Tribotechnické listy

 

 

Vývoj a výskum výroby kryštálov na Slovensku

Tento článok je zameraný na oboznámenie širšej technickej verejnosti s dosiahnutými výsledkami spoločného výskumu a vývoja výroby monokryštálov na pracovisku CEIT,a.s. Žilina a Žilinskej univerzity v Žiline.


Firma CEIT, a. s. sa na pracovisku diví- zie materiálového inžinierstva zaoberá od roku 2014 vývojom a výskumom priemyselnej výroby rastu mono-kryštálov (zafír a hlinito-ytritý granát ďaľej len YAG) pomocou horizontálne usmernenej kryštalizácie (anglicky Horizontal Directed Crystallization ďalej len HDC). Počas riešenia projektu bolo naprojektované, skonštruované, vyrobené a uvedené do prevádzky zariadenie pre výskum technológie pestovania monokryštálov metódou horizontálne usmernenej kryštalizácie. Zariadenie pozostáva z tepelnej jednotky novej generácie vybavenej nezávisle riadenými ohrievacími tele-sami z volfrámu, vákuovej komory a vákuového systému, posuvového systému, zdrojov, elektrických rozvodov s rozvádzačom a chladiaceho systému. V prvých etapách riešenia (a obozná-menia sa s funkciou zariadenia) bola vykonaná séria experimentálnych rastov monokryštálov zafíru, ktorých cieľom bolo optimalizovať technologic-ký postup rastu vysokokvalitných monokryštálov zafíru. Postupne boli vylepšované parametre procesu až do úspešného výsledku. Výsledkom optimalizácie boli kvalitné ingoty monokryštálov, ktoré boli podrobené detailnému skúmaniu. Predmetom posúdenia a optimalizácie bol druh vsádzky, spôsob jej prípravy a uloženia v kryštalizačnom kontajnery, režimy ohrevu, kryštalizácie, ochladzovania, podrobná analýza výsledných produktov a riadenie celého procesu. Tepelná jednotka (hot zone) bola vybavená systémom snímačov pre záznam teplôt. Každý proces rastu bol zaznamenaný prostredníctvom súboru dát , ktoré slúžia pre ďalší vývoj priemyselnej automatizácie systému pre výrobu monokryštálov.



Popis výroby monokryštálov metódou HDC
V metóde HDC sa úspešne spájajú prvky usmernenej kryštalizácie a zónovej tavby. Ak sa pri obvyklom raste z taveniny (metóda Czochralski) roztaví celá vsádzka, pri HDC sa medzi zárodkom kryštálu a východiskovým materiálom (vsádzka) vytvorí lokálna zóna taveniny. Kryštál rastie pomalým pohybom tejto zóny pozdĺž kontajnera so vsádzkou (obr. č. 2), ktorý má tvar lodičky. Proces očkovania kryštálu do taveniny a hranicu rozdelenia fáz počas kryštalizácie sa kontroluje pomocou optických prístrojov.



V ďalších fázach výskumu sme venovali pozornosť analýze kvality vyrobených produktov, ich základ-ných technických a fyzikálnych vlastností:

- Analýzy vyhodnotenia čistoty mono-kryštálov;
Výhodou procesu rastu kryštálov zafíru metódou HDC je prítomnosť voľného povrchu taveniny, čo umožňuje intenzívne odparovanie nežiadúcich prímesí.
Takýmto spôsobom pri procese rastu kryštálov dochádza k čisteniu materiálovej vsádzky nie- len mechanizmom vytlačenia nečistôt frontom kryštalizácie, ale aj ich odparovaním z povrchu taveniny.

Vplyv prímesí na kvalitu rastúcich kryštálov zafíru je dvojaký:
1. Obsah východiskových prímesy zo skupiny železa (Fe, Ni, Ti, Cr, V, Co) vedie k rôznym radiačno - optickým účinkom a predovšetkým k tvorbe širokých absorpčných pásiem v rozsahu vlnových dĺžok UV (200 - 300 nm), ktoré sú úmerné ich koncentrácii.
2. Iná skupina prímesí ovplyvňuje v kryštáli tvorbu pórov (bublín) naplnených plynom, najčastejšie ide o samostatné bubliny s prie-merom 10 - 30 μm a ich zhlukovanie s hustotou do 106 cm-3.

Získané výsledky preukázali, že nevyhnutnou podmienkou pre rast zafíru, ktorý nevytvára póry, je vysoká čistota vstupnej suroviny použitej pre rast kryštálu.

- Určenie kryštalografickej orientácie ingotu zafíru;
Pri pestovaní kryštálov zafíru metódou HDC, kryštalografická orientácia monokryštalického ingotu sa určuje orientáciou zárodočného kryštálu umiestneného v nose kontajnera. Ingot má tvar dosky, v ktorom spodný povrch je plochý a zod-povedá tvaru dna nádoby, horný povrch je nerovný a nepoužíva sa na určenie odchýlky ingotu od danej kryštalografickej orientácie. Chyby (odchýlky) od určenej orientácie ingotu sú spôsobené nepresnosťou umiestnenia zárodočného kryštálu, vzhľadom na dno kontajnera a jeho pozdĺžnej osi.
Navrhli sme novú metódu na stanovenie kryštalografickej orientácie monokryštálov vyrobených metódou HDC
.

