Сцинтилляционные монокристаллы: автоматизированное выращивание

ТП получения МК из расплава состоит из трех стадий: подготовительной (процессы подготовки сырья, расплава, аппаратуры ростовых установок), основной - выращивание МК и заключительной (выгрузка кристалла из ростовой печи, его охлаждение, транспортировка, порезка). На рисунке 1.1 приведена, для примера, структурная схема технологического процесса получения крупногабаритных ЩГК, которая отражает все эти стадии.

Рисунок 1.1. Структура ТП получения  крупногабаритных ЩГК NaI(Tl)

В начале роста МК нижнюю часть затравочного кристалла расплавляют, благодаря чему уменьшается доля образца с повышенной плотностью механических напряжений и дефектами. После инициирования роста МК его вытягивают со свободной поверхности расплава при одновременном вращении вокруг вертикальной оси - сначала с переменным сечением (разращивание кристалла), затем с постоянным сечением (рост цилиндрической части кристалла).

Параметры цилиндрической части кристалла в значительной степени определяют степень пригодности этой продукции для потребителя, однако следует иметь в виду, что появление значительной части дефектов и структурных несовершенств в объеме образца зависит от эффективности физико-химических процессов обработки исходных веществ на подготовительной стадии, где обеспечивается заданный уровень характеристик сырья, непосредственно влияющих на качество конечного продукта.

По завершении роста кристалла  его извлекают из ростовой печи, охлаждают и транспортируют на участок  раскроя, где осуществляют порезку на заготовки сцинтилляторов и обработку (шлифовку, полировку) поверхности полученных изделий.

Управление ростом МК осуществляется путем коррекции определенной группы параметров, чаще всего определяющих тепловые условия роста кристалла, по результатам контроля информативного параметра (например, диаметра растущего образца).

С увеличением загрузки сырья и размеров выращиваемых кристаллов затраты на получение единицы готовой продукции снижаются. Однако в расплавах большой массы характер конвективных потоков усложняется, что создает дополнительные трудности для управления параметрами изделия. Кроме того, при больших массах расплава затраты увеличиваются из-за повышения стоимости тигля и уменьшения скорости выращивания. Для увеличения производительности процесса при сравнительно небольших объемах расплава, из которого производится выращивание кристаллов, применяют установки так называемого, полунепрерывного выращивания [7]. Дополнительная непрерывная или периодическая загрузка сырья в тигель (без охлаждения печи) осуществляется, например, путем подпитки расплава жидкой фазой из специальной емкости, которая, в свою очередь, периодически или непрерывно подпитывается твердой фазой. Такое усовершенствование метода Чохральского позволяет проводить выращивание крупногабаритных МК из расплавов небольшого и постоянного объема. Это облегчает регулирование и оптимизацию конвективных потоков в расплаве и устраняет сегрегационные неоднородности кристалла, обусловленные изменением объема расплава в процессе его роста. В итоге снижается себестоимость готовой продукции – выращенных кристаллов.

Примером практической реализации современной технологии выращивания  МК служит разработанная в Институте сцинтилляционных материалов (ИСМА) вакуумно-компрессионная промышленная установка "РОСТ" [5, 7] (рис. 1.2), основой которой является ростовая вакуумная электропечь (рис. 1.3). Ростовой аппарат оснащен приводами вращения и линейного перемещения кристаллодержателя. Через крышку ростовой печи вводится щуп датчика уровня расплава и осуществляется подпитка расплава твердым сырьем.

. На установках типа "РОСТ" с цилиндрическим тиглем в производственных условиях реализованы процессы управляемой кристаллизации из расплава на затравочный кристалл по информации о положении уровня расплава в тигле [5, 32, 33]. Применяемые в серийном производстве СМК автоматизированные установки позволяют получать из расплава методом Чохральского кристаллы весом до 500 кГ, диаметр которых превышает 500 мм.

