Использование кварцевой керамики в качестве элементов теплового узла для выращивания монокристаллов германия Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Решетневскуе чтения. 2017

УДК 666.313

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КВАРЦЕВОЙ КЕРАМИКИ В КАЧЕСТВЕ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕПЛОВОГО УЗЛА ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ГЕРМАНИЯ*

Е. Ю. Подшибякина1 , Ю. А. Петровская2, Д. С. Медушевский1, А. А. Черкашин1, А. Ф. Шиманский1

1 Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 2Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Е-mail: [email protected]

Производство полупроводникового германия вносит вклад в развитие аэрокосмического приборостроения. Работа направлена на разработку технологических режимов изготовления из кварцевой керамики элементов конструкции теплового узла для выращивания монокристаллов германия и исследование их свойств.

Ключевые слова: бортовая аппаратура ракет, германий, монокристаллы, тепловой узел, кварц, керамика, теплопроводность.

USING QUARTZ CERAMICS AS ELEMENTS OF THERMAL UNIT

FOR GROWING MONOCRYSTALS OF GERMANY

E. Yu. Podshibyakina1*, Yu. А. Petrovskaya2, D. S. Medushevsky1, A. A. Cherkashin1, A. F. Shymansky1

1 Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation

2Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: [email protected]

The production of germanium semiconductor contributes to the development of aerospace instrumentation. The work is aimed at developing technological regimes to manufacture quartz ceramic elements for the construction of a thermal unit for the growth of germanium single crystals and the study of their properties.

Keywords: germanium, single crystals, thermal unit, amorphous silicon oxide, thermal conductivity, ceramics.

Введение. Германий - один из основных материалов полупроводниковой электроники. Сфера применения германия включает вычислительную технику, инфракрасную оптику, телемеханику, производство детекторов гамма-излучения. Мощные ВЧ- и СВЧ-приборы с германиевыми триодами применяют в выходных каскадах бортовой аппаратуры ракет и блоках радиолокационных установок [1-4].

Монокристаллы германия выращивают из расплава по методу Чохральского. В качестве элементов теплового узла и контейнерного материала в установке для выращивания применяется, в основном, ультрачистый графит [5]. При использовании графита наблюдается поступление в расплав германия ряда примесей, например, В, ва и Р, эффективный коэффициент распределения которых при низком содержании приближается к единице и, соответственно, очистка от них не происходит. Одним из путей решения данной проблемы является применение новых конструкционных материалов. К их числу относится аморфный оксид кремния в виде плавленого кварца, либо керамики.

Целью работы является разработка технологических режимов изготовления из кварцевой керамики

элементов конструкции теплового узла для выращивания монокристаллов германия и исследование их свойств.

Методика эксперимента. Повышенные требования к чистоте изделий обусловили наш выбор шли-керного литья в качестве способа формования керамических изделий. В процессе шликерного литья осуществляется формование кварцевого изделия при заполнении шликером пористой формы, в нашем случае, изготовленной из гипса, обеспечивающей удаление жидкости. Получение шликера на основе плавленого кварца осуществляли одностадийным методом с периодической догрузкой сырья. С этой целью в шаровую мельницу загружали дробленое кварцевое стекло (< 3 мм), добавляли деионизован-ную воду, исходя из концентрации твердой фазы, равной 65 масс. %. Соотношение массы шаров и массы загрузки составляло (2-3): 1. Для очистки кварца от примесей осуществляли его обработку в смеси растворов азотной и соляной кислот, взятых в соотношении 1:3, с последующей промывкой в дистиллированной и деионизованной воде. После очистки содержание примесей в кварце составляло 0,08 масс. %.

* Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ, Правительства Красноярского края, Красноярского краевого фонда науки в рамках проекта № 16-43-240719.

Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли

Результаты исследования

Размер фракции, мкм Содержание фракции, масс. %

20 °С 40 °С

менее 0,5 1 3

0,5-1 8 7

1-5 58 67

5-10 20 18

10-15 7 5

15-20 4 -

20-40 2 -

о ?

