СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОМПОНЕНТ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2000 года по МПК C01B9/02 

Изобретение относится к области технологий изготовления материалов, предназначенных для получения стекол, оптических волокон и полупроводников. В качестве таких материалов выступают германий и кремний, которые являются их основой.

Известны стекла, в которых в качестве вещества, образующего стекло, выступает окись кремния. Такое стекло является наиболее распространенным и именуется силикатным оксидным стеклом. В качестве основы стекла может выступать германий и некоторые другие химические элементы. Развитие телекоммуникаций с использованием волоконно-оптических систем передачи поставило задачу всемерного повышения качественных характеристик стекла и, в первую очередь, снижения потерь при пропускании светового сигнала по стеклянному волокну. Характеристики оптического волокна задаются качеством компонент, используемых при его изготовлении. Для производства волокна в качестве компонентов используют хлориды, которые переводят в окись, образующую стекло. При этом используют тетрахлориды как кремния, так и германия с наибольшей химической чистотой, что обеспечивает наименьшие загрязнения кварцевого или германиевого стекла оптически-активными ионами, атомами и комплексами (Cheo P.К. "Fiber optics. Devices and systems", Prentice-Hall, 1985). Стекло, обладающее наибольшей химической однородностью, имеет и лучшие оптические характеристики.

Известны полупроводниковые материалы - германий и кремний, являющиеся основой для производства различных классов полупроводниковых приборов (в том числе детекторов излучения, интегральных схем, фотоприемников и др.). Качественные характеристики приборов определяются чистотой германия и кремния, однородностью структуры их кристаллической решетки. Технология элементарных полупроводниковых материалов является хорошо отработанной (см., например, "Металлургия и технология полупроводниковых материалов", ред. Б.А. Сахаров, М., "Металлургия", 1972). В технологиях используются хлориды, где в качестве структурообразующего элемента выступают кремний - в тетрахлориде кремния (SiCl₄) и германий - в тетрахлориде германия (GeCl₄). Эти хлориды извлекают из исходных смесей, содержащих хлороводороды и хлориды других элементов, в ходе дистилляции, достигая глубокой химической очистки. Указанный способ выбран в качестве прототипа, поскольку названные операции используются также и при приготовлении хлорсодержащих веществ для получения материалов с высокими оптическими характеристиками.

Недостатком данного способа получения оптических и полупроводниковых материалов только за счет уменьшения числа и количества химических примесей, остающихся в составе компонент, является ограниченность такого пути. Конечно, чем меньше химических примесей остается в приготовляемых компонентах, тем выше однородность структуры получаемых из них оптических и полупроводниковых материалов. Однако этот путь ограничен по достижению наибольшей однородности материалов природным составом самих химических элементов.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение атомарной однородности компонент для получения оптических и полупроводниковых материалов.

Для решения поставленной задачи в способе приготовления компонент для получения оптических и полупроводниковых материалов, состоящем в извлечении из исходной смеси хлорсодержащего вещества, включающего структурообразующий элемент, извлечение хлорсодержащего вещества проводят путем изотопного обогащения его структурообразующего элемента газовым центрифугированием.

В качестве хлорсодержащего вещества извлекают тетрахлорид германия, подвергаемый обогащению по изотопу германия.

В качестве хлорсодержащего вещества извлекают тетрахлорид кремния, подвергаемый обогащению по изотопу кремния.

Изотопное обогащение структурообразующего элемента проводят при температуре 5 - 45^oC.

Как известно, изотопами называются разновидности атомов одного и того же химического элемента, имеющие различную массу (при неизменном заряде ядра). Изотопы подразделяются на стабильные и радиоактивные. Только стабильные изотопы и рассматриваются в настоящем техническом решении. Часть химических элементов (таких в природе 22 элемента) состоит только из одного стабильного изотопа, в их числе - алюминий, натрий, фосфор, фтор. Остальные элементы содержат от 2-х до 10-и стабильных изотопов (И.П.Селинов "Изотопы", Справочник, Наука, М., 1970). Изотопия элемента характеризуется массой имеющихся изотопов и их содержанием в природной смеси. Табл. 1 и 2 в качестве примера показывают природную изотопию кремния и германия.

Видно, что для кремния и германия количество стабильных изотопов различно (3 и 5), ширина изотопного интервала не совпадает (2 и 6 атомных единицы массы), содержание изотопов также собственные. В природе нет элементов с одинаковыми изотопными характеристиками.

В повседневной практике отличия в свойствах различных изотопов одного и того же элемента незаметны, и все они интегрально определяют свойства самого химического элемента. Тем не менее, установлены и изучены многие изотопные эффекты, влияющие на скорость химических реакций, коэффициенты переноса, и др. Именно эти малые отличия позволяют использовать их в технологиях разделения изотопов (М. Шемля, Ж. Перье "Разделение изотопов", М., Атомиздат, 1980).