- Diagnostikovanie porúch v štruktúre mono-kryštálov, zvyškové napätia a optické vlastnosti monokryštálu zafíru;
Medzi najdôležitejšie vlastnosti zafíru optickej kvality patria:
1 Dokonalosť štruktúry kryštálu, a to menovite absencia dvojčiat, blokov, hraníc s malým uh-lom a obmedzenie hustoty dislokácií, ktoré spôsobujú výskyt fenoménu anomálneho dvojlomu. Integrovaný účinok defektov kryštálov možno pozorovať polarimetrickými metódami. Hranice dvojčiat a blokov sa objavujú na povrchu kryštálu a na ich určenie sa používajú vizuálne metódy.
2. Neprítomnosť, alebo obmedzená dostupnosť zhlukov inklúzií rôznych veľkostí. Diagnosti-kuje sa metódou detekcie rozptylu svetla, pri ktorej je vzorka osvetlená laserovým lúčom v kolmom smere.
3. Nízka koncentrácia nekontrolovaných prímesí v kryštáli a neprítomnosť pásiem absorpcie v spektrálnom rozmedzí 0,4 - 5 μm a tiež luminiscencie - obmedzenie nečistôt z Cr, Ti, Fe.
4. Požiadavky na absenciu sfarbenia kryštálu pod vplyvom UV- žiarenia. Diagnostikuje sa pomocou spektroskopie a UV ožarovania vzoriek v spektrálnom rozsahu UV - C.
5. Dovolená koncentrácia vakancií kyslíku v kryštáli (požiadavky na úroveň transparen-tnosti, v spektrálnom rozsahu 200 - 400 nm. Určuje sa absenciou farby kryštálu po ultrafialovom ožiarení. Na zlepšenie tejto charakteristiky vykonáva sa žíhanie vzorky na vzduchu pri teplote 1 300 až 1 400 °C.

Navrhli sme metodiku, ktorá zahŕňa použitie surovín vysokej čistoty, ako aj špeciálne metódy čistenia kontajnera a jeho nakladania, zabezpeču-júce dostatočnú čistotu na splnenie hore uve-dených požiadaviek.
Na obr. č. 4 a č. 5 sú zobrazené kryštál a jeho výrez znazorňujúci prítomnosť veľkých bublín.





- Metóda expresného vyhodnotenia kvality kryštálu;
Treba poznamenať, že kryštály zafíru, ktoré rastú s orientáciou podmienene nazývané A-plan (kryštalografická rovina zafíru - A sa zhoduje so spodnou rovinou ingotu), sú najmenej vystavené tvorbe zbytkových napätí, ktoré sú kritické pre jeho kvalitu. V prípade pestovania kryštálov orientácie C- plan, kryštalografická rovina zafíru C sa zhoduje s plochami ingotu (spodnou a hornou), ktoré majú veľkú plochu v pomere k bočným stranám.
V súlade s literárnymi zdrojmi, dislokácie v kryštáli zafíru,tvoriace hranice s malým uhlom odchýlky a blokov, vznikajú počas pestovania výnimočne v systéme kryštalografických rovin C.
Tento jav výrazne komplikuje rast kryštálov orientácie C-plan, čo si vyžaduje presnejšiu kontrolu teplotných polí v tepelnom uzle a použitie špeciálnych scenárov kryštalizačného procesu.
Preto sme vyvinuli expresnú metodiku na posúdenie kvality kryštálu pre orientáciu pre C - plan zafíru. Pre kryštály zafíru v tomto konkrétnom smere je možné použiť metódu polariskopie s konoskopickou šošovkou.

Vyvinutá technika poskytuje postup analýzy pre celý objem (celé teleso) kryštálu, a zobrazenie mapy (mapovanie) s označením defektných oblastí kryštálu bez jeho rozrezania na časti.
Prístroj polariskop pozostáva z nasledovných častí:
- spodný panel, zabezpečuje osvetlenie dna kryštálu polarizovaným svetlom (kryštál je umiestnený na tomto paneli).
- horná časť zariadenia (umiestnená nad kryš-tálom) pozostáva z analyzátora (polaroid), šošovky a fotografickej kamery s možnosťou skenovania po celom povrchu kryštálu.

Na identifikáciu oblastí kryštálu so zbytkovými napätiami, dosahujúcimi hodnôt nad kritickými hodnotami sa používa metóda polariskopie s konoskopickou šošovkou,umožňujúca pozorovať a fotografovať obraz tzv. "maltézského kríža" (obr. č. 6).



Na obrázkoch č. 7 je možné pozorovať obraz maltézského kríža - a), zodpovedajúceho časti kryštálu s minimálnou hodnotou pnutia, b), c), d) - obraz sa deformuje podľa zvýšenia hodnoty zbytkového napätia.

