ПОЛУЧЕНИЕ КВАРЦЕВОЙ КЕРАМИКИ МЕТОДОМ ШЛИКЕРНОГО ЛИТЬЯ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ БЕЗДИСЛОКАЦИОННЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ ГЕРМАНИЯ

Применение монокристаллов германия с минимальным количеством примесей и деффектов перспективно в связи с развитием полупроводниковых технологий. Они необходимы в качестве подложек для эпитаксиальных А^III–В^V оптико-электронных структур, которые требуются для изготовления солнечных элементов на основе систем GaInP-Ge, GaInAs-Ge, являющиеся эффективными фотопреобразователями с КПД 39% и более [7,8,11,12].

Для изготовления высокоэффективных фотопреобреобразователей требуются бездислокационные кристаллы с низким содержанием примесей, так как наличие дислокаций и неконтролируемых примесей приводит к несоответствию параметров кристаллических решеток Ge и соединений А^IIIВ^V, препятствуя росту высококачественных эпитаксиальных слоев на германиевой подложке [2,12].

Бездислокационный высокочистый германий обеспечивает решение проблем, возникающих в связи с использованием кремния при создании радиационно-стойких силовых MOSFET-транзисторов, которые применяют в источниках питания, преобразователях напряжения, блоках управления. Высокая подвижность носителей зарядов в бездислокационном германии. достигающая 1000 cм²/В с, что в 2 раза выше чем в Si. Позволяет использовать его для создания быстродействующих устройств космического класса [9].

В технологии получения высокочистого германия важную роль играют конструкционные материалы, из которых изготовлен тепловой узел и контейнер для расплава. Традиционно в качестве такого материала применяется ультрачистый графит. Однако при использовании графита в расплав германия поступают примеси B, Ga и P, эффективный коэффициент распределения которых при низком содержании приближается к единице, и соответственно очистка от них не происходит [6]. Одним из путей решения данной проблемы является применение новых конструкционных материалов. К их числу относятся нитрид бора, материалы на основе оксида кремния, сапфир, стеклоуглерод, нитрид алюминия. По многочисленным данным наиболее предпочтительным является аморфный SiO₂ в виде плавленого кварца, либо керамики [10].

Настоящая работа направлена на разработку технологических режимов изготовления методом шликерного литья кварцевых керамических элементов теплового узла для выращивания монокристаллов германия.

Элементы теплового узла изготавливали по керамической технологии с использованием метода шликерного литья, получившего широкое распространение при производстве керамических изделий из кварца различного назначения.

Приготовление шликера на основе плавленого кварца проводили одностадийным способом. Плавленый кварц измельчали с помощью щековой дробилки до крупности частиц < 3 мм, затем его помещали в керамический барабан, добавляли воду, поливиниловый спирт для стабилизации, мелющие тела и перемешивали до получения устойчивой суспензии [4]. Схема литья шликера в гипсовую форму представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема литья шликера в гипсовую форму.

Способ формования керамических изделий методом водного шликерного литья в гипсовых формах включает: заливку водного шликера с заданными свойствами в форму или зазор между формой и сердечником 1, набор керамической заготовки за счет отбора жидкой фазы шликера гипсом 2. После набора массы избыток шликера сливают 3, заготовку предварительно подсушивают и извлекают изделие из формы 4, сушат и обжигают [1]. При этом для получения достаточной однородности по плотности и свойствам изделий по высоте и толщине стенки применяют суспензии с высокой плотностью и гравитационной устойчивостью [5].

Этот способ основан на свойстве пористых тел забирать часть воды из шликера за счет капиллярных и диффузионных процессов. Для получения качественного плотного материала таким способом после обжига требуется высокая плотность отливки до обжига и минимальные объемные изменения при обжиге. Это обусловлено тем, что в процессе обжига может появиться кристаллическая фаза в материале, что при охлаждении вызывает не только разрыхление и потерю прочности керамики, но и приводит к полной потере термической стойкости [3].

