超高纯砷单晶体片的制备方法

摘要

本发明公开了一种超高纯砷单晶体片的制备方法，包括如下步骤：（1）石英管表面处理（2）超高纯砷脱氧封装（3）置于水平管式炉内（4）水平管式炉熔料和冷却结晶，本发明利用石英管封闭和砷高温熔化时自身产生的压力，达到砷熔化和晶体生长的目的，在常温过冷条件下，管内液态砷达到过冷度时生长晶体，每管生成30～60片，并以孪晶方式生成单晶片，可满足国内产品质量要求及出口质量要求，有较好的应用前景。

权利要求

1.一种超高纯砷单晶体片的制备方法,其特征在于包括如下步骤：（1）石英管表面处理

将石英管表面洗净，去除石英管表面的杂质；

（2）超高纯砷脱氧封装

将超高纯砷装入已经处理干净的石英管内，将石英管在真空条件下加热，去除砷的表面氧化膜，使砷表面显出金属光泽后，熔封石英管；

（3）置于水平管式炉内

把装有砷且密封好的石英管置于水平管式炉内；

（4）水平管式炉熔料和冷却结晶

（4.1）把装有砷且密封好的石英管置于水平管式炉内,在36个标准大气压下，升温至

820～840℃，恒温50-60min使石英管内的砷完全熔化；

（4.2）把已经熔化砷的石英管管式炉中拖出，放置在冷却结晶水平台上，使其自然冷却降温；

（4.3）817℃以下时，石英管内固体砷升华，生成有两个单晶片的孪晶体，断裂后成为两个独立的单晶片，得到产品。

2.按照权利要求1所述的超高纯砷单晶体片的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）进一步为：（1.1）先用氢氟酸洗去石英管表面附着的白色二氧化硅；

（1.2）用王水浸泡1天石英管，把表面上的杂质酸浸蚀洗去；

（1.3）用高纯水清洗石英管，在红外灯干燥箱中干燥。

3.按照权利要求1或2所述的超高纯砷单晶体片的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的超高纯砷的纯度为7N。

4.按照权利要求3所述的超高纯砷单晶体片的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）进一步为：（2）超高纯砷脱氧封装

将纯度为7N的超高纯砷装入已经处理干净的石英管内，置于温度500～600℃的电炉-2 -3内，抽真空到10 ×10 Pa，脱掉砷的表面氧化膜，使砷表面显出金属光泽后，熔封石英管。

5.按照权利要求1或2或4所述的超高纯砷单晶体片的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中用氢氧焰灯熔封石英管。

6.按照权利要求5所述的超高纯砷单晶体片的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）进一步为：（3.1）用一根一端开口、一端封闭的石英管作为外套管，将上述步骤（2）中的装有砷且密封好的石英管装入外套管内；

（3.2）把装有砷且密封好的石英管和上述外套管置于水平管式炉内。

7.按照权利要求6所述的超高纯砷单晶体片的制备方法，其特征在于：所述步骤（4.1）进一步为：（4.1）把装有砷且密封好的石英管和石英外套管置于水平管式炉内,在36个标准大气压下，升温至820-825℃，恒温50-55min使石英管内的砷完全熔化。

8.按照权利要求7所述的超高纯砷单晶体片的制备方法，其特征在于：所述步骤（4.1）进一步为：（4.1）把装有砷且密封好的石英管和石英外套管置于水平管式炉内,在36个标准大气压下，升温至823℃，恒温52min使石英管内的砷完全熔化。

9.按照权利要求1或2或4或6或7或8所述的超高纯砷单晶体片的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）后还包括步骤（5）：（5）砷单晶片保管：

将得到的单晶片真空封装在玻璃管内；或用广口真空充气玻璃包装瓶，将单晶片放入瓶内，抽真空去除空气再充高纯氩气。

说明书

超高纯砷单晶体片的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种超高纯砷单晶体片的制备方法。

背景技术

[0002] 超高纯砷是指纯度在5N以上的砷，目前未见有关超高纯砷单晶片的文献报道。由于砷的熔点在36个标准大气压（atm）下为817℃，砷的表面在空气中（常温常压下）很快氧化，即使有了单晶砷棒，也难以用切磨抛光等工艺制备高纯度砷片，要生产制备超高纯砷单晶片的难度很大。为了解决这一问题，研究在高温高压砷晶体生长特性，在封闭的石英管生长晶体。

