简介概要

Φ300 mm红外锗单晶生长及性能测试

来源期刊：稀有金属2006年第5期

论文作者：闵振东冯德伸尹士平苏小平

关键词：Φ300 mm红外锗单晶; 热场; 工艺参数; 浮渣; 性能测试;

摘要：采用直拉法成功拉制直径300 mm红外锗单晶, 讨论了热场温度梯度、拉晶工艺参数以及浮渣对拉晶的影响, 测量了单晶电阻率、红外透过率和断裂模量, 结果表明单晶满足红外光学系统的使用要求.

稀有金属 2006,(05),692-694 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2006.05.025

Φ300 mm红外锗单晶生长及性能测试

苏小平闵振东尹士平

北京有色金属研究总院北京国晶辉红外光学科技有限公司,北京有色金属研究总院北京国晶辉红外光学科技有限公司,北京有色金属研究总院北京国晶辉红外光学科技有限公司,北京有色金属研究总院北京国晶辉红外光学科技有限公司北京100088,北京100088,北京100088,北京100088

摘要：

采用直拉法成功拉制直径300 mm红外锗单晶, 讨论了热场温度梯度、拉晶工艺参数以及浮渣对拉晶的影响, 测量了单晶电阻率、红外透过率和断裂模量, 结果表明单晶满足红外光学系统的使用要求。

关键词：

Φ300mm红外锗单晶;热场;工艺参数;浮渣;性能测试;

中图分类号： TN304

收稿日期：2005-11-10

Growth and Properties of Φ300 mm Germanium Monocrystal

Abstract：

Φ300 mm germanium single crystal for IR optics was grown by Cz method.The influences of hot zone temperature gradient, process parameters and scum on the crystal growth was discussed.The resistivity, optical transmittance and modulus of rupture were tested.The results indicate that Φ300 mm germanium monocrystal obtained meets the need for IR optics.

Keyword：

Φ300 mm germanium monocrystal;hot zone;process parameter;scum;properties test;

Received： 2005-11-10

锗晶体具有良好的透红外性能、高的折射指数、低色散、不潮解、机械强度高和化学稳定性好等优点, 是8～12μm波段热成像仪光学系统的首选材料 ^[1,2] 。为提高热成像仪的探测距离和分辨率, 准确地判断目标情况, 需要大直径锗晶体作为光学系统的透镜和窗口材料 ^[3] 。用于红外光学系统的锗晶体有单晶和多晶两种, 多晶锗有成本低、工艺简单、可直接做成适当形状等优点。但多晶锗存在晶界, 其光学均匀性和力学性能都不及单晶 ^[4] , 因此, 高精度的红外系统仍然选用单晶锗。大直径锗单晶生长工艺有直拉法、定向结晶法、斯捷潘诺夫法、旋转晶片法等 ^[5] 。斯米尔诺夫在1979年报道采用直拉法生长直径300 mm锗单晶 ^[6] , 我院在1998年报道研制成功直径达260 mm红外锗单晶 ^[7] , 在此基础上开展进一步研究工作。采用直拉法, 使用国产TDR80单晶炉, 自行设计热场系统, 于2002年底成功拉制出直径300 mm的红外锗单晶。在此后的两年时间里, 进行了一系列工艺实验, 研究了热场温度梯度、拉晶工艺参数等因素对成晶情况和单晶红外性能的影响。

1 实验

1.1 锗单晶生长工艺

实验在国产TDR80单晶炉内进行, 采用直径600 mm的桶型石墨加热器和直径550 mm的石墨坩埚, 以区熔锗为原料, 掺入Ge-Sb合金控制单晶型号和电阻率, 采用〈111〉晶向籽晶, 采取清除熔体浮渣、精确控制生长工艺参数等措施, 拉制成功直径300 mm, 等径长度80mm, 重量达75 kg的锗单晶 (图1所示) 。

1.2 单晶性能测试

采用直流四探针法测量单晶头部和尾部晶片电阻率;采用美国PE公司的SpectrumGx2000型光谱仪测量单晶红外透过率;采用四点弯曲法测量单晶的断裂模量。

2 结果分析

2.1 单晶生长技术

拉制Υ300 mm锗单晶的有3个关键因素:一是设计合适温度梯度的热场系统, 二是合适的拉晶工艺参数, 三是完全清除熔体浮渣。

热场的设计:设计的热场系统如图2所示。

采用美国Raytek公司生产MAISASF型红外测温仪测量熔体表面径向温度分布, 采用K热偶测量在液面上方轴向温度分布, 结果如图3 (a) , (b) 所示。测量结果表明, 锗熔体表面径向温度梯度1～3℃·cm^-1, 在中心部位梯度较小, 靠近坩埚边缘部分梯度略大些, 而轴向温度梯度小于5℃·cm^-1。