При приготовлении шликера стремились получить максимально концентрированную суспензию. Для этого после 15 ч перемешивания через каждые 6 ч в шликер вносили добавки крупной фракции (< 3 мм) для повышения концентрации SiO₂. Общее время стабилизации шликера составило 40 ч, содержание твёрдой фазы удалось повысить до 82 масс. %

Разработаны следующие технологические режимы изготовления контейнеров:

– приготовление концентрированного шликера на основе кварцевого стекла (плавленого кварца) методом мокрого помола в течение 15 ÷ 40 ч с контентрацией шликера 82 масс.%;

– шликерное литье в гипсовую форму;

– сушка формы с изделием при температуре 20 °С в течение 24 ч;

– сушка и обжиг изделия при 1175 °С в течение 2 ч.

По приведенной технологии изготовлены элементы керамического теплового узла, представленные на рисунке 2.

а) верхний экран; б) нижний экран; в) тигель d=280 мм.

Рисунок 2. Элементы теплового узла.

Плотность готовых изделий, полученных методом шликерного литья при разработанных режимах формования из плавленого кварца составила ~ 1,99 г/см³. В настоящее время полученные изделия проходят опытно-промышленные испытания на предприятии АО "ГЕРМАНИЙ".

Список литератруры:

1. Коллоидная химия. Лабораторный практикум для студ. хим. фак-та./ Под ред. И.П. Бахваловой, С.Г. Бахвалова. – Красноярск: Изд-во КГУ, 2002. – 28 с.
2. Наумов, А.В. Мировой рынок германия и его перспективы. Восставший из праха / А.В. Наумов // Изв. вузов. Цветная металлургия. – 2007. – №4. – С. 32–40.
3. Пивинский, Ю.Е. Конструкционная керамика и проблемы ее технологии в кн. Химия и технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов – Л.: Наука, 1989. - С. 109-125.
4. Пат. 2333900 Российская Федерация, МПК C 04 B 35/14. Способ получения кварцевых тиглей/ Шиманский А.Ф., Пивинский Ю.Е., Савченко Н.С., Подкопаев О.И. - № 2006142548/03; заявл. 30.11.06; опубл. 20.09.08, Бюл. № 26.
5. Пат. 2378223 Российская Федерация, МПК C 04 B 35/14. Способ формования керамических изделий из водных шликеров/ Ф.А. Бородай// Федеральное государственное унитарное предприятие "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" (RU) – № 2008133113/03; заявл. 11.08.2008; опубл. 10.01.2010.
6. Состояние мировых рынков галлия и германия [Электронный ресурс]. – Режим доступа –URL: http://www.metalbulletin.ru (дата обращения 25.04.16)
7. Claeys Cor, L. Germanium-based technologies: from materials to devices / L. Cor Claeys, E. Simoen. – Berlin [etc.]: Elsevier, 2007. – 449 p.
8. Claeys Cor, L. Extended Defects in Germanium: Fundamental and Technological Aspects / L. Cor Claeys, E. Simoen. – Berlin [etc.]: Springer, 2009. – 297 p.
9. Germanium Supply & Market Outlook 2010. Strategic-metal report [Электронный ресурс]. – Режим доступа –URL: http://strategic-metal.typepad.com/strategic-metal-report/2010/04/germanium-supply-market-outlook-2010.html (дата обращения 25.04.16)
10. Minerals information [Электронный ресурс].– Режим доступа –URL: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/     (дата обращения 25.04.16)
11. Seebauer, G. Edmund Charged Semiconductor Defects: Structure, Thermodynamics and Diffusion / Edmund G. Seebauer, Meredith C. Kratzer. – Berlin [etc.]: Springer, 2008. – 294 p.
12. Yu Y., Peter Fundamentals of Semiconductors: Physics and Materials Properties / Peter Y. Yu, Manuel Cardona. – Berlin [etc.]: Springer, 2009. – 775 p.