发明内容

[0003] 本发明要解决的技术问题是：提供一种超高纯砷单晶体片的制备方法。

[0004] 本发明目的通过下述技术方案来实现：

[0005] 1、一种超高纯砷单晶体片的制备方法,包括如下步骤：

[0006] （1）石英管表面处理

[0007] 将石英管表面洗净，去除石英管表面的杂质；

[0008] 若不去除石英管表面的杂质，则会污染砷晶体，使其纯度下降，还会产生晶体的缺陷，影响砷晶体的正常生长。

[0009] （2）超高纯砷脱氧封装

[0010] 将超高纯砷装入已经处理干净的石英管内，将石英管在真空条件下加热，去除砷的表面氧化膜，使砷表面显出金属光泽后，熔封石英管；

[0011] 之所以在真空条件下加热，是因为：

[0012] ①砷的表面在空气中（常温常压下）极易氧化，必须在真空条件加热熔化砷。

[0013] ②真空状态时加热砷，砷表面氧化层会发生升华而脱出（抽走）。

[0014] 氧化膜是氧化物，不是单质砷，是超高纯砷中的杂质，所以要去除。

[0015] 由于砷的熔点在36个标准大气压（atm）下为817℃，在真空条件下熔封石英管，熔封后的石英管，加热到砷的熔点时，砷的蒸气压很高，靠自身产生的蒸气压足以大于36个标准大气压（atm），满足了砷的熔化条件。

[0016] （3）置于水平管式炉内

[0017] 把装有砷且密封好的石英管置于水平管式炉内；

[0018] 熔化后的石英管，置于水平管式炉内熔化砷料，水平放置石英管，管内熔化砷的液体表面积大，液体表面冷却结晶后的面积也就大。

[0019] （4）水平管式炉熔料和冷却结晶

[0020] （4.1）把装有砷且密封好的石英管置于水平管式炉内,在36个标准大气压下，升温至820～840℃，恒温50-60min使石英管内的砷完全熔化；

[0021] （4.2）把已经熔化砷的石英管管式炉中拖出，放置在冷却结晶水平台上，使其自然冷却降温；

[0022] （4.3）817℃以下时，石英管内固体砷升华，生成有两个单晶片的孪晶体，断裂后成为两个独立的单晶片，得到产品。

[0023] 砷的熔点在36个标准大气压（atm）下为817℃，820开始使砷熔化。

[0024] 若温度大于840℃以上，蒸气压过高，超过石英管的耐压极限将发生爆炸。

[0025] 恒温50-60min是为了使砷完全熔化。

[0026] 放置在冷却结晶水平台上，使其自然冷却降温的目的是使液体砷冷却凝固，温度在820～600℃自然冷却降温，石英管内的砷低于817℃时为固体。

[0027] 817℃以下时，石英管内固体砷处于升华状态，管内的空间充满了砷气体分子，外部的过冷条件（达到过冷度）使微小新晶胞成核和生长，生成有两个单晶片的孪晶体，且极易断开成为两个独立的单晶片。

