多晶锗的制备装置及制备方法与流程

本发明涉及半导体材料制备领域，具体涉及一种多晶锗的制备装置及制备方法。

背景技术：

锗是一种重要的半导体材料，广泛应用于太阳能、红外光学、光纤、探测等领域。近些年，在太阳能、红外光学、光纤等领域的强劲需求刺激下，锗的需求不断增加。其中，红外光学用锗约占锗产量的20-30%左右，且增长良好。

目前红外光学用多晶锗的重要原料是区熔锗。目前，区熔锗的制备方法首先是利用氢气还原炉将二氧化锗还原成锗，再将还原锗置于中频感应区熔炉内，经多次区熔后得到区熔锗。还原过程和区熔过程在不同的设备进行，中转过程中会引入杂质，且中转时间长，设备和时间成本较高。

所以，有必要设计一种新的多晶锗的制备装置及制备方法以解决上述技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出还原过程和区熔过程在同一设备中进行的一种多晶锗的制备装置及制备方法。

为实现前述目的，本发明采用如下技术方案：一种多晶锗的制备装置,该装置包括一石英管、放置于石英管内的一石墨坩埚以及围绕于石英管侧壁的至少一个加热器。

作为本发明的进一步改进，所述加热器包括4-10个独立控制的发热体。

同时提出一种多晶锗的制备方法，采用上述的多晶锗的制备装置，其包括如下步骤：s1、将氧化锗原料放进石墨坩埚中，并将石墨坩埚置于石英管中，向石英管中通入氮气置换石英管中的空气，之后使所有发热体升温到600℃，向石英管内通入氢气；保温t1时间之后，停止通入氢气，改为向石英管内通入氮气，并使所有发热体升温到938℃；之后发热体按头尾依次以v1降温速率降温，每一发热体达到目标温度900℃之后进入保温；相邻发热体开始降温的时间间隔为t2；直至最后一个发热体完成降温，到达900℃，则完成定向凝固过程；s2、之后发热体按头尾顺序依次完成一次升温、保温和降温的加热过程，升温目标温度为938℃，降温目标温度为900℃，其中保温时间为t3，降温速率为v2，相邻发热体开始加热的时间间隔为t4，直至最后一个发热体完成降温，则完成一次区熔过程；s3、重复s2直至完成n次区熔过程；之后，待所有发热体均已降到900℃后，所有发热体以相同降温速率开始降温。

本发明多晶锗的制备装置及制备方法，还原过程和区熔过程可以在同一个设备石英管中完成，直接将二氧化锗原料制备为较高纯度的多晶锗，省去了原料转移的过程，工艺简单，流程较短，推广该方法，能产生显著的经济效益。

附图说明

图1为本发明多晶锗的制备装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提出一种多晶锗的制备装置，该装置包括一石英管110、放置于石英管110内的一石墨坩埚120以及围绕于石英管110侧壁的至少一个加热器130。

所述加热器130包括4-10个独立控制的发热体131。

本发明同时提出一种多晶锗的制备方法，采用上述的多晶锗的制备装置，其包括如下步骤：

s1、将氧化锗原料放进石墨坩埚中，并将石墨坩埚置于石英管中，向石英管中通入氮气置换石英管中的空气，之后使所有发热体升温到600℃，向石英管内通入氢气；保温t1时间之后，停止通入氢气，改为向石英管内通入氮气，并使所有发热体升温到938℃；之后发热体按头尾依次以v1降温速率降温，每一发热体达到目标温度900℃之后进入保温；相邻发热体开始降温的时间间隔为t2；直至最后一个发热体完成降温，到达900℃，则完成定向凝固过程；

s2、之后发热体按头尾顺序依次完成一次升温、保温和降温的加热过程，升温目标温度为938℃，降温目标温度为900℃，其中保温时间为t3，降温速率为v2，相邻发热体开始加热的时间间隔为t4，直至最后一个发热体完成降温，则完成一次区熔过程；

s3、重复s2直至完成n次区熔过程；之后，待所有发热体均已降到900℃后，所有发热体以相同降温速率开始降温。

在本发明的某些实施例中，所述t1时间为1-10h。优选地，所述t1时间为3-7h；更优选地，所述t1时间为4-5h。

在本发明的某些实施例中，所述v1为5-20℃/h。优选地，所述v1为8-18℃/h；更优选地，所述v1为10-15℃/h。

在本发明的某些实施例中，所述t2时间为0.2-1h。优选地，所述t2时间为0.4-0.8h；更优选地，所述t2时间为0.5-0.7h。

在本发明的某些实施例中，所述t3时间为0.5-5h。优选地，所述t3时间为1-4h；更优选地，所述t3时间为2-3h。

在本发明的某些实施例中，所述v2为1-10℃/h。优选地，所述v2为3-7h；更优选地，所述v2时间为4-5h。

在本发明的某些实施例中，所述t4时间为0.2-1h。优选地，所述t4时间为0.4-0.8h；更优选地，所述t4时间为0.5-0.7h。

在本发明的某些实施例中，所述n为3-10。优选地，所述n为4-8；更优选地，所述n为5-6。

实施例1。

多晶锗的制备装置包括一石英管、放置于石英管内的一石墨坩埚以及围绕于石英管侧壁的一加热器。所述加热器包括8个独立控制的发热体，8个发热体均分为两组，每一组发热体形成平行于石英管轴线延伸的一排，两组发热体相对设置。

