НАНЕСЕНИЕ БАРЬЕРНОГО ПОКРЫТИЯ, СОДЕРЖАЩЕГО НИТРИД БОРА, НА КОНТЕЙНЕРЫ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ ГЕРМАНИЯ ИЗ РАСПЛАВА Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.313

НАНЕСЕНИЕ БАРЬЕРНОГО ПОКРЫТИЯ, СОДЕРЖАЩЕГО НИТРИД БОРА, НА КОНТЕЙНЕРЫ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ ГЕРМАНИЯ

ИЗ РАСПЛАВА

А. Ф. Шиманский2, Е. Ю. Подшибякина1, П. А. Комарова2,

1 2 А. А. Федорова , А. В. Королькова

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. газеты «Красноярский рабочий», 31

E-mail: podshibyakina.elenka@mail.ru

Предложен способ изготовления по керамической технологии кварцевых контейнеров для расплава Ge с композитным барьерным покрытием, содержащим нитрид бора. Изучено смачивание покрытия расплавом германия.

Ключевые слова: германий, расплав, контейнер, плавленый кварц, керамика, смачивание.

APPLICATION OF BARRIER COATING CONTAINING BOR NITRIDE ON CONTAINERS FOR GROWING GERMANY CRYSTALS FROM MELT

A. F. Shymansky2, E. Yu. Podshibyakina1, P. A. Komarova2, A. A. Fedorova1, A. V. Korolkova2

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

2Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: podshibyakina.elenka@mail.ru

A method for manufacturing quartz containers for Ge melt with a composite barrier coating containing boron nitride by a ceramic technology is proposed. The wetting of the coating by a germanium melt was studied.

Keywords: germanium, melt, container, fused silica, ceramics, wetting.

Кристаллы германия востребованы в современной микро- и наноэлектронике для изготовления солнечных батарей и радиационно-стойких силовых MOSFET-транзисторов, используемых в электронной технике космического базирования. В технологии получения совершенных кристаллов с минимальным содержанием примесей важную роль играет материал контейнера для расплава германия. В качестве материала контейнера используются ультрачистый графит, аморфный оксид кремния в виде плавленого кварца или кварцевой керамики и нитрид бора [1]. Применение контейнеров из нитрида бора, характеризующихся наименьшим смачиванием расплавом германия и, соответственно, наиболее перспективных, ограничивается их высокой стоимостью и технологическими трудностями изготовления, обусловленными высокой температурой плавления BN.

В работе [2] нами предложен способ изготовления двухслойных кварцевых контейнеров по керамической технологии с использованием метода шликерного литья. Суть его состоит в том, что на внутреннюю поверхность кварцевого контейнера, изготовленного по шликерной

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2020. Том 2

технологии, наносится, также методом шликерного литья, барьерное покрытие требуемого состава, которое контактирует при выращивании кристалла с расплавом германия.

Настоящая работа направлена на разработку нового контейнерного материала для расплава германия с композитным барьерным покрытием на основе оксида кремния, содержащим нитрид бора.

Кварцевые керамические контейнеры, а также экспериментальные образцы для исследования смачивания материала покрытия расплавом германия изготавливали методом шликерного литья в гипсовую форму. Приготовление водной суспензии с содержанием твердой фазы 70 масс. % осуществляли по методике одностадийного мокрого помола плавленого кварца. После естественной сушки контейнера на его рабочую поверхность также методом шликерного литья наносили покрытие, содержащее нитрид бора и аморфный оксид кремния. В заключение, полученный полуфабрикат после естественной сушки подвергали обжигу в атмосфере аргона при 1200 °С в течение 2 ч [3].

Эксперименты по определению угла смачивания проводили в среде вакуума при остаточном давлении 0,013 Па и температуре 1000 °С на подложках в форме прямоугольной пластины (2^2) см2 с использованием вакуумной установки «Капля» (ОАО Гиредмет).

На рис. 1 представлены фотографии микроструктуры внутреннего слоя контейнера (а) и его поверхности (б), из которых следует, что размер зерен в поверхностном слое изменяется от ~ 5 до ~ 50 мкм, а размер микронеровностей на поверхности изменяется от 5 до 10 мкм. Установлено, что плотность материала покрытия БЮ2 составляет 1,8 г/см3, пористость ~ 14,0 %,.

Рис.1. Микроструктура поверхностного слоя кварцевого контейнера с покрытием БК - 8Ю2 (а) и фотография капли расплава германия (б) на поверхности исследуемых образцов

Проведены исследования смачивания шероховатой поверхности покрытия расплавом германия. В качестве образцов сравнения при исследовании смачивания использовали пластину из плавленого кварца с полированной поверхностью и кварцевую керамику с подобной покрытию микроструктурой, имеющую одинаковую с покрытием шероховатость поверхности, но не содержащую нитрид бора. Содержание примесей во всех исследуемых образцах было одинаковым и составляло ~ 0,05 масс. %.

Фотография капли расплава Ое на поверхности исследуемых образцов представлена на рисунке 2. Установлено, что углы смачивания О расплавом германия барьерного покрытия и поверхности кварцевой керамики равны 128° и 120°. Таким образом, добавление нитрида бора в состав кварца приводит к возрастанию контактного угла на 8°. Угол смачивания полированного кварцевого стекла расплавом германия составил ~100°. Таким образом,

смачивание расплавом германия шероховатой поверхности образцов кварцевой керамики значительно ниже, в зависимости от состава на 20 - 28°, чем гладкой поверхности кварцевого стекла.

На основании полученных данных можно заключить, что в технологии полупроводникового германия целесообразно использовать керамические кварцевые контейнеры для расплава Ge с композитным покрытием, содержащем нитрид бора, так как добавка нитрида бора в состав керамики уменьшает ее смачивание расплавом Ge.

Библиографические ссылки

1. Claeys Cor, L. Germanium-based technologies: from materials to devices /L. Cor Claeys, E. Simoen. - Berlin [etc.]: Elsevier, 2007.2. Наумов A.B. Мировой рынок германия и его перспективы. Восставший из праха / А.В. Наумов // Известия ВУЗов. Цветная металлургия. 2007. № 4. С. 32-40.

2. Пат. 2333900 Российская Федерация, МПК C 04 B 35/14. Способ получения кварцевых тиглей / Шиманский А.Ф. (RU), Пивинский Ю.Е. (RU), Савченко Н.С. (RU), Подкопаев О.И. (RU); № 2006142548/03; заявл. 30.11.06; опубл. 20.09.08, Бюл. № 263.

3. Taishi T., Ise H., Murao Y. Czochralski-Growth of Germanium Crystals Containing High Concentrations of Oxygen Impurities // J. Crystal Growth. 2010. V. 312. P. 2783-2787.

© Шиманский А. Ф., Подшибякина E. Ю., Комарова П. A., Федорова А. А., Королькова А. В., 2020