[0028] 因为孪晶体的两个单晶片是在各自的棱角处相连接，接触面小，所以极易断开成为两个独立的单晶片。

[0029] 2、作为优选方式，所述步骤（1）进一步为：

[0030] （1.1）先用氢氟酸洗去石英管表面附着的白色二氧化硅；

[0031] （1.2）用王水浸泡1天石英管，把表面上的杂质酸浸蚀洗去；

[0032] （1.3）用高纯水清洗石英管，在红外灯干燥箱中干燥。

[0033] 之所以选用氢氟酸是因为氢氟酸能溶解石英玻璃和表面附着的白色二氧化硅。

[0034] 如果不去除白色二氧化硅会污染产品砷，造成杂质硅含量高。

[0035] 王水能溶解大多数的金属杂质，比其它任何一种单酸效果都更好。

[0036] 用高纯水清洗石英管，在红外灯干燥箱中干燥能得到干燥好且不被污染的石英管。

[0037] 3、作为优选方式，所述步骤（2）中的超高纯砷的纯度为7N。

[0038] 之所以选用纯度为7N，即纯度为99.99999﹪的超高纯砷，纯度在7N的超高纯砷有利于晶体生长，降低晶体产生缺陷的几率。

[0039] 4、作为优选方式，所述步骤（2）进一步为：

[0040] （2）超高纯砷脱氧封装

[0041] 将纯度为7N的超高纯砷装入已经处理干净的石英管内，置于温度500～600℃的-2 -3电炉内，抽真空到10 -10 Pa，脱掉砷的表面氧化膜，使砷表面显出金属光泽后，熔封石英管。

[0042] 温度定在500～600℃有利于砷的表面氧化层快速脱离。温度过高会使砷挥发造成损失，温度过低不能脱掉氧化膜或者脱去除氧化膜的时间很长。

[0043] 抽真空到10-2-10-3Pa保证了石英管内有足够的真空度，使砷在高温状态时不会氧化，砷自身产生的蒸气压足够满足其熔化条件，又不至于压力过高使石英管发生爆炸。

[0044] 5、作为优选方式，所述步骤（2）中用氢氧焰灯熔封石英管。

[0045] 石英管软化点很高，在1400℃以上、熔点1800℃以上，氢氧焰温度很高，用氢氧焰灯熔封石英管，足以软化石英管且便于操作。

[0046] 6、作为优选方式，所述步骤（3）进一步为：

[0047] （3.1）用一根一端开口、一端封闭的石英管作为外套管，将上述步骤（2）中的装有砷且密封好的石英管装入外套管内；

[0048] （3.2）把装有砷且密封好的石英管和上述外套管置于水平管式炉内。

[0049] 外套管的作用是便于装炉出炉操作和调整内部熔料管的安放位置。

[0050] 7 、作为优选方式，所述步骤（4.1）进一步为：

[0051] （4.1）把装有砷且密封好的石英管和石英外套管置于水平管式炉内,在36个标准大气压下，升温至820-825℃，恒温50-55min使石英管内的砷完全熔化。

[0052] 温度选在820-825℃是使砷完全熔化的最佳温度范围。

[0053] 恒温时间确定在50-55min足以使砷完全熔化。

[0054] 8、作为优选方式，所述步骤（4.1）进一步为：

[0055] （4.1）把装有砷且密封好的石英管和石英外套管置于水平管式炉内,在36个标准大气压下，升温至823℃，恒温52min使石英管内的砷完全熔化。

[0056] 将升温温度定在823℃是使砷完全熔化的最佳温度值。

[0057] 恒温时间为52min足以使砷完全熔化。

[0058] 9 、作为优选方式，所述步骤（4）后还包括步骤（5）：

[0059] （5）砷单晶片保管：

[0060] 将得到的单晶片真空封装在玻璃管内；或用先抽真空再充氩气的广口玻璃瓶包装，将单晶片放入瓶内，抽真空去除空气再充高纯氩气。

[0061] 因为砷的表面在空气中（常温常压下）极易氧化，必须隔离空气，所以采用真空封装在玻璃管或用先抽真空再充氩气的广口玻璃瓶包装。

[0062] 本发明的原理在于：在36个标准大气压下使砷熔化，再使封闭的石英管内产生足够的气态砷分子和满足过冷度条件，使微小新晶胞成核和生长，生成有两个单晶片的孪晶体，且极易断开成为两个独立的单晶片，此方法的难度在高温高压下熔化砷，使封闭空间产生足够的气态砷分子和满足结晶所必须的过冷度，才能获得砷片。

[0063] 过冷度通过空气、冷却水、风冷等方法获得，可采用空气中自然冷却，对熔料石英管表面冷却，熔化的砷受到过冷条件的影响，当达到过冷度时液态砷开始结晶。

[0064] 本发明的有益效果在于：利用石英管封闭和砷高温熔化时自身产生的压力，达到砷熔化和晶体生长的目的，在常温过冷条件下，管内液态砷达到过冷度时生长晶体，每管生成30～60片，并以孪晶方式生成单晶片，可满足国内产品质量要求及出口质量要求，有较好的应用前景。