- zariadenie, umiestnené na bočnych stranách prístroja, zaisťuje možnosť skenovania kryštálu laserom. Súčasne s pohybom laseru sa pohybuje nad kryštálom fotoaparát, ktorý v prípade prítomnosti chýb v kryštáli, zachytáva obraz rozptylu svetla (obr. č. 8).



- navrhli sme algoritmus získania a zavedenia dát z procesu vyhodnotenia kryštalizácie do databázy a algoritmus spracovania týchto dát na korekciu riadenia procesu pestovania kryštálu;

- spracovali sme datábazu experimentálnych údajov, do ktorej boli zavedené dáta o kvalite ingotov kryštálov a klasifikovaných polotovarov.
- v dôsledku obojstrannej medzinárodnej aktivity sme navrhli v spolupráci expertný systém pre kompletný technologický cyklus výroby priemy-selných polotovarov zo zafíru.
- Navrhli sme riadiaci algoritmus procesu kryš-talizácie zafíru na základe dát z obrazových snímok, pre jeho použitie v hromadnej výrobe pestovania kryštálov zafíru.
- Vykonali sme nastavenie systému SCADA na splnenie funkcií, ako sú dispečerské riadenie, zber údajov z rôznych fyzikálnych snímačov v reálnom čase, archiváciu a matematické spracovanie parametrov, ako aj zobrazovanie údajov na obrazovke monitora.
- V spolupráci so spoluriešiteľom (v rámci medzinárodnej spolupráce) sme navrhli softvér na priemyselné riadenie procesu pestovania monokryštálu zafíru pre mikro- a nanoelektroniku




Výsledky dosiahnuté pri vývoji a výskume výroby monokryštálov:
1 Stavba zariadenia na výrobu monokryštálov YAG-u a zafíru metódou HDC.
2 Spracovanie konštrukčnej a projekčnej doku-mentácie „Hot zony" a jej výroba v kooperácii s domácimi a zahraničnými partnermi.
3 Konštrukčné úpravy na zariadení podľa potrieb a zmien zistených v priebehu technologického procesu. (zmeny sa vykonávali v intervaloch medzi jednotlivými procesmi).
4 Vykonanie 37 procesov rastu monokryštálov (22 procesov - zafír, 14 procesov - YAG ). Procesy rastov kryštálov sa pohybovali v časovom rozsahu od 6 do 12 dní.
5 Zariadenie pracuje počas prevádzky stabilne bez prevádzkových výpadkov a jeho kon-štrukčné a projekčné riešenie bude dobrým základom pre stavbu ďalšej generácie zaria-denia.
6 Zabezpečenie kvalitných vstupných surovín.
7 Vyriešenie technológie miešania a syntézy.
8 Určenie správného pomeru výkonov medzi ohrievačmi P2/P1, čo zaručuje zníženie obsahu inklúzii v kryštáli. Boli vykonané skúšky spektroskopických a optických vlastností.
9 Zabezpečenie spolupráce s firmami vykoná-vajúcimi prípravu vzoriek v oblasti strojného opracovania (rezanie, brúsenie, leštenie... atď.).
10 Zabezpečenie merania transmisie a optických vlastností.
11 Momentálne sa zaoberáme problematikou vysokej optickej homogenity kryštálov YAG.


Dosiahnuté výsledky vznikli v rámci riešenia projektu „Optimalizácia výroby zafíru pre mikro a nanoelektroniku", ktorý je podporovaný MŠVVaŠ SR v rámci poskytnutej dotácie pre medzinárodnú vedecko-technickú spoluprácu zo štátneho roz-počtu a „Aplikovaný výskum a vývoj v oblasti procesov pri získavaní monokryštálov a optima-lizácie parametrov prípravy veľkorozmerných monokryštálov", ktorý je podporovaný MŠVVaV SR v rámci poskytnutých stimulov pre výskum a vývoj zo štátneho rozpočtu.
Autori:
Prof. Ing. Štefan Medvecký, PhD.
Katedra konštruovania a častí strojov
Žilinská univerzita v Žiline
Univerzitná 8215/1, 010 26 Žilina
Ing. Juraj Kajan
Katedra konštruovania a častí strojov
Žilinská univerzita v Žiline
Univerzitná 8215/1, 010 26 Žilina
Ing. Grigori Damazyan
CEIT a. s.
Univerzitná 8661/6A, 010 08 Žilina
Ing. Maroš Majchrák
Katedra konštruovania a častí strojov
Žilinská univerzita v Žiline
Univerzitná 8215/1, 010 26 Žilina


CEIT, a. s.

Univerzitná 8661/6A, 010 08 Žilina, Slovak Republic

tel.: +421 (0)  949 079 493

e-mail: juraj.kajan@ceitgroup.eu

 

web: www.ceitgroup.eu




Späť

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
2 + 2 =
Odoslanie formulára

Tribotechnika_2_2019

TriboTechnika_2_2019 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd