[发明专利]一种锗熔体浮渣清除方法

说明书

技术领域

本发明涉及浮渣清除技术领域，尤其是一种锗熔体浮渣清除方法。

背景技术

随着红外热成像远距离侦测技术的发展需求，为使热成像仪接收到尽可能多的红外辐射，以提高其空间分辨率和工作距离，红外系统孔径数值不断增大，需要使用更大口径透镜和窗口，这就意味着需要制备大直径的红外锗单晶光学材料。而浮渣是制约单晶长大的重要因素之一，采取适宜的方法提除浮渣势在必行。

由于直拉法具有培育单晶完好、成晶率高、位错密度适中等优点而作为锗单晶生长提拉的主要方法。直拉法是运用熔体的冷凝结晶驱动原理，在熔体长成晶体的过程，藉由熔体温度下降，将产生由液态转换成固态的连续相变。Aniukin等研究发现，在生长前期，杂质可能沉积在籽晶表面，从而改变晶体生长机理。这些类似金属的小液滴形成生长台阶，对晶体质量有很大影响,晶体的缺陷和空洞明显增多，如果气相组分的过饱和度较小，在被污染的籽晶表面，晶体生长可能被抑制甚至停止。由于单晶生长过程中，杂质的存在不可避免，故采取一种简单有效的方法除去浮渣，保证单晶持续长大至关重要。

目前，关于浮渣清除的相关设备，无论是在引晶过程中通过引细颈的方式粘走部分浮渣，或是采用慢放肩的方式将浮渣粘在单晶头上都不能完全清除浮渣。国晶辉在2008年发明了一种通过改造单晶炉来清除炉渣的方法，虽然能很好的清除浮渣，但是对设备改造要求较高，成本花费较大。

发明内容

针对目前在引晶过程中不能完全清除浮渣的问题，本发明提供一种锗熔体浮渣清除方法。

一种锗熔体浮渣清除方法，高温熔化原料后，采用提拉法去除浮渣，其特征在于在除浮渣时先对炉内进行抽真空，瞬间改变炉内压力，使熔体液面在压力差的作用下发生对流，浮渣在热对流的影响下漂移至炉体中央，之后将锗单晶作为浮渣提出的工具，在副室冷却的锗单晶降至熔体液面，利用杂质与Ge熔体的结晶温度不同，使浮渣粘附在锗单晶表面，锗单晶完全没入熔体后就提起来，提至副室冷却一到两分钟再没入熔体中，反复重复直至除净炉内浮渣。

作为改进，原来熔化炉上设置进惰性气体管，改进后的单晶炉采用惰性气体作为保护气。

本发明中涉及的锗单晶，其生长条件从热力学观点看，等压条件下，温度T时固-液两相自由能可以表示为：ΔG=ΔH-TΔS。另外在平衡的熔化温度T_m（液相熔体结晶点）时，固-液两相的自由能是相等的，即ΔG=0，因此ΔG=ΔH-TΔS=0，ΔS=ΔH/T。其中ΔH即是所谓的结晶潜热可得到ΔG=ΔHΔT/T=ΔSΔT，其中ΔT=T_m-T，亦即所谓的过冷度，由于凝固时ΔS是个负值常数，所以ΔT可被视为唯一的驱动力。只有结晶驱动力的存在，熔体才能持续结晶，单晶才能持续长大，当驱动力为零时，结晶停止。

在锗单晶生长中，拉制大直径的Ge单晶需要投入一百多公斤料，单晶炉坩埚由石墨制成，在装料过程中，原料与坩埚的接触，不可避免的产生少量碳粉，成为杂质来源。改进后的单晶炉气氛采用更为经济实用的惰性气体作为保护气，在冲入排除空气的过程中，仍有微量O₂残留。虽然常温下锗不与空气或水蒸汽作用，但在600～700℃时，尽管炉体内氧分压较小，但纯锗在高温条件下极易氧化成GeO₂，化学反应方程式如下：Ge+O₂=GeO₂，GeO₂的熔点为1080~1120℃，而恒温恒压下，单晶炉炉体温度控制在Ge的熔点（937.4℃）附近，在这一温度，GeO₂并未熔化，以固态浮渣的形式存在。