СПОСОБ ОЧИСТКИ МЕТАЛЛОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВ В УСТАНОВКЕ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ КОНТЕЙНЕРА.

Изобретение относится к металлургии и техно-логии получения чистых металлов и полупро-водников.
Получение веществ особой чистоты явля-ется актуальной задачей для разных отраслей науки и техники, в частности для полупровод-никовой техники.
С этой целью, предусматривается направ-ленная кристаллизация слитков в контейнерах из кварцевого стекла, покрытых пироуглеро-дом. Начальная часть контейнера выполнена в виде конуса с углом в вершине. Получаемые слитки, за исключением конусообразной части, имели вид прямого кругового цилиндра. Направленная кристаллизация слитков осуществлялась в условиях самопроизвольного зарождения, т. е. специальная затравка не вводилась.

Изобретение относится к способам получения полупроводниковых кристаллов из расплавов для создания структурно-совершенных моно-кристаллов, и может быть использовано в области металловедения а также металлургии цветных и высокочистых веществ.
Известен контейнер для выращивания кристаллов, преимущественно арсенида галлия, представляющий собой открытую лодочку из пиролитического нитрида бора, один из концов которого, предназначенный для размещения за-травки, выполненным зауженным, а сама лодочка в поперечном сечении имеет форму половины окружности [1].
Но недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает перемешивания рас-плава в процессе роста кристаллов, что в свою очередь приводит к неравномерному распределению основных компонентов вещества кристалла и примесей по объему полученного кристалла.
Также известно изобретение: «контейнер для выращивания монокристаллов методом зонной плавки», представляющий собой цилиндрический герметичный сосуд, в котором размещают за-травку, поликристаллический слиток переменно-го сечения и взаимодействующий со слитком подпружиненный поршень, который под действием пружины перемещается по мере расплавления слитка [2].
Однако недостатком известного изобретения является то, что оно также не обеспечивает эффективного перемешивания расплава, что, соответственно, приводит к объемной неоднородности состава по основным компонентам и неравномерному распределению примеси по объему выращенного кристалла.
Прототипом к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому результату является известный контейнер, используемый для очистки расплава или жидкости от частиц в условиях невесомости [3].
Данный контейнер представляет собой цилиндрический сосуд, внутри которого размещен с возможностью перемещения поршень: Очищающий раствор содержит воду, перекись водорода, щелочное соединение и 2,2 – бис - (гидроксиэтил) - (иминотрис) -(гидроксиметил/метан) в качестве хелатирующей добавки. Предпочтительно щелочное соединение выбрано из групп, состоящей из органического основания, аммиака, гидроксида аммония, гидроксида тетраметиламмония, более пердпочтительно из группы, состоящей из аммиака и гидроксида аммония. Хелатирующая добавка содержится в количестве 1000-3000 ррт (1-3 г/л). Способ включает обработку полупроводниковых субстратов очищающим раствором и высушивание указанного полупроводникового субстрата после промывки водой.
Однако главным недостатком известного способа является: использование экологически опасных органических веществ, сложный состав травильных растворов, высокие материальные затраты, а также ограниченность сферы приме-нения, не позволяющая использовать контейнер для выращивания кристаллов из расплава и обеспечивать эффективное перемешивание в объеме расплава для получения равномерного распределения компонентов примесей по объему.
Поэтому заявляемое изобретение направлено на повышение равномерности распределения основных компонент сложных соединений и примесей по объему кристаллов, выращиваемых различными методами из расплава.
Большой интерес для практики очистки металлов представляет осуществление направлен-ной кристаллизации непосредственно в трубке, Фиг.1, которая и служит контейнером. Такой процесс обладает рядом особенностей, при вращении под разными углами наклона продольной оси контейнера к горизонту.
Из приведенного определения чистого вещества следует, что измерение свойств можно использовать для оценки чистоты. Предел обнаружения примесей будет зависеть от выбора свойств.