Рисунок 1.2. Общий вид установок "РОСТ": 1 - ростовая печь, 2 - кристаллодержатель, 3 - МК, 4 - съемный бункер с шихтой, 5 - дистанционный пульт управления, 6 - печь термостабилизации

Рисунок 1.3. Схема ростовой печи установки "РОСТ" [7]: 1 - платиновый тигель с периферической кольцевой емкостью 3, 2 - МК, 4 - питатель, 5 - транспортная трубка, 6 - нагреватель, 7 – отверстия в стенке тигля, 8 - экран, 9 - расплав, 10 - датчик уровня расплава

Особенностью ТП выращивания  крупногабаритных СМК является необходимость стабилизации уровня расплава в тигле [33]. Для этого при вытягивании кристалла на установках "РОСТ" в конструкции тигля предусмотрена кольцевая периферическая емкость (поз. 3 на рис. 1.3) с вертикальной стенкой, в которую поступает исходное сырье.

Для получения крупногабаритных СМК применяют установки с цилиндрическим и коническим тиглями [32]. В установках с цилиндрическим тиглем подпитка мелкокристаллическим или гранулированным сырьем осуществляется из питателя, расположенного вне ростовой печи. Недостатки ТП с цилиндрическим тиглем связаны, в основном, с плавлением подпитывающего материала непосредственно в тигле (в его периферической части) и с большой свободной поверхностью расплава при выращивании кристаллов. В установках с коническим тиглем на стадии радиального роста кристалл вытягивают из расплава с изменяющейся геометрией его поверхности, что достигается постепенным повышением уровня расплава в тигле. Подпитка осуществляется расплавленным исходным сырьем из питателя, расположенного непосредственно в герметичной ростовой печи под тиглем. Это ограничивает максимальные размеры кристалла объемом питателя, однако дает возможность осуществлять дополнительную очистку расплава от кислородсодержащих микропримесей и механических включений.

Особенности раскроя МК и обработки  поверхности образцов на заключительной стадии процесса получения ЩГК рассмотрены в [4, 7]. Раскрой МК на заготовки для сцинтилляторов включает в себя операции порезки кристалла с помощью нитяной пилы (методом направленного растворения материала образца в плоскости реза) и дальнейшей механической обработки полученных изделий [7]. Заготовки для сцинтилляторов в форме дисков диаметром более 220 мм получают из крупногабаритных образцов с помощью специальных автоматизированных установок [2]. Значимое повышение качества раскроя МК может быть обеспечено методами статистического анализа информации о процессах резания, математического моделирования этих процессов и формирования на этой основе оптимальных законов управления процессами раскроя [34, 35].

Автоматизированное управление технологическими параметрами, направленное на стабилизацию диаметра растущего кристалла осуществляют с помощью локальных регуляторов.

Эффективность автоматизации ростовых установок во многом зависит от степени адекватности применяемых математических моделей процесса кристаллизации (формообразования), полученных на этапе проектирования СУ.

Уровень квалификации и качество труда  инженерно-технических работников, как субъективные факторы, вносят дополнительную неопределенность в управление ТП.

1.2. Технологические параметры

Процесс Чохральского с точки зрения теории управления подробно описан в [14, 11, 17], где решены задачи формирования необходимой и достаточной совокупности входных и выходных технологических параметров, выбора основного показателя эффективности ТП, формализации взаимосвязей и взаимодействий технологических переменных (табл. 1.1) и основного показателя эффективности ТП.

Таблица 1.1

Основные параметры и переменные ТП выращивания МК, используемые при  моделировании и управлении

Из параметров ТП, прямо или косвенно влияющих на основные характеристики ТП и готовой продукции, определяющими являются тепловые условия роста и условия линейного перемещения и вращения кристалла и тигля в процессе роста. Распределение температуры в расплаве, характер теплоотвода от кристалла (наряду с режимами кристаллизации, а также известными геометрическими размерами кристалла и тигля), являются факторами, в первую очередь влияющими на форму фронта кристаллизации. К числу технологических параметров метода Чохральского, также непосредственно влияющих на качество кристалла, относятся также: скорости вращения и вытягивания МК, степень перегрева и/или переохлаждения расплава, величина радиального и аксиального градиентов температур, форма фронта кристаллизации, тепловые и механические нестабильности, состав газовой среды, а также соотношение размеров диаметра тигля к диаметру кристалла.