а б в

Элементы теплового узла: верхний экран (а); нижний экран (б); контейнеры для расплава (в)

Обсуждение результатов. Проведены исследования влияния температуры дисперсионной среды в ходе приготовления шликера в интервале от 20 до 40 °С на его свойства, а так же на характеристики керамических изделий. В таблице приведены результаты исследования гранулометрического состава дисперсной фазы 8Ю2.

На основании приведенных данных можно заключить, что в составе твердой фазы преобладает фракция с размером частиц до 5 мкм. Ее содержание составляет 67 масс. % при температуре дисперсионной среды 20 °С и - 77 масс. % при 40 °С. При этом в первом случае минимальный размер частиц составляет 0,5 мкм, во втором присутствуют более мелкие частицы размером 0,2 мкм, что способствует повышению седиментационной устойчивости шликера.

Так как стабильность дисперсных систем определяется их электрохимическими параметрами проведены исследования влияния температуры приготовления шликера на величину ^-потенциала с системе. Установлено, что при увеличении температуры приготовления шликера от 20 до 40 °С ^-потенциал возрастает от 39 до 41,8 мВ, что также свидетельствует о повышении устойчивости шликера. Обнаружено, что размер частиц и ^-потенциал при дальнейшем увеличении температуры от 40 до 50 °С практически не изменяются. При более высокой температуре исследования не проводились, так как начиналось интенсивное испарение влаги. Таким образом, на основании проведенных исследований можно заключить, что приготовление шликера целесообразно проводить при температуре 40 °С. На рисунке приведены фотографии экспериментальных изделий.

Полученные изделия подвергались отжигу при температуре 1200 °С в течение 1 ч, так как при более высокой температуре наблюдалось появление кристаллических фаз, снижающих их термостойкость. На экспериментальных образцах определена их плотность. Установлено, что с ростом температуры приготовления шликера она возрастает от 1,8 до 2,0 г/см3. В температурном интервале от 20 до 1000 °С проведены исследования теплопроводности керамического

материала, которые показали, что она составляет ~1,0 Вт/(м-К).

Заключение. На основании проведенных исследований свойств шликера и экспериментальных керамических изделий из кварца предложены технологические режимы изготовления элементов конструкции теплового узла для выращивания монокристаллов германия, включающие температурный режим приготовления шликера.

Библиографические ссылки

1. Dimroth F., Kurtz S. High-efficiency multijunction solar cells // MRS bulletin. 2007. Т. 32. № 03. P. 230235. DOI: http://dx.doi.org/10.1557/mrs2007.27.

2. Наумов А. В. Мировой рынок германия и его перспективы. Восставший из праха // Известия вузов. Цветная металлургия. 2007. № 4. С. 32-40.

3. Handbook of photovoltaic science and engineering / A. Luque [et al.]. John Wiley & Sons, 2003. 1168 р.

4. Claeys L., Simoen E. Germanium-based technologies: from materials to devices. Elsevier, Oxford, 2007. 449 p.

5. Таиров Ю. М., Цветков В. Ф. Технология полупроводниковых и диэлектрических материалов. М. : Высш. шк., 1990. 423 с.

References

1. Dimroth F., Kurtz S. High-efficiency multijunction solar cells. MRS bulletin, 2007, Vol. 32, no. 03, P. 230235. DOI: http://dx.doi.org/10.1557/mrs2007.27.

2. Naumov A. V. [The global market for germanium and its prospects. Risen from the ashes] Izvestiya VUZov. Tsvetnaya metallurgiya, 2007, no. 4, p. 32-40. (In Russ.).

3. Luque A., Hegedus S. (ed.). Handbook of photovoltaic science and engineering. John Wiley & Sons, 2003. 1168 р.

4. Claeys L., Simoen E. Germanium-based technologies: from materials to devices. Elsevier, Oxford, 2007. 449 p.

5. Tairov Yu. M., Zvetkov V. F. Technology of semiconductor and dielectric material. M. : High. School., 1990. 423 p. (In Russ.)

© Подшибякина Е. Ю., Петровская Ю. А., Медушеский Д. С., Черкашин А. А., Шиманский А. Ф., 2017