坩锅下降法生长金属单晶研究(4)
悬浮区熔法生长锗单晶的主要工艺参数如表1-2所示［5］
表1-2 悬浮区熔法生长锗单晶的主要工艺参数
参数名称 Ar气压力／MPa 生长速率／mm•min-1 上轴压量／mm•min-1 加热电压／kV 下轴旋转／r•min-1
放肩过程 0.14 1.5～1.6 －0.6～0.6 1.3～1.5 4
等径过程 0.16 2.0～2.1 0.6～0.7 1.6～1.7 4
区熔法生长的锗单晶的主要参数如表1-3所示。
表1-3 区熔法生长的锗单晶的主要参数
晶向 晶棱 直径／mm 总长度／mm 位错／个•cm－2
<100> 完整 22 80 300～10000
目前采用悬浮区熔工艺，可生长出直径大于20mm的锗单晶。
（2） 直拉法
利用籽晶坩埚熔体中提拉单晶的技术,由切克劳斯基(J．Czochralski)于1918年首次用此法生长金属晶体，故又称切克劳斯基法，简称CZ法。美国人蒂尔(G．K．Teal)和里特尔(J．B．Little)于1950年用此法拉出锗单晶，蒂尔和布勒直(E．Buekler)于1952年用此法拉出硅单晶[8]。原理与工艺过程单晶生长的过程如图所示，即建立相应的温度场，在固一液界面形成一定过冷度，在籽晶上进行结晶。工艺可分以下几个阶段：(1)熔料。将坩埚内多晶料全部熔化；(2)引晶。将籽晶放下经烘烤后，使之接触熔体，籽晶向上提拉，控制温度使熔体在籽晶上结晶；(3)缩颈。目的在于减少或消除位错，获得无位错单晶。(4)放肩。使单晶长大到所需要的直径尺寸。(5)等径。单晶保持圆柱形生长。(6)收尾。将单晶直径逐渐缩小，最后呈锥形，以避免位错反延伸。Cz法生长示意图如图1.1所示。
图1.1 Cz法生长示意图
至今，直拉生长工艺已经发展成熟，能够生长出接近完美晶体的锗单晶材料。
1.2.2 锗单晶的性能
锗金属单晶属于第IV主族元素、金刚石结构，具有比较优越的物理和化学性质，其主要应用与半导体材料、红外光学材料、化工催化剂、医学应用及其他一些新用途领域，尤其是作为一种优异的红外光学材料使用。锗不溶于水，化学性能稳定，在可见光区域它是不透明的。锗对微波则有很好的透过性，随着温度的升高，由于自由载流子吸收增加，锗的透过率显著下降，因而锗不宜在较高温度情况下使用。同时，锗是一种比较脆的材料，抗机械冲击性能也比较差。
光学级锗晶体单晶和多晶是目前红外透射材料中应用最广泛的材料之一。它具有宽的红外透射波段(可在3~5μm和8~12μm两波段使用),机械强度高,不易潮解,化学性能稳定等特点,因而是制作红外光学透镜和窗口的良好材料,多数用于热像仪和低功率CO2激光器窗口。但在使用中,仍要求锗晶体的直径要足够大,透过率要高以及折射率均匀性要好,成本要低。因此,人们在锗晶体的制造方法上做了大量研究工作,以便以更低的成本获得满足红外光学使用要求的高质量锗晶体。
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