Для металлов весьма чувствительным к со-держанию примесей является остаточное сопротивление, которое принято характеризовать от-ношением удельного сопротивления металла при комнатной температуре (R293) к удельному сопротивлению этого металла при температурах, близ-ких к абсолютному нулю (RТ):
Таким образом, чем чище металл, тем больше величина γТ. В настоящее время измерение RТ проводилась при Т=77К, (в жидком азоте). Ниже в табл. 1 приведены значения γТ для некоторых металлов и полупроводников.
При измерении остаточного сопротивления желательно иметь слиток металла в виде моно-кристалла. Однако в процессе получения послед-него может произойти очистка (а может быть, и загрязнение) от некоторых примесей, и, следовательно, измеряемое значение остаточного сопротивления не будет отвечать истинному значению.
С этой целью, направленная кристаллизация слитков проведены в контейнерах из кварцевого стекла, покрытых пироуглеродом, с внутренним диаметром 15 мм. Начальная часть контейнера выполнена в виде конуса с углом в вершине -300, длина конусообразной части -20 мм. Получаемые слитки, за исключением конусообразной части, имели вид прямого кругового цилиндра длиной 12-15 см. Угол наклона продольной оси контейнера к горизонту установлены 150, скорость вращения контейнера 100 об/мин. Направленная кристаллизация слитков осуществлены в условиях самопроизвольного зарождения, т. е. специальная затравка не введены.
На внешней поверхности данных слитков, как и других металлов, полученных направлен-ной кристаллизацией, имеются границы между монокристаллическими блоками, которые про-являются после обработки поверхности слитка соответствующими травителями. Для слитков были использовани «царская водка», травление которой в течение 30-60 мин, отчетливо выявляло границы между блоками. Обозначим через S число блоков на поверхности слитка, полученного кристаллизацией.
Изложенное показывает, что направленной кристаллизацией при малых скоростях можно повысить величину γТ от 14000 до 40000. По-видимому, это происходит за счёт очистки от неизоморфных примесей и за счёт радиального распределения. Как указывается выше, получение монокристалла является гарантией чистоты от механических и неизоморфных примесей. Та-кая гарантия может быт, обеспечена получением монокристалла при достаточно малой скорости.
Эффект монокристаллизации на слитков проявляется при любых условиях: разные углы наклона продольной оси контейнера к горизонту, наличие или отсутствие вращения. В связи с последним обстоятельством возникает естествен-ный вопрос: необходимо ли для повышения оста-точного сопротивления металлов вращение контейнера? Данные Фиг. 2 и табл. 1 показывают, что применение вращения действительно увеличивает значение γТ образцов слитка.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является то, что применение метода направленной кристаллизации во вращающемся контейнере для получения чистого металла и полупроводника очень эффективно и приводит к увеличению выхода монокристаллической части в слитках. Также при такой кристаллизации степень дегазации металлов и сплавов велика, что положительно сказывается на механических характеристиках слитков в связи с длительным временем пребывания их в твёрдожидком состоянии и, следовательно, получение более плотной структуры слитка, отсутствию пористости. Та-ким образом достигается задача улучшения механических характеристик слитков.
Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы: этим методом можно полностью и глубоко очистить слиток от заряженных примесей, а так-же данный способ позволяет сократить расход используемых материалов и веществ, снизить температуру процесса очистки, снизить энерго-ёмкость процесса, сократить число стадий очистки и тем самым повысить экологическую без-опасность очистки и сократить время обработки металлов.
Таблица 1
Отношение удельных сопротивлений некоторых металлов и полупроводников после направленной кристаллизации

Металл γТ = R293 / RТ
Алюминий 27000
Магний 14000
Висмут 700
Кадмий 31200
Теллур 640
Цинк 39000
Сурьма 450
Индий 270
Медь 1650
Олово 90000

1. Контейнер для выращивания кристаллов арсенида галлия. Патент. США №5032366, Кл. Н 05 В 3.12.1991 год.
2.Контейнер для выращивания монокристаллов методом зонной плавки. Патент. США №5205997, Кл. С 30 В 30.01.1993 год.
3.Контейнер для выращивания кристаллов Патент РФ №2091515 МПК C30B13/14, C30B30/08 Мильвидский М.Г.; Верезуб Н.А.; Копелиович Э.С.; Простомолотов А.И.; Раков В.В.