图1 直径300 mm锗单晶

Fig.1Ф300 mm Ge monocrystal

图2 热场系统示意图

Fig.2 Schematic diagram of hot zone system

(1) 石墨盖; (2) 坩埚; (3) 加热器; (4) 石墨屏; (5) 碳毡

单晶生长工艺参数设计:固液界面形状是影响单晶质量的关键因素, 平坦的固液界面有利于提高单晶完整性和径向电阻率均匀性, 从而提高单晶质量。对于大直径锗单晶, 影响固液界面形状的主要因素是拉晶速度 ^[7] 。另外, 晶转速度对液面稳定性影响较大, 这是由于流体力学的雷诺数Re与晶体转速ω和晶体直径d二次方成正比, 当晶体直径较大时, 晶转速度不能太大, 否则雷诺数Re超过某个临界值就会导致熔体的流动变成无规则的湍流, 熔体液面出现波动。在我们的拉晶系统中, 拉晶速度为0.22～0.3 mm·min^-1, 晶转速度6～10 r·min^-1, 埚转速度1～3 r·min^-1, 保证固液界面平坦性。

熔体浮渣的清除:拉制直径300 mm锗单晶需要投入锗原料120 kg以上, 由于在装料过程中锗和石墨坩埚接触, 不可避免产生少量碳粉;另外, 真空系统中也存在少量空气和水汽, 锗料熔化后, 产生氧化物和碳粉浮渣, 漂浮在熔体上面。拉晶过程中, 如果不清除这些浮渣, 则在放肩过程中很容易以这些浮渣为结晶中心产生新的晶核, 导致晶变。在浮渣较少情况下, 可以采用籽晶粘附方法清除浮渣, 当浮渣较多时, 这种方法就不合适了。我们设计了专用的浮渣清除机构, 在特定的工艺条件下 (保证浮渣集中在熔体中心) 清除浮渣, 然后在没有浮渣的条件下按设定的工艺条件进行拉晶, 大大提高了拉晶成功率。

2.2 单晶主要性能指标测量

单晶电阻率测量:红外锗单晶要求电阻率在5～40Ψ·cm^-1范围内, 实验中装入的区熔锗重量在120 kg以上, 以含2%Sb的Ge-Sb合金为掺杂剂, 在拉晶速度为0.22～0.3 mm·min^-1, 晶转速度6～10 r·min^-1, 埚转速度1～3 r·min^-1的工艺条件下拉晶。采用直流四探针法测量单晶电阻率, 测量在沿断面互相垂直的直径上进行, 每一直径上测量5个点, 第三点和第八点在中心位置。表1列出多根直径300mm单晶的头尾断面电阻率分布数据。从测量结果可以得知, 我们拉制的300 mm锗单晶电阻率均匀性较好。

红外透过率测量:锗单晶红外透过率是反映单晶性能指标的一个重要参数, 在单晶中心和边缘部位分别取样, 样品厚度为10.0 mm, 然后进行双面抛光。采用美国PE公司的SpectrumGx2000型光谱仪测量透过率, 图4 (a) , (b) 分别为单晶中心和边缘部分的透过率曲线。在3.0和10.6μm处的透过率均大于46%, 接近理论透过率, 表明单晶完整性好。

断裂模量测量:断裂模量反映了单晶的机械强度, 用于红外系统的锗单晶要经过切割、平面 (球面) 粗磨、精磨、抛光等机械加工过程, 因此, 对大直径锗单晶的机械强度提出较高要求。锗单晶断裂模量采用四点弯曲法测量 ^[8] , 表2是经过退火处理后的锗单晶断裂模量, 达到红外光学用锗单晶规范的要求。

图3 锗熔体表面径向 (a) 及轴向 (b) 温度分布

Fig.3 Distributing of radial temperature on Ge melt surface and axes temperature above Ge melt

图4 锗单晶中心 (a) 及边缘 (b) 部位红外透射光谱

Fig.4 Infrared transmittance diagrams of center (a) and edge (b) parts

表1 直径300 mm单晶断面电阻率分布下载原图

Table 1 Distributing of radial resistivity ofФ300 mm Ge monocrystal

表1 直径300 mm单晶断面电阻率分布

表2 直径300 mm锗单晶断裂模量测量结果下载原图

Table 2 Measurement values of modulus of rupture forФ300 mm Ge monocrystal

表2 直径300 mm锗单晶断裂模量测量结果

3 结论

采用直拉法, 使用国产TDR80单晶炉, 生长成功直径300 mm红外锗单晶。单晶电阻率控制在10～40Ψ·cm^-1范围, 而且均匀性较好, 锗单晶在3.0和10.6μm处的透过率均大于46%, 单晶断裂模量达83 MPa。性能指标测量结果表明, 我院研制成功的Υ300 mm锗单晶完全满足红外光学系统的使用要求。