Применение сплавов на основе германия

УДК 669.783

ПРИМЕНЕНИЕ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ГЕРМАНИЯ

В. Н. ЗАМАРАЕВ

Камский государственный политехнический институт, Набережные Челны

АННОТАЦИЯ. Интенсивное применение германия началось после того, когда были разработаны методы получения веществ в очень чистом виде. В настоящее время германий - один из основных химических элементов, на использовании которого основана современная полупроводниковая техника. Сплавы на основе германия могут использоваться в приборостроении (выводы контактов, изготовление корпусов конденсаторов, напыления резистивных пленочных элементов), электротехнической, химической промышленности, ядерной технике, медицине и т.д.

Интенсивное использование германия и его сплавов началось в последние 15 лет, когда были разработаны методы получения веществ в очень чистом виде. В настоящее время германий — один из основных химических элементов, на использования которого основана современная полупроводниковая техника.

Очень широко германий используется в области инфракрасной техники. Сам элемент и стекло на основе ве 02 способны пропускать инфракрасное излучение. Высокий показатель преломления по сравнению с ЫаС1 германия (п=3,458 при длине волны 2,0 мкм) обусловливает меньшую кривизну оптических поверхностей. Удачное соотношение показателей преломления ве и 81, аналогичное сочетанию флинтгласа и кронгласа, позволяет комбинировать германиевые и кремниевые линзы в сложные объективы. Коррозионная стойкость германия делает инфракрасную оптику невосприимчивой к атмосферному и температурному воздействию.

Сплавы германия с различными металлами отличаются интересными свойствами и находят самое разнообразное применение. Многие из них обладают повышенной стойкостью в кислых агрессивных средах, что позволяет применять их в качестве материала для химической аппаратуры или защитных покрытий. Эти покрытия практически беспористые с исключительно высокими антикоррозионными свойствами.

Сплав германий-индий, содержащий 0,001 ат% 1п, может быть использован для изготовления низкотемпературных термометров сопротивления, работающих при температуре жидкого гелия (2-4), К и обеспечивающих высокую чувствительность (до 10, К). Такие термометры имеют низкую чувствительность к внешним электрическим полям и высокую воспроизводимость показаний.

На основании результатов исследования магнитных свойств соединения Мп АЮе следует, что кристаллы этого соединения, обладая высокой кристаллической анизотро-пией* могут использоваться в качестве датчиков направления магнитного поля, а также применяться в различных системах автоматизации процессов [1].

Для получения легированных пленок М /ХСП и исследования явления сверхбыстрого растворения металла в ХСП берется система Ое - Эе, а легирование осуществляется металлами первой группы - медь, серебро, золото. Процесс легирования М/ХСП при низкой температуре происходит в сильно неравновесном термодинамическом состоянии, что придаст легированным пленочным слоям уникальные свойства. При этом изменяются оптические, электрические и физико-химические свойства полупроводника. Легированные пленки весьма чувствительны к внешним воздействиям, что позволяет на их основе разработать высокочувствительные прецизионные датчики температуры, влажности, освещенности и др. [2].

Сплав Ag- Ое нашел применение в контактных устройствах для изготовления дисков, обеспечивающих высокочастотный электрический контакт.

Проводились исследования термической проводимости сплавов Ое -81 (п- и р- типа) при высоких температурах. Ое- 81 сплавы благодаря низкой термической проводимости, высокой термической стойкости и малой массе могут применяться в качестве материалов для высокотемпературных термоэлектрических силовых генераторов.

Имеются сообщения об успешном применении полупроводниковых сплавов германия с элементами - титаном, ванадием, хромом, кобальтом, никелем, магнием, медью, цинком и другими металлами. Добавки этих металлов создают в германии электронную проводимость, используемую в конструкциях кристаллических детекторов с высоким обратным напряжением при очень низком сопротивлении в прямом направлении, низкой емкости и 12- кратном увеличении частотного предела из-за большого увеличения подвижности носителей тока.

Сплавы золота с 12-13% Ое применяются в электронной технике как низкотемпературный припой.

Разработанные сплавы на основе германия могут использоваться в приборостроении (выводы контактов, изготовление корпусов конденсаторов, для напыления рези-стивных пленочных элементов), электротехнической промышленности (различные типы контактов), химической промышленности, ядерной технике, медицине (электронные термометры, томографы), в зубопротезном деле (позволяющие заменять дорогостоящие металлы).

Данные сплавы имеют хорошую износостойкость, микротвердость, кислотостой-кость, текучесть, коррозионную стойкость и т.д.

Применение данного сплава на заводе «Элеконд» для изготовления корпусов конденсаторов К-52 (оксидно-полупроводниковые танталовые) позволит заменить дорогостоящий сплав Рс1- Ag и получить значительный экономический эффект.

В настоящее время существует много методов получения тонких пленок: вакуум-но-термическое испарение, плазмохимическое и газофазное осаждение, лазерное испарение, катодное и магнетронное распыление и т.д. Чаще всего тонкие пленки ХСП получают путем конденсации из паровой фазы, т. к. этот способ обеспечивает относительно простые условия технологического процесса и достаточную воспроизводимость физических параметров.