附图说明

[0065] 图1是本实用新型使用的水平管式炉的示意图。

[0066] 图2是石英管内生成砷单晶片的示意图。

[0067] 其中，1为熔料管，2为外套管，3为水平管式炉，4为晶片，5为凝固的砷。

具体实施方式

[0068] 下列非限制性实施例用于说明本发明。

[0069] 水平管式炉包括精密温度控制仪和市售的管式炉，管式炉包括一水平的内径为60mm的外螺纹氧化铝管，其外部缠绕镍铬丝，并用氧化铝泡沫砖保温，炉体外壳是300×300×1000的长方形不锈钢板炉体，测温采用铂铑铂热电偶，热电偶用补偿导线与精密温度控制仪连接，镍铬丝用铜芯导线与精密温度控制仪连接。

[0070] 炉膛加热过程为：外螺纹氧化铝管的外螺纹用于绕镍铬丝，通电后镍铬丝产生热量，传热到外螺纹氧化铝管，外部用氧化铝泡沫砖有较好保温效果，管内温度受精密温度控制仪的控制，达到设置温度并且稳定的控制温度。

[0071] 实施例1

[0072] 一种超高纯砷单晶体片的制备方法,其特征在于包括如下步骤：

[0073] （1）石英管表面处理

[0074] （1.1）先用氢氟酸洗去石英管表面附着的白色二氧化硅；

[0075] （1.2）用王水浸泡1天石英管，把表面上的杂质酸浸蚀洗去；

[0076] （1.3）用高纯水清洗石英管，在红外灯干燥箱中干燥。

[0077] （2）超高纯砷脱氧封装

[0078] 将纯度为7N的超高纯砷装入已经处理干净的石英管内，置于温度500℃的电炉-2内，抽真空到10 Pa，脱掉砷的表面氧化膜，使砷表面显出金属光泽后，用氢氧焰灯熔封石英管。

[0079] （3）置于水平管式炉内

[0080] （3.1）用一根一端开口、一端封闭的石英管作为外套管，将上述步骤（2）中的装有砷且密封好的石英管装入外套管内；

[0081] （3.2）把装有砷且密封好的石英管和上述外套管置于水平管式炉内。

[0082] （4）水平管式炉熔料和冷却结晶

[0083] （4.1）把装有砷且密封好的石英管置于水平管式炉内,在36个标准大气压下，升温至820℃，恒温50min使石英管内的砷完全熔化；

[0084] （4.2）把已经熔化砷的石英管管式炉中拖出，放置在冷却结晶水平台上，使其自然冷却降温；

[0085] （4.3）817℃以下时，石英管内固体砷升华，生成有两个单晶片的孪晶体，断裂后成为两个独立的单晶片，得到产品。

[0086] （5）砷单晶片保管：

[0087] 将得到的单晶片真空封装在玻璃管内；或用广口真空充气玻璃包装瓶，将单晶片放入瓶内，抽真空去除空气再充高纯氩气。

[0088] 实施例2

[0089] 一种超高纯砷单晶体片的制备方法,其特征在于包括如下步骤：

[0090] （1）石英管表面处理

[0091] （1.1）先用氢氟酸洗去石英管表面附着的白色二氧化硅；

[0092] （1.2）用王水浸泡1天石英管，把表面上的杂质酸浸蚀洗去；

[0093] （1.3）用高纯水清洗石英管，在红外灯干燥箱中干燥。

[0094] （2）超高纯砷脱氧封装

[0095] 将纯度为7N的超高纯砷装入已经处理干净的石英管内，置于温度600℃的电炉-3内，抽真空到10 Pa，脱掉砷的表面氧化膜，使砷表面显出金属光泽后，用氢氧焰灯熔封石英管。

