[发明专利]超高纯锗单晶制备工艺及专用设备

说明书

技术领域

本发明涉及探测器级的超高纯锗单晶制备工艺以及该工艺的专用设备。

背景技术

现有军事国防，科学研究，国民经济各个领域均需要使用高纯锗γ射线、x射线的辐射探测器及其能谱仪进行核辐射的探测，而用高纯锗单晶做的γ射线探测器是所有能量分辨率＜0.2％的γ射线探测器中分辨率最好的一种。这种探测器级的锗单晶材料，其净杂质浓度必须小于2×10¹⁰cm^-3。要想获得如此高纯度的锗单晶，在用通常化学方法提纯到5～6个9的纯度之后还须分两步进行，第一步是采用特殊的区熔提纯方法得到探测器级锗多晶材料，第二步是采用特殊的拉制单晶方法，得到大体积的高纯锗单晶材料。

迄今半导体锗工业生产的锗单晶锭，它一直沿用的直拉法，在太阳能锗锗单晶制备中也有用VGF法的技术和工艺，而且都需要进行掺杂而不追求锗本身的进一步提纯，导致生产出的半导体锗单晶纯度，一般在5-6N，最高也可能达到8-9N，在半导体锗材料领域里的技术和工艺还达不到12～13N的纯度要求，目前国内全部靠进口。

发明内容

本发明目的在于提供一种可制备出纯度达12～13个9的超高纯锗单晶制备工艺及专用设备，为我国核辐射探测领域里高纯锗探测器的自主创新提供技术基础和材料基础。

为实现该目的，本发明所采取的技术方案是：

超高纯锗单晶制备工艺，包括多晶锭及拉晶设备的清洗以及单晶炉拉制单晶两个部分，所述多晶锭清洗依次包括超声波清洗器的超净水清洗、超净工作台的化学清洗以及氮气吹干步骤；所述拉晶设备清洗依次包括超声波清洗器的超净水清洗、超净工作台的化学清洗、氮气吹干步骤；

所述单晶炉拉制单晶包括将多晶锭装料至拉晶设备以及单晶炉拉制单晶的步骤。

实现本发明目的的技术方案还进一步包括，所述超净水纯度为18兆电阻率。

所述化学清洗步骤为依次分别用硝酸、氢氟酸溶液和盐酸、双氧水溶液清洗，用超净水冲洗，然后用甲醇淋洗脱水，所述硝酸、氢氟酸溶液，盐酸、双氧水溶液以及甲醇纯度为MOS级。

进一步的，所述氮气吹干步骤所用氮气纯度为大于5N，在单晶炉拉制单晶的步骤中石英管内通入氢气，所述氢气的纯度为大于6N。

一种超高纯锗单晶制备专用设备，包括固定装置、加热装置、冷却装置、通气装置以及拉晶装置，所述固定装置为位于圆筒形隔热保温罩上下两端的上法兰，下法兰及底座，以及上密封装置及下密封装置，隔热保温罩腔体内由外至内依次设有所述加热装置、石英管、石英保温环以及所述拉晶装置；

所述加热装置包括连接至中高频电源接口的感应线圈，以及固定于感应线圈与石英管之间的石墨加热器；

所述冷却装置包括设于上法兰的上法兰进水口以及上法兰出水口，下法兰及底座内同时通有冷却水；

所述通气装置包括设于隔热保温罩上部的进气口以及出气口；

所述拉晶装置包括穿装于上密封装置内的提拉部分以及固定于下法兰及底座上的热熔部分，所述提拉部分上部为籽晶杆，所述籽晶杆上部穿装于上密封装置内，其下部固定石英棒，石英棒前端固定籽晶夹具，所述籽晶夹具前端头是锗籽晶；所述热熔部分固定于石英保温环内，其通过坩埚杆固定于下法兰及底座上，坩埚杆顶部固定石英坩埚，所述石英坩埚内盛装多晶锭。

进一步的，所述籽晶杆及坩埚杆内均通有冷却水。

进一步的，所述感应线圈下部固定感应线圈托架。

进一步的，所述石墨加热器下部固定石墨加热器托架。

进一步的，所述坩埚杆顶部固定石英坩埚托，石英坩埚托顶部固定石英坩埚。

本发明优势在于：

1、本发明反应物及反应设备均经过严格的物理及化学清洗，清洗液纯度高，且反应过程始终在超净工作台内进行，对反应物、反应环境纯度要求高，为制出高纯度的产品提供了先决条件；

2、本发明反应设备清洁度更高，炉体、坩埚及内部零件都用高纯石英件替代现用的石墨材料，降低了拉制产品过程中混杂杂质的可能性，保障了产品的纯度；

3、本发明将感应线圈及石墨加热器置于拉制容器石英管外，采用高频感应加热方式，避免用电阻石墨直接进行加热产生的杂质污染；

4、本发明提拉部分采用耐高温的如钼籽晶杆，同时通入冷却水以防止籽晶杆在受热条件下反应而将杂质混杂入拉制出的单晶内，籽晶杆杆头固定超洁净的石英棒及石英夹具，从多个环节保障单晶的纯度。