Качество пленок, получаемых путем термического испарения в вакууме, в значительной мере определяется типом и конструкцией испарителей. Выбор испарителя зависит от свойств испаряемого вещества и его исходной формы (гранулы, порошок, проволока), требуемой скорости испарения, ее постоянства во времени и ряда других факторов. Для обеспечения высокой производительности и экономичности процесса осаждения пленок от испарителя требуется, чтобы он обеспечил такое распределение молекулярного потока (зависящее от его молекулярно-кинетических характеристик) при котором достигалась бы максимальная равномерность толщины пленки на всей осаждаемой поверхности.

В зависимости от способа нагрева испарители можно подразделить на резистивные и электронно-лучевые (ЭЛИ).

В резистивных испарителях тепловая энергия для нагрева испаряемого вещества получается за счет выделения джоулева тепла при прохождении тока через нагреватель. Большими достоинствами резистивного нагрева являются простота устройств электропитания, а также удобство контроля и регулирования режимов работы испарителя. Осаждение с проволочных испарителей может происходить в телесном угле вплоть до 471.

По конструктивным признакам резистивные испарители можно подразделить на проволочные, ленточные и тигельные (автотигельные).

Ленточные испарители изготовляются из тонких листов тугоплавких металлов (Та, Мо) толщиной (100-500 мкм) и имеют специальные углубления (в виде желобков, лодочек, чашек, коробочек), в которых размещается испаряемый материал. Они применяются для испарения порошковых материалов и неортанических соединений.

Для получения пленок ХСП применялись следующие виды испарителей. На рис.1 показан испаритель эффузионного типа, изготовленный из танталовой фольги. Этот испаритель позволяет производить испарение при температурах (600-800), К. Загрузка ХСП в виде мелких кусочков осуществляется через окошко 1. После загрузки окошко закрывается передвижной заслонкой 2. Для выхода пара предусмотрены отверстия 3 (с1=0,5 мм). Такая конструкция испарителя позволяет получать однородные по составу и толщине пленки ХСП. Может применяться ленточный испаритель в виде трубки, изготовленный из танталовой фольги. Испаряемый материал ХСП загружается через один из торцов камеры испарителя. Он позволяет проводить напыление в температурном интервале от (300 + 1500), К.

Рис. 1. Схема испарителя эффузионного типа: 1-отверстия для выхода пара;

2-передвижная заслонка; 3- окошко для загрузки испаряемого вещества;

4- испаряемое вещество

Пленочные гетероструктуры М/ХСП получали на установке ВУП-5 методом вакуумного термического испарения. Вакуум в рабочей камере составлял 10° мм. рт. ст. Формирование пленочной гетероструктуры проводили следующим образом. В молибденовый испаритель типа лодочки (рис. 2), находящийся в вакуумной камере, загружали медь (навеска 10-15 мг), а в танталовой эффузионный испаритель (рис. 1) загружали ХСП (навеска 30-60 мг).

Рис. 2. Схема испарителя лодочного типа из молибденовой фольги

В экспериментах использовали ХСП систем Аэ - Бе или ве - Бе, предварительно полученные ампульным методом из высокочистых материалов. Пленочные гетерост-руктуры М/ХСП формировали в едином вакуумном цикле, нанося поочередно слой металла и ХСП. Температуру подложки изменяли от (77-350), К. В качестве подложек использовали (марки К 50) и ситалл (марки СТ-50). Температура молибденового испарителя составляла 1500, К* а танталового 1000, К для системы Аб - 8е и 1300, К для системы ве - Бе. Толщину получаемых пленок контролировали лазерным эллипсомет-ромЛЭФ-3 М.[3].

Пленочные гетероструктуры М/ХСП, полученные в условиях низких температур, являются диссипативными структурами. При соотнотношении слоев меди и ХСП равной 8 происходила спонтанная релаксация энергии упругой деформации, приводящая к сверхбыстрому растворению металла в пленке ХСП. Диффузионный массопере-нос металла в пленку ХСП контролировали с помощью омметра типа Щ-300.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. СамсоновГ.В., Бондарев В.Н. Германиды. М.: Металлургия, 1968. 220 с.

2. Когай В.Я., Замараев В.Н. Датчики влажности и температуры. // Тезисы докладов II Междунар. симпозиума «Композиты и глубокая переработка природных ресурсов». Н. Челны, 1999. С.59.

3. Когай В.Я.- С. Сверхбыстрое растворение меди в гетероструктуре М/ХСП и разработка приборов на её основе. Дис. на соискание ученой степени канд. физ.- мат. наук. Ижевск, 2000. 134 с.

SUMMARY. Intensive application of Ge started after the methods of pure substance manufacturing have been developed. At present Ge is one of the main chemical elements and usage of this element serves the basis of modern semiconductor technique. Dopes on the basis of Ge can be used in the sphere of instruments manufacturing (contacts leads, condenser case production, evaporation of resistive film elements), electric engineering, chemical industry, nuclear engineering, etc.