[0096] （3）置于水平管式炉内

[0097] （3.1）用一根一端开口、一端封闭的石英管作为外套管，将上述步骤（2）中的装有砷且密封好的石英管装入外套管内；

[0098] （3.2）把装有砷且密封好的石英管和上述外套管置于水平管式炉内。

[0099] （4）水平管式炉熔料和冷却结晶

[0100] （4.1）把装有砷且密封好的石英管置于水平管式炉内,在36个标准大气压下，升温至840℃，恒温60min使石英管内的砷完全熔化；

[0101] （4.2）把已经熔化砷的石英管管式炉中拖出，放置在冷却结晶水平台上，使其自然冷却降温；

[0102] （4.3）817℃以下时，石英管内固体砷升华，生成有两个单晶片的孪晶体，断裂后成为两个独立的单晶片，得到产品。

[0103] （5）砷单晶片保管：

[0104] 将得到的单晶片真空封装在玻璃管内；或用广口真空充气玻璃包装瓶，将单晶片放入瓶内，抽真空去除空气再充高纯氩气。

[0105] 实施例3

[0106] 一种超高纯砷单晶体片的制备方法,其特征在于包括如下步骤：

[0107] （1）石英管表面处理

[0108] （1.1）先用氢氟酸洗去石英管表面附着的白色二氧化硅；

[0109] （1.2）用王水浸泡1天石英管，把表面上的杂质酸浸蚀洗去；

[0110] （1.3）用高纯水清洗石英管，在红外灯干燥箱中干燥。

[0111] （2）超高纯砷脱氧封装

[0112] 将纯度为7N的超高纯砷装入已经处理干净的石英管内，置于温度550℃的电炉-3内，抽真空到10 Pa，脱掉砷的表面氧化膜，使砷表面显出金属光泽后，用氢氧焰灯熔封石英管。

[0113] （3）置于水平管式炉内

[0114] （3.1）用一根一端开口、一端封闭的石英管作为外套管，将上述步骤（2）中的装有砷且密封好的石英管装入外套管内；

[0115] （3.2）把装有砷且密封好的石英管和上述外套管置于水平管式炉内。

[0116] （4）水平管式炉熔料和冷却结晶

[0117] （4.1）把装有砷且密封好的石英管置于水平管式炉内,在36个标准大气压下，升温至830℃，恒温52min使石英管内的砷完全熔化；

[0118] （4.2）把已经熔化砷的石英管管式炉中拖出，放置在冷却结晶水平台上，使其自然冷却降温；

[0119] （4.3）817℃以下时，石英管内固体砷升华，生成有两个单晶片的孪晶体，断裂后成为两个独立的单晶片，得到产品。

[0120] （5）砷单晶片保管：

[0121] 将得到的单晶片真空封装在玻璃管内；或用广口真空充气玻璃包装瓶，将单晶片放入瓶内，抽真空去除空气再充高纯氩气。

[0122] 实施例4

[0123] 一种超高纯砷单晶体片的制备方法,其特征在于包括如下步骤：

[0124] （1）石英管表面处理

[0125] （1.1）先用氢氟酸洗去石英管表面附着的白色二氧化硅；

[0126] （1.2）用王水浸泡1天石英管，把表面上的杂质酸浸蚀洗去；

[0127] （1.3）用高纯水清洗石英管，在红外灯干燥箱中干燥。

[0128] （2）超高纯砷脱氧封装

[0129] 将纯度为7N的超高纯砷装入已经处理干净的石英管内，置于温度580℃的电炉-2内，抽真空到10 Pa，脱掉砷的表面氧化膜，使砷表面显出金属光泽后，用氢氧焰灯熔封石英管。