Исследованы оптические изотопные эффекты, состоящие в тонкой структуре спектров изотопосодержащих элементов. Эти отличия послужили основой для лазерного метода разделения изотопов (Летохов B.C., Мур С.Б. "Лазерное разделение изотопов". Квантовая электроника, т.3, N2, 1976, стр.248).

Таким образом, оптическая среда, содержащая различные изотопы одного и того же элемента, не может рассматриваться как однородная. Изотопы, имея собственные спектры поглощения, возбуждения и др., уширяют полосу спектра поглощения элемента, приводят к дополнительной дисперсии, нелинейностям при передаче оптического сигнала. Указанные факторы особенно нежелательны в оптических волокнах.

Нахождение в оптическом стекле химического элемента в изотопно-обогащенной форме: с меньшим числом изотопов, подавляющим содержанием одного изотопа, повышает атомарную однородность стекла, и вышеназванные негативные факторы минимизируются. Наивысшая атомарная однородность достигается при предельном обогащении, когда один из изотопов элемента берется в моноизотопном виде, что снижает оптическое поглощение.

Атомарно-изотопная однородность компонент для полупроводниковых материалов является лишь промежуточным результатом, который представляет практическую ценность благодаря своим техническим следствиям в полупроводниках.

В последние годы при исследовании кристаллов установлено, что при изготовлении кристаллов из изотопно-обогащенных материалов, в них проявляются новые свойства, в частности изменяются теплофизические характеристики. У изотопически чистых кристаллов резко возрастает коэффициент теплопроводности (Anthony T.R. et al.,"Thermal diffusivity of isotopically enriched ¹²C diamond", Phys. Rev. B, V42, N2, 5 July 1990-1). Этот эффект выявлен у германия и кремния, что имеет значительную ценность для техники изготовления современных интегральных схем. Рост теплопроводности в моноизотопном углероде по сравнению с природным составляет 50% при комнатной температуре и порядка 20% для германия. При низких температурах рост может составлять 1000%. Использование кремния и германия в изотопном виде улучшает теплоотвод, повышая тем самым быстродействие и надежность процессоров для компьютеров.

Известно влияние изотопной чистоты на параметры кристаллической решетки полупроводников. Повышение изотопической однородности приводит к уменьшению локальных искажений решетки. Последние невелики, но влияют на качество пленок, напыляемых на поверхность кремния, и, в конечном итоге, - на выход годных изделий в процессе изготовления. Полупроводниковые датчики для регистрации ионизующих излучений и редких распадов ядер из изотопно-обогащенных германия или кремния обладают повышенной чувствительностью и более устойчивы к внешним физическим полям.

Таким образом, новая форма полупроводниковых и оптических материалов - изотопная, обладающая более высоким уровнем однородности, позволяет достичь новых технических результатов, недостижимых известными техническими решениями.

Именно на достижение вышеназванных конечных технических результатов и направлено настоящее техническое решение. В существующую хлоридную технологию приготовления компонент вводится процесс, при котором извлечение хлорсодержащего вещества проводится путем изотопного обогащения его структурообразующего элемента газовым центрифугированием. Благодаря использованию при центрифугировании широко применимых хлоридов достигается наибольшая технико-экономическая эффективность достижения конечных результатов. При этом вводимый процесс не заменяет применяемые операции, а дополняет их, обеспечивая новое качество.

Газовое центрифугирование получило свое развитие для разделения изотопов урана ("Обогащение урана", под ред. Виллани, Энергоатомиздат, М., 1983). Летучее соединение элемента подается во вращающийся ротор и более тяжелые молекулы, включающие более тяжелые изотопы, концентрируются на периферии, благодаря чему достигается разделительный эффект (М. Шемля, Ж. Перье "Разделение изотопов", М., Атомиздат, 1980).

Для достижения эффекта разделения в газовой фазе используются специальные высокоскоростные центрифуги, чьи скорости вращения многократно превосходят другие аналоги.

Вещества, используемые при газовом центрифугировании, должны иметь достаточную упругость паров, благодаря чему они могут быть подвергнуты изотопному обогащению по изотопам структурообразующего элемента посредством газовых центрифуг.

Изотопное обогащение структурообразующего элемента проводят при температурах, когда обеспечивается достаточная летучесть хлорсодержащего вещества - при температуре 5-45^oC. Например, тетрахлорид германия при температуре 20^oC имеет давление паров 69 мм рт.ст.

Примеры реализации способа.

Пример 1.

