Matériaux courants à haute température pour la croissance de monocristaux

Introduction

Toute croissance monocristalline de haute qualité par les procédés Czochralski, Bridgman et autres nécessite des fours fonctionnant à des températures très élevées dans des gradients thermiques abrupts. Ces conditions imposent des exigences inhabituelles aux matériaux sélectionnés pour la construction des fours.

Les composants tels que les creusets, les réchauffeurs et les supports structurels doivent non seulement supporter des températures supérieures à 2000 °C, mais aussi résister aux attaques chimiques, aux contraintes thermiques et aux déformations mécaniques. Le choix du bon matériau est donc la considération la plus importante, car il affecte directement la qualité des cristaux, les performances du procédé et la durée de vie de l'équipement.

Exigences en matière de matériaux à noter

Lors du choix des matériaux pour les fours, plusieurs exigences en matière de performances doivent être soigneusement équilibrées :

-Point de fusionélevé: Les matériaux ne doivent pas se ramollir ou se dégrader dans les conditions de fonctionnement. Le tungstène (3422 °C), le molybdène (2623 °C) et le graphite (sublimation supérieure à 3600 °C) sont les meilleurs candidats.

- Conductivitéthermique: Un transfert de chaleur efficace permet de maintenir les gradients thermiques à un niveau minimal ; le Mo, le W, le SiC et le graphite excellent à cet égard.

- Dilatationthermique: Une faible dilatation réduit les contraintes thermiques et améliore la compatibilité des composants. Par exemple, le W (~4,5 × 10-⁶ K-¹) et le Mo (~5,1 × 10-⁶ K-¹) sont relativement stables.

- Résistance aufluage: La stabilité de la taille sous contrainte pendant des périodes prolongées est extrêmement importante pour les composants porteurs. Les métaux réfractaires et leurs alliages excellent dans ce domaine.

-Stabilitéchimique: Les matériaux doivent résister à l'oxydation, à la formation de carbures et aux réactions parasites avec la matière fondue. Ce point est souvent contrôlé en travaillant sous vide ou dans des atmosphères de gaz inertes.

-Résistancemécanique: Les pièces telles que les supports de creusets et les réchauffeurs doivent supporter de lourdes charges sans se déformer ; les alliages de tungstène et de molybdène et les composites à base de graphite sont couramment utilisés.

Matériaux haute température courants pour la croissance de monocristaux

Tungstène (W)

Le tungstène reste le matériau de référence dans les fours à monocristaux. Il a un point de fusion exceptionnel de 3422 °C, un coefficient de dilatation thermique extrêmement faible (~4,5 × 10-⁶ K-¹) et une résistance au fluage satisfaisante dans des conditions de haute température. Toutes ces raisons font du tungstène un matériau essentiel pour les réchauffeurs, les tiges de support et d'autres pièces de four qui doivent résister à des charges thermiques élevées. Son principal défaut est l'oxydation : à des températures élevées supérieures à ~400 °C dans l'air, le tungstène se dégrade très rapidement. C'est pourquoi il est toujours utilisé sous vide poussé ou dans des environnements inertes comme l'argon.

Molybdène (Mo)

Le molybdène est très équilibré dans ses deux caractéristiques de haute température. Le molybdène fond à 2623 °C et a une conductivité thermique de ~138 W/m-K qui lui confère une stabilité mécanique favorable et une excellente usinabilité par rapport au tungstène. Le molybdène est largement utilisé par les ingénieurs pour les supports de creusets, le blindage et les pièces de fours qui doivent être soudées ou façonnées. Comme le tungstène, le molybdène s'oxyde facilement - au-delà de ~600 °C dans l'air - et son utilisation nécessite également des environnements contrôlés.

Graphite

Le graphite est apprécié pour sa combinaison unique de propriétés mécaniques et thermiques. Il est un bon conducteur de chaleur (valeurs dans le plan allant jusqu'à 200 W/m-K), peut supporter des températures supérieures à 3600 °C et peut être usiné pour obtenir des formes complexes avec une relative facilité. Pour ces applications, il est largement utilisé pour les creusets, les suscepteurs et l'isolation thermique. Le graphite est très réactif à l'oxygène, s'oxydant à ~500 °C, ce qui limite son utilisation aux environnements sous vide ou sous gaz inerte.

Les céramiques

Les matériaux céramiques tels que l'alumine (Al₂O₃, point de fusion ~2072 °C), l'yttrium (Y₂O₃, ~2430 °C) et la zircone (ZrO₂, ~2700 °C) sont utilisés lorsque la stabilité chimique est un problème. Ils résistent à l'attaque des matériaux en fusion et sont donc bien adaptés aux creusets, aux revêtements et aux composants d'isolation dans les équipements de croissance cristalline. Toutefois, leur fragilité les rend sensibles aux chocs thermiques et aux contraintes mécaniques, de sorte que leur utilisation est limitée aux applications soumises à des contraintes moindres.

Comment sélectionner

Le choix des matériaux appropriés pour la croissance de monocristaux à haute température est un exercice d'équilibre entre les performances chimiques, mécaniques et thermiques.

Le molybdène et le tungstène sont les poids lourds des composants à haute température et à haute résistance, le graphite et les céramiques étant des solutions utiles et éprouvées pour les creusets, les revêtements et l'isolation. Les alliages de métaux réfractaires offrent une extension supplémentaire des performances lorsque la résistance au fluage et la ductilité sont critiques. Enfin, l'adéquation entre les propriétés des matériaux et la conception des fours garantit une qualité constante des cristaux, une durée de vie plus longue des équipements et un meilleur fonctionnement. Pour plus d'informations, veuillez consulter le site Stanford Advanced Materials (SAM).