将5kg纯度为5n的氧化锗原料放进石墨坩埚中，并将石墨坩埚置于直径为100mm的石英管中，安装好管帽并密封。向石英管内通入氮气1h，置换石英管中的空气，之后使加热器升温到600℃，通入氢气。保温1h时间之后停止通入氢气，改为通入氮气，并使所有发热体升温到938℃。之后发热体按头尾依次以20℃/h降温速率降温，在发热体达到目标温度900℃之后进入保温。相邻发热体开始降温的时间间隔为0.2h，直至最后一个发热体完成降温，到达900℃，则完成定向凝固过程。之后发热体按头尾顺序依次完成一次升温、保温和降温的加热过程，保温时间为5h，降温速率为1℃/h，相邻发热体开始加热的时间间隔为1h，直至最后一个发热体完成降温，则完成一次区熔过程。重复区熔过程，升温目标温度为938℃，降温目标温度为900℃时，发热体达到900℃后即开始下一次升温、保温和降温的过程，直至完成3次区熔之后，发热体达到900℃后保持恒定。待所有发热体均已降到900℃后，所有发热体以相同降温速率开始降温。降到室温后，取出石墨坩埚和多晶锗。多晶锗经去头尾后分析，产品纯度为5n，无气孔、裂纹等缺陷。

实施例2。

多晶锗的制备装置包括一石英管、放置于石英管内的一石墨坩埚以及围绕于石英管侧壁的一加热器。所述加热器包括4个独立控制的发热体，4个发热体均分为两组，每一组发热体形成平行于石英管轴线延伸的一排，两组发热体相对设置。

将10kg氧化锗原料放进石墨坩埚中，并将石墨坩埚置于直径为150mm的石英管中。向石英管内通入氮气，置换石英管中的空气，之后使发热体升温到600℃，通入氢气。保温10h时间之后，停止通入氢气，改为通入氮气，并使所有发热体升温到938℃。之后发热体按头尾依次以5℃/h降温速率降温，在发热体达到目标温度900℃之后进入保温。相邻发热体开始降温的时间间隔为1h，直至最后一个发热体完成降温，到达900℃，则完成定向凝固过程。之后发热体按头尾顺序依次完成一次升温、保温和降温的加热过程，保温时间为0.5h，降温速率为10℃/h，相邻发热体开始加热的时间间隔为0.2h，直至最后一个发热体完成降温，则完成一次区熔过程。重复区熔过程，升温目标温度为938℃，降温目标温度为900℃时，发热体达到900℃后即开始下一次升温、保温和降温的过程，直至完成10次区熔之后，发热体达到900℃后保持恒定，待所有发热体均已降到900℃后，所有发热体以相同降温速率开始降温。降到室温后，取出石墨坩埚和多晶锗。多晶锗经去头尾后分析，产品纯度为5n，无气孔、裂纹等缺陷。

实施例3。

多晶锗的制备装置包括一石英管、放置于石英管内的一石墨坩埚以及围绕于石英管侧壁的一加热器。所述加热器包括10个独立控制的发热体，10个发热体均分为两组，每一组发热体形成平行于石英管轴线延伸的一排，两组发热体相对设置。

将10kg氧化锗原料放进石墨坩埚中，并将石墨坩埚置于直径为200mm的石英管中。通入氮气，置换石英管中的空气，之后使发热体升温到600℃，通入氢气。保温5h时间之后，停止通入氢气，改为通入氮气，并使所有发热体升温到938℃。之后发热体按头尾依次以10℃/h降温速率降温，在发热体达到目标温度900℃之后进入保温。相邻发热体开始降温的时间间隔为0.5h，直至最后一个发热体完成降温，到达900℃，则完成定向凝固过程。之后发热体按头尾顺序依次完成一次升温、保温和降温的加热过程，保温时间为2h，降温速率为5℃/h，相邻发热体开始加热的时间间隔为0.5h，直至最后一个发热体完成降温，则完成一次区熔过程。重复区熔过程，升温目标温度为938℃，降温目标温度为900℃时，发热体达到900℃后即开始下一次升温、保温和降温的过程，直至完成6次区熔之后，发热体达到900℃后保持恒定，待所有发热体均已降到900℃后，所有发热体以相同降温速率开始降温。降到室温后，取出石墨坩埚和多晶锗。多晶锗经去头尾后分析，产品纯度为5n，无气孔、裂纹等缺陷。

本发明多晶锗的制备装置及制备方法，还原过程和区熔过程可以在同一个设备石英管中完成，直接将二氧化锗原料制备为较高纯度的多晶锗，省去了原料转移的过程，工艺简单，流程较短，推广该方法，能产生显著的经济效益。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。