Для приготовления германия исходную смесь, содержащую тетрахлорид германия (GeCl₄), полученную известными в технологиях элементарного германия методами, подают на установку с газовыми центрифугами, где осуществляют центрифугирование структурообразующего элемента - германия, например по изотопу германий-70, и извлекают тем самым тетрахлорид германия, обогащенный по изотопу германий-70. Степень обогащения по изотопу германия может быть различной, и определяется требованиями к материалу и экономическими показателями.

Может извлекаться тетрахлорид германия с содержанием германия-70 около 80%, а германия-72 будет в нем около 20%. В таком материале изотопов германия только два, при основном содержании изотопа германий-70. Может извлекаться тетрахлорид германия и с содержанием германия-70, близким к предельному - 99,9%. Такой материал имеет наивысшую атомарную однородность, поскольку все другие изотопы, имеющиеся у германия, практически отсутствуют.

Вышесказанное относимо и к изотопу германий-76, и к другим изотопам германия.

Пример 2.

Для приготовления кремния исходную смесь, содержащую тетрахлорид кремния (SiCl₄), полученную известными в технологиях элементарного кремния методами, подают на установку с газовыми центрифугами, где осуществляют центрифугирование структурообразующего элемента - кремния, например по изотопу кремний-28, и извлекают тем самым тетрахлорид кремния, обогащенный по изотопу кремний-28. Степень обогащения по изотопу кремния может быть различной, и определяется требованиями к материалу и экономическими показателями.

Может извлекаться тетрахлорид кремния с содержанием кремния около 98%, а кремния-29 будет в тетрахлориде около 2%. В таком материале изотопов кремния только два, при основном содержании изотопа кремний-28. Может извлекаться тетрахлорид кремния и с содержанием кремния близким к предельному - 99,9%. Такой материал имеет наивысшую атомарную однородность, поскольку все другие изотопы, имеющиеся у кремния, практически отсутствуют.

Вышесказанное относимо и к изотопам кремний-30, кремний-29.

Осуществимость технического решения вытекает из разработанности и практического действия различных методов разделения изотопов как урана, так и всех стабильных изотопов (см., например, сборник "Изотопы в СССР", Москва, Атомиздат, 1980; "Атомная энергия", том 67, N4, окт. 1989). Воспроизводимость результата определяется высоким достигнутым уровнем анализа изотопного состава элементов известными методами масс-спектрометрии.

Извлеченное путем изотопного газового центрифугирования и обогащенное по структурообразующему элементу хлорсодержещее вещество (согласно примерам 1,2) направляется затем для дальнейшего передела посредством известных операций в окись или элементарную форму с целью изготовления стекла или полупроводников.

Настоящее техническое решение имеет в числе своих преимуществ то, что введение предлагаемого способа не требует какого-либо изменения существующих требований к компонентам и технологиям как предшествующим, так и последующим предлагаемому способу. Таким образом, все существующие способы приготовления различных типов оптических и полупроводниковых материалов сохраняются в неизменном виде.

Предложение применимо ко всем хлорсодержащим веществам с многоизотопным структурообразующим элементам, используемым в любых классах стекол и полупроводников.

Операция газового центрифугирования с изотопным обогащением структурообразующего элемента позволяет получать материалы с высшей степенью однородности, чем при традиционной химической очистке.

Изобретение относится к изготовлению материалов для получения стекол, оптических волокон и полупроводников. Исходную смесь, содержащую тетрахлорид кремния или тетрахлорид германия, подвергают изотопному обогащению. Обогащение проводят газовым центрифугированием при 5-45^oС. Обогащение ведут по одному из изотопов, например Gе⁷⁰ или Si²⁸. Введение в известную схему получения чистых хлоридных компонент для оптических или полупроводниковых материалов дополнительной операции изотопного обогащения позволяет получать атомарно однородные хлориды. Это приводит к повышению коэффициента теплопроводности, понижению шумов, увеличению быстродействия полупроводниковых приборов, уменьшению поглощения оптических материалов. Затраты на реализацию способа минимальны, т.к. обогащению подвергают хлориды, используемые в существующей технологии. 3 з.п.ф-лы, 2 табл.

1. Способ приготовления компонент для получения оптических и полупроводниковых материалов, состоящий в извлечении из исходной смеси хлорсодержащего вещества, включающего структурообразующий элемент, отличающийся тем, что извлечение хлорсодержащего вещества проводят путем изотопного обогащения его структурообразующего элемента газовым центрифугированием. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве хлорсодержащего вещества извлекают тетрахлорид германия, подвергаемый обогащению по изотопу германия. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве хлорсодержащего вещества извлекают тетрахлорид кремния, подвергаемый обогащению по изотопу кремния. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что изотопное обогащение структурообразующего элемента проводят при температуре 5 - 45^oC.