Fornos para tratamentos térmicos
Fornos de resistência em vácuo ou atmosfera controlada
Fornos de têmpera em
óleo ou banho de sais Forno de indução com cadinho (recozimentos,
envelhecimentos)
com cadinho vertical para
fusão (Tmax aprox 2500ºC)
Mufla de
recozimentos/revenido (Tmax aprox 100ºC)
Nucleação, solidificação e segregação
Caso de estudo:
Crescimento de Monocristais de
Silício
N
l
ã /
lidifi
ã
Nucleação/solidificação
Caso de estudo: fabrico de semicondutores extrínsecos de Si
Têm de ser monocristalinos e quimicamente homogéneos
1º sólido a formar-se
último líquido a solidificar
A composição do
sólido e do líquido
sólido e do líquido
varia durante a
solidificação
Porque é que ocorre solidificação a uma
determinada temperatura?
R: porque a energia livre do sólido se R: porque a energia livre do sólido se torna mais baixa que a do líquido
Na realidade a solidificação ocorre a uma temperatura ligeiramente mais baixa que a p g q
temperatura de fusão. Porque é necessário que ocorra nucleação.
A nucleação homogénea e nucleação
heterogénea
g
Nucleação homogénea
Nucleação heterogénea
recipiente líquido
1ºs núcleos sólidos
A nucleação heterogénea (sobre superfícies sólidas já existentes) é mais
favorável e é a que ocorre na quase totalidade de situações de solidificação
favorável e é a que ocorre na quase totalidade de situações de solidificação
Se pretendermos um monocristal interessa ter só um núcleo
Se pretendermos um monocristal interessa ter só um núcleo...
ou seja a taxa de nucleação terá de ser tão baixa quanto
possível
possível
Taxa de nucleação (I)
(número de núcleos por unidade de
volume)
Aprox.
Tf - temperatura de fusão
L - Calor latente de solidificação
σ- tensões de superfície
Todos os parâmetros dependem apenas do
D~coef de difusão a- parâmetro da rede
rc-raio crítico de nucleação
f(θ) - função que depende da geometria
Todos os parâmetros dependem apenas do material que está a solidificar excepto ΔT - o sobrearrefecimento. O sobrearrefecimento é um parâmetro de trabalho: é tanto maior
f(θ) - função que depende da geometria
do núcleo [0,1]
ΔT -sobrearrefecimento
•Sobrearrefecimento é um parâmetro de trabalho:
é tanto maior quanto maior é a velocidade de arrefecimento.
ΔT1 < ΔT2 < ΔT3
Maior velocidade de arrefecimento
sd ΔT1 < ΔT2 < ΔT3 nuc lleação solid iificação
•Conclusão: se quiser ter um grão mais fino e refinado
solidifico a velocidades elevadas mas se quiser obter
monocristais devo solidificar tão lentamente quanto possível.
q
p
Mas é suficiente solidificar lentamente ( e, já agora quanto é “lentamente” ?)
para obter um monocristal de silício (ou de outro material qualquer?
Não: a nucleação em vários pontos (ou pelo menos mais do que um) da
parede do molde é praticamente impossível de evitar, por menor que seja a
velocidade de solidificação.
Outra questão é a de controlar a orientação do monocristal (importante em
várias aplicxações: semicondutores, pás de turbina (ligas de Ni))
•O Que fazer?
T
d “
t i l
lidifi
ó
Temos de “convencer o material a solidificar como nós queremos.
Vários processos.
O Método de Czochralski
Velocidade de solidificação: alguns mm/h
Semente: monocristal com a orientação
que queremos.
Dois movimentos: translação e rotação Dois movimentos: translação e rotação. Paredes do cadinho estão
sobreaquecidas para evitar nucleação heterogénea nas paredes.
heterogénea nas paredes. Todo o processo em sala em sala limpa para evitar contamina ções do ções do semicondu tor
Os métodos de crescimento direccional de Czochralski e Bridgeman
resolvem o problema da monocristalinidade e orientação cristalográfica
mas não o da segregação química durante a solidificação.
O resultado final é este: existe um gradiante de composição ao um gradiante de composição ao longo da barra do monocristal
Refinamento zonal
Quando obtemos o nível de concentração desejado podemos naturalmente recozer para homogeneizar.
Mas atenção: o recozimento pode originar recristalização e...lá se vai o monocristal. É importante controlar cuidadosamente os parâmetros de recozimento.