Важное значение для совершенствования  управления процессом выращивания МК имеет исследование температурных полей в зависимости от конструкции нагревателей и положения тигля относительно них, влияние различных методов экранирования на изменение тепловых условий в зоне роста кристалла, в частности, на относительное изменение температуры в расплаве и над расплавом, а также на изменение подводимой мощности при постоянной скорости вытягивания кристалла и постоянном его диаметре [36].

Поскольку существуюет непосредственная связь между   качеством МК и тепловыми условий роста, то температурный режим должен выбираться таким, чтобы вся масса расплава на протяжении всего процесса находилась в небольшой температурной зоне допустимого перегрева относительно температуры плавления. В процессе роста МК с переменным диаметром и до выхода за кромку тигля температура дна тигля снижается, а затем (при росте цилиндрической части кристалла) возрастает. По мере вытягивания МК в более холодную часть печи, при сравнительно больших градиентах температуры в печи, увеличивается скорость кристаллизации и, следовательно, поперечное сечение кристалла. Чтобы этого не происходило, для стабилизации диаметра МК увеличивают температуру донного нагревателя. С другой стороны, при этом начинает проявляться экранирующее действие стенок тигля, и температура над расплавом увеличивается. В связи с этим может начаться подплавление боковой поверхности нижней части растущего кристалла (при неизменной мощности, подводимой к боковому нагревателю), а под влиянием стенок тигля уменьшается радиальный градиент температур. В результате повышения мощности, подводимой к донному нагревателю увеличивается средняя температура, а, следовательно, уменьшается вязкость расплава и возрастает как естественная, так и вынужденная конвекция. Все эти факторы ослабляют устойчивость процесса роста МК [36].

С точки зрения физико-химического  обеспечения процесса выращивания  методом Чохральского таких кристаллов, как ЩГК, важной в технологическом цикле является также проблема выбора газовой атмосферы в ростовой установке. Решение этой проблемы связано с учетом большого числа, как правило, взаимосвязанных факторов (характер теплопереноса от расплава и растущего кристалла, условие образования пор в кристаллах, параметры массопереноса легколетучей добавки и летучей основы из расплава на стенки установки, степень очистки компонентов газовой среды и др.), определяющих характеристики кристалла и эффективность ТП [5]. Существенным препятствием для получения высококачественных крупногабаритных СМК является наличие в них кислородсодержащих примесей, которые снижают эффективность передачи энергии к активаторным центрам свечения и создают рассеивающие центры (с поглощением в области 250-600 нм). Величина потерь определяется концентрацией кислородсодержащих примесей и геометрическими размерами кристаллов. В настоящее время управление газовой средой и содержанием кислородсодержащих примесей осуществляется путем усовершенствования технологии выращивания МК, применением глубокой очистки сырья и контроля чистоты компонентов газовой среды.

Формирование рабочего диапазона значений каждого из параметров ТП (см. табл. 1.1) представляет собой, как правило, результат решения (часто эмпирического) некоторой локальной оптимизационной задачи. Это относится, например, к радиальной скорости роста кристалла, значение которой оптимально, если обеспечено минимальное количество структурных дефектов в образце или к определению наилучшей формы и геометрических параметров фронта кристаллизации, который, во избежание частичного или полного отрыва кристалла от поверхности расплава при его извлечении, не должен быть плоским. На результат роста оказывает влияние и глубина погружения фронта кристаллизации в расплав, необходимая для удерживания крупногабаритных СМК силами смачивания в контакте с фронтом кристаллизации [5]. Управлять формой фронта кристаллизации можно подбором соотношения диаметров кристалла и тигля с расплавом, а стабилизировать ее в процессе роста - уменьшением случайных колебаний температуры расплава.

Одним из основных условий, обеспечивающих устойчивый рост МК, является стабильность скорости кристаллизации [17]. От нее зависит качество кристалла, его однородность и чистота [0].

Поскольку скорость кристаллизации непосредственно  измерить в процессе выращивания МК не удается, то прямыми или косвенными методами контролируют значения влияющих на нее (или зависящих от нее) параметров: геометрических размеров образца, скорости вытягивания кристалла; аксиального и радиального градиентов температуры в системе кристалл - расплав; формы фронта кристаллизации и др. [21, 38].