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 (Tmaxaprox 100ºC)aprox 100 C)

Nucleação, solidificação e segregação

Caso de estudo:

Crescimento de Monocristais de Silício

N l ã / lidifi ãNucleação/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 líquidosólido e do líquido varia durante a solidificação

Porque é que ocorre solidificação a uma determinada temperatura?

R: porque a energia livre do sólido seR: 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 qtemperatura de fusão. Porque é necessário que ocorra nucleação.

A nucleação homogénea e nucleação heterogéneag

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 solidificaçãofavorável e é a que ocorre na quase totalidade de situações de solidificação

Se pretendermos um monocristal interessa ter só um núcleoSe pretendermos um monocristal interessa ter só um núcleo...

ou seja a taxa de nucleação terá de ser tão baixa quanto possívelpossível

Taxa de nucleação (I)

(número de núcleos por unidade de volume)

Aprox.

Tf - temperatura de fusãoL - Calor latente de solidificaçãoσ- tensões de superfície Todos os parâmetros dependem apenas doD~coef de difusãoa- parâmetro da rederc-raio crítico de nucleaçãof(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

quanto maior é a velocidade de arrefecimento.

•Sobrearrefecimento é um parâmetro de trabalho: é tanto maior quanto maior é a velocidade de arrefecimento.

ΔT1 ΔT2 ΔT3< <

Maior velocidade de arrefecimento

sdΔT1 ΔT2 ΔT3< <

nuclleaçãosolidiificação

Menos cristais Mais cristais

•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 óTemos 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 rotaçãoDois movimentos: translação e rotação.

Paredes do cadinho estão sobreaquecidas para evitar nucleação heterogénea nas paredes.heterogénea nas paredes.

Todo o processo em salaem sala limpa para evitar contaminações doções do semicondutor

O Método de Bridgman

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 aoum gradiante de composição ao longo da barra do monocristal

•Como resolver este problema?

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.