相圖選擇的某合適成分實施例1在電子束浮區晶體生長爐中生長Fe-10at％Si固溶體晶體。多晶棒的成份為Fe-10at％Si，尺寸為Φ8×90mm。熔區段樣品的成份為Fe-13.5at％Si，尺寸為Φ8×25mm。採用無籽晶生長，所以其長度可大於熔區長度，這裡的熔區長度為9mm，獲得的單晶體長度為55mm。晶體生長參數為提拉速度-20mm/h，高壓-4000伏，束流-40mA，功率消耗-160瓦。除此之外我們還用此法生長了Ni-20at％Cu等固溶體晶體。實施例2按實施例1生長Tb0.27Dy0.73Fe2包晶反應生成相晶體。多晶棒按Tb0.27Dy0.73Fe2成分配料時使Dy過量5at％，以補償真空中的揮發，尺寸為Φ8×80mm。熔區段樣品的成份為Fe-10at％Tb-34at％Dy，尺寸為Φ8×25mm。採用無籽晶生長，所以其長度可大於熔區長度，這裡的熔區長度為8mm，獲得的單晶體長度為50mm。晶體生長參數為提拉速度-40mm/h，高壓-4000伏，束流-32mA，功率消耗-130瓦。除此之外我們還用此法生長了Ni5Zr、TiAl3等包晶反應生成相晶體。
權利要求
1．一種生長固溶體和包晶反應生成相單晶的「異成分浮區」方法，包括步驟如下(1)製備與待生長樣品成分相同且尺寸合適的多晶棒和籽晶；(2)製備相當於熔區尺寸且成分為某合適成分的樣品段，某合適成分按如下規則選定若生長固熔體晶體，某合適成分點對應的液相線溫度等於待生長固溶體樣品成分點對應的固相線溫度；若生長包晶反應生成相晶體，某合適成分點要選擇在熔點低於包晶反應線溫度一側，且某合適成分點對應的液相線溫度略低於包晶反應線溫度；(3)將某合適成分的樣品段置於多晶棒與籽晶之間，加熱該樣品段使其成為連接籽晶與多晶棒的熔區，然後進行提拉，即將待生長的多晶棒與籽晶之間加一具有熔區尺寸，且成分不同於待生長多晶棒的樣品段，加熱該樣品段使其成為連接籽晶與多晶棒的熔區再提拉，這樣某合適成分的熔區下端將沿籽晶結晶出待生長樣品成分的單晶，加熱溫度取決於合金段的成分，在操作時可直接從大到大調節加熱功率直至作為熔區的合金段全部熔化，晶體生長時間依材料而異。
全文摘要
本發明屬於晶體生長領域,特別是涉及浮區法生長分凝係數較高的固熔體晶體與包晶反應生成相晶體技術。本發明將待生長的多晶棒與籽晶間附加一具有熔區尺寸,且成分不同於待生長多晶棒的樣品段(樣品段的成分選擇參考相圖)。加熱樣品段使其成為連接籽晶與多晶棒的熔區,然後提拉。用此方法生長固溶體晶體可降低組分偏析;生長包晶反應生成相晶體可避免其他伴生相產生。
文檔編號C30B13/00GK1211640SQ9711690
公開日1999年3月24日 申請日期1997年9月18日 優先權日1997年9月18日
發明者李順樸, 潘明祥, 趙德乾, 趙生旭, 陳熙琛 申請人:中國科學院物理研究所