Fornos para tratamentos térmicos

Transcrição

1 Fornos para tratamentos térmicos Fornos de resistência em vácuo ou atmosfera controlada (recozimentos, envelhecimentos) Fornos de têmpera em óleo ou banho de sais Forno de indução com cadinho vertical para fusão (T max aprox 2500ºC) Mufla de recozimentos/revenido (T max aprox 100ºC)

2 Nucleação, solidificação e segregação Caso de estudo: Crescimento de Monocristais de Silício

3 Nucleação/solidificação lidifi ã 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 varia durante a solidificação

4 Porque é que ocorre solidificação a uma determinada temperatura? 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 temperatura de fusão. Porque é necessário que ocorra nucleação.

5 A nucleação homogénea e nucleação heterogénea 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

6 Se pretendermos um monocristal interessa ter só um núcleo... ou seja a taxa de nucleação terá de ser tão baixa quanto possível Taxa de nucleação (I) (número de núcleos por unidade de volume) Aprox. T f - temperatura de fusão L - Calor latente de solidificação σ- tensões de superfície D~coef de difusão a- parâmetro da rede r c -raio crítico de nucleação f(θ) - função que depende da geometria do núcleo [0,1] ΔT -sobrearrefecimento 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 quanto maior é a velocidade de arrefecimento.

7 Sobrearrefecimento é um parâmetro de trabalho: é tanto maior quanto maior é a velocidade de arrefecimento. Maior velocidade de arrefecimento ΔT 1 < ΔT 2 < ΔT 3 sd nucleação solidificação Menos cristais Mais cristais

8 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. 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? Temos de convencer o material a solidificar como nós queremos. Vários processos.

9 O Método de Czochralski Velocidade de solidificação: alguns mm/h Semente: monocristal com a orientação que queremos. Dois movimentos: translação e rotação. Paredes do cadinho estão sobreaquecidas para evitar nucleação heterogénea nas paredes. Todo o processo em sala limpa para evitar contamina ções do semicondu tor

10 O Método de Bridgman

11 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 longo da barra do monocristal Como resolver este problema?

12 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.