[0130] （3）置于水平管式炉内

[0131] （3.1）用一根一端开口、一端封闭的石英管作为外套管，将上述步骤（2）中的装有砷且密封好的石英管装入外套管内；

[0132] （3.2）把装有砷且密封好的石英管和上述外套管置于水平管式炉内。

[0133] （4）水平管式炉熔料和冷却结晶

[0134] （4.1）把装有砷且密封好的石英管置于水平管式炉内,在36个标准大气压下，升温至825℃，恒温52min使石英管内的砷完全熔化；

[0135] （4.2）把已经熔化砷的石英管管式炉中拖出，放置在冷却结晶水平台上，使其自然冷却降温；

[0136] （4.3）817℃以下时，石英管内固体砷升华，生成有两个单晶片的孪晶体，断裂后成为两个独立的单晶片，得到产品。

[0137] （5）砷单晶片保管：

[0138] 将得到的单晶片真空封装在玻璃管内；或用广口真空充气玻璃包装瓶，将单晶片放入瓶内，抽真空去除空气再充高纯氩气。

[0139] 实施例5

[0140] 一种超高纯砷单晶体片的制备方法,其特征在于包括如下步骤：

[0141] （1）石英管表面处理

[0142] （1.1）先用氢氟酸洗去石英管表面附着的白色二氧化硅；

[0143] （1.2）用王水浸泡1天石英管，把表面上的杂质酸浸蚀洗去；

[0144] （1.3）用高纯水清洗石英管，在红外灯干燥箱中干燥。

[0145] （2）超高纯砷脱氧封装

[0146] 将纯度为7N的超高纯砷装入已经处理干净的石英管内，置于温度530℃的电炉-3内，抽真空到10 Pa，脱掉砷的表面氧化膜，使砷表面显出金属光泽后，用氢氧焰灯熔封石英管。

[0147] （3）置于水平管式炉内

[0148] （3.1）用一根一端开口、一端封闭的石英管作为外套管，将上述步骤（2）中的装有砷且密封好的石英管装入外套管内；

[0149] （3.2）把装有砷且密封好的石英管和上述外套管置于水平管式炉内。

[0150] （4）水平管式炉熔料和冷却结晶

[0151] （4.1）把装有砷且密封好的石英管置于水平管式炉内,在36个标准大气压下，升温至823℃，恒温52min使石英管内的砷完全熔化；

[0152] （4.2）把已经熔化砷的石英管管式炉中拖出，放置在冷却结晶水平台上，使其自然冷却降温；

[0153] （4.3）817℃以下时，石英管内固体砷升华，生成有两个单晶片的孪晶体，断裂后成为两个独立的单晶片，得到产品。

[0154] （5）砷单晶片保管：

[0155] 将得到的单晶片真空封装在玻璃管内；或用广口真空充气玻璃包装瓶，将单晶片放入瓶内，抽真空去除空气再充高纯氩气。

[0156] 实施例6

[0157] 一种超高纯砷单晶体片的制备方法,其特征在于包括如下步骤：

[0158] （1）石英管表面处理

[0159] （1.1）先用氢氟酸洗去石英管表面附着的白色二氧化硅；

[0160] （1.2）用王水浸泡1天石英管，把表面上的杂质酸浸蚀洗去；

[0161] （1.3）用高纯水清洗石英管，在红外灯干燥箱中干燥。

[0162] （2）超高纯砷脱氧封装

[0163] 将纯度为7N的超高纯砷装入已经处理干净的石英管内，置于温度525-585℃的电-2 -3炉内，抽真空到10 -10 Pa，脱掉砷的表面氧化膜，使砷表面显出金属光泽后，用氢氧焰灯熔封石英管。

[0164] （3）置于水平管式炉内

[0165] （3.1）用一根一端开口、一端封闭的石英管作为外套管，将上述步骤（2）中的装有砷且密封好的石英管装入外套管内；

[0166] （3.2）把装有砷且密封好的石英管和上述外套管置于水平管式炉内。

[0167] （4）水平管式炉熔料和冷却结晶

[0168] （4.1）把装有砷且密封好的石英管置于水平管式炉内,在36个标准大气压下，升温至825-835℃，恒温51-57min使石英管内的砷完全熔化；

[0169] （4.2）把已经熔化砷的石英管管式炉中拖出，放置在冷却结晶水平台上，使其自然冷却降温；

[0170] （4.3）817℃以下时，石英管内固体砷升华，生成有两个单晶片的孪晶体，断裂后成为两个独立的单晶片，得到产品。

[0171] （5）砷单晶片保管：

[0172] 将得到的单晶片真空封装在玻璃管内；或用广口真空充气玻璃包装瓶，将单晶片放入瓶内，抽真空去除空气再充高纯氩气。