Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Из различных способов получения монокристаллов для германия используют преимущественно способ вытягивания монокристаллов из расплава и в последнее время способ зонной плавки.
В исходный расплав чистого германия обычно вводят донорные или акцепторные примеси, распределение которых в монокристалле можно регулировать. Ниже кратко рассмотрены основные способы получения монокристаллического германия.
Способ вытягивания монокристаллов состоит в том, что в расплавленный металл, имеющий температуру, близкую к температуре плавления, погружают небольшой монокристалл германия (затравку), который затем с определенной скоростью вытягивается из расплава с помощью подъемного механизма. Сплав затвердевает с ориентацией затравочного кристалла.
Схема одной из установок для получения монокристаллов германия по способу «вытягивания» показана на рис. 222.
Германий плавится в графитовом чашеобразном тигле 27 (диаметром 127 мм, высотой 43 мм), помещенном в вакуумную печь, в которой поддерживается разрежение не выше 10в-4 мм рт. ст.
Нагревателем служит графитовая труба 29 (диаметр 159 мм, высота 200 мм) с двумя вертикальными щелевыми разрезами по образующей.
Нагреватель крепится к медным охлаждаемым водой электродам 24 в виде полуколец, к которым подводится электрический ток с помощью медных трубок. По этим трубкам подается также охлаждающая вода. Вокруг нагревателя установлен ряд экранов из листового тантала и кварцевой трубы. Потребляемая мощность печи около 10 ква при напряжении 5 в.
Вакуумная камера печи 10 состоит из охлаждаемого водой стального цилиндра, установленного на охлаждаемой стальной плите 13. На цилиндре установлена охлаждаемая крышка 21 с патрубком 19, через который проходит подвижной стержень 3, служащий для вытягивания монокристалла. Между цилиндром и опорной плитой, цилиндром и крышкой проложены резиновые кольцевые прокладки, обеспечивающие герметичность камеры. Крышка патрубка имеет подвижное вакуумное уплотнение 2 для осуществлений подъема стержня с затравкой германия.
В опорной стальной плите имеется широкая горловина 15 с фланцем, присоединяемым непосредственно к паромасляному насосу. Для предотвращения попадания паров масла в камеру печи в горловине монтирован змеевик 33, по которому циркулирует ацетон, охлаждаемый твердой углекислотой (сухим льдом).
Германиевая монокристаллическая затравка 6 вставляется в графитовую трубку, ввинченную в графитовый держатель 23. Последний прикреплен к концу охлаждаемого стержня 3, служащего для вытягивания. Верхний конец стержня прикреплен к супорту 1, который поднимается и опускается с помощью автоматической лебедки.
При вытягивании тигель и затравка вращаются, причем направление вращения тигля противоположно вращению кристалла.
Вращение тигля предотвращает неравномерный его нагрев и обеспечивает (так же, как и вращение кристалла) перемешивание жидкого германия, что ускоряет диффузию примесей, которыми обогащены слои жидкости, примыкающие к растущему кристаллу.
Примерный режим процесса состоит в следующем. В вакуум ной камере создается разрежение не ниже 10в-4 мм рт. ст. Затем включается ток и температура нагревателя доводится до 1100—1200°.
Расплавленный металл выдерживается при этой температуре некоторое время для его дегазации.
Затем температура понижается до 965° и затравка медленно опускается в расплав и остается в нем некоторое время, необходимое для установления хорошей связи между поверхностью монокристалла и расплавом. Затем затравка медленно поднимается. При этом ведется наблюдение через смотровое окно 20, чтобы затравка не оторвалась от расплава.
За счет поверхностного натяжения жидкость у мест контакта несколько выше уровня расплава.
Момент контакта затравки с расплавом можно, кроме того, установить с помощью электрического тока. Для этого к графитовому тиглю подается небольшое напряжение через платиновую ленту 28, присоединенную к графитовому кольцу 12, к которому подведено напряжение. Стальная камера печи заземлена. В момент контакта затравки с расплавом цепь замыкается и стрелка миллиамперметра отклоняется.
Диаметр монокристалла обычно возрастает по мере вытягивания. Когда достигается желаемый диаметр, стержень поднимается с постоянной скоростью Установка позволяет изменять скорость вытягивания от 0 до 150 хм/час. Наиболее часто применяемая скорость 75 мм/час.
В описываемой установке получали монокристаллические стержни диаметром около 50 мм, высотой 460 мм.
По причинам, которые выше уже рассматривались, при росте монокристалла происходит сегрегация примесей — большая часть их концентрируется в жидкой фазе. Поэтому в вытягиваемом монокристалле концентрация примесей постепенно возрастает сверху вниз и соответственно постепенно уменьшается электросопротивление вдоль направления роста. Получают монокристаллы с электросопротивлением в верхней части слитка 55—25 ом*см, в нижней части оно составляет несколько ом*см. Однако, изменяя скорость вытягивания монокристалла по мере увеличения его длины, можно получить на отдельных участках монокристалла постоянную концентрацию примеси и соответственно постоянное значение электросопротивления.
Этот способ, однако, несколько сложен. Равномерное распределение примесей более просто обеспечивается при зонной плавке.
Способ зонной плавки. Основные принципы зонной плавки уже были рассмотрены выше. Для получения монокристаллического слитка по этому способу, в начале слитка кладется монокристалл германия (затравка) и в непосредственном контакте с ним создается узкий участок жидкой зоны. Эта зона затем передвигается с определенной скоростью вдоль слитка (путем перемещения лодочки), оставляя позади себя монокристаллический слиток германия.
Концентрация примеси по длине слитка при однократном прохождении жидкой зоны и малых значениях коэффициента распределения (К < 0,2) сильно изменяется, хотя и меньше, чем при «нормальном затвердевании». Однако было установлено, что можно получить однородное распределение примеси по всей длине (кроме последнего участка кристаллизации, равного ширине жидкой зоны), если повторить несколько раз прохождение слитка жидкой зоной в противоположных направлениях. Этот способ выравнивания концентрации по длине слитка назван «зонным выравниванием».
Наиболее однородное распределение примеси по длине слитка достигается при зонной плавке в том случае, когда примесь вводится в предварительно очищенный («сверхчистый») германий. В этом случае вводимая примесь помещается в первой зоне, в начале слитка. Концентрация примеси по длине образца при однократном прохождении зоны выражается уравнением:
где Ci — начальная концентрация вводимой примеси в первой зоне;
С — концентрация на расстоянии x от начала затвердевания;
К — коэффициент распределения.
Анализ показывает, что в этом случае при малых значениях К (порядка 0,01) область однородной концентрации за один проход распространяется на значительную часть длины слитка.
Дальнейшее улучшение может быть достигнуто способом «зонного выравнивания».
На рис. 223 сопоставлено распределение примеси сурьмы по длине слитка при способе «нормального затвердевания» и способе «зонного выравнивания. В последнем случае концентрация примеси практически постоянна по всей длине, кроме последней зоны.
На рис. 224 показан пруток монокристаллического германия длиной 35 см, полученный по способу зонной плавки.
