Как очистить металл от примесей?

Очень тонка невидимая грань, отделяю­щая науку о фазовых диаграммах от практических задач материаловедения. Установленный сегодня эле­мент диаграммы, будь то область существования но­вой фазы, более точное проведение линии или даже корректировка положения отдельной точки, может завтра трансформироваться в создание уникального по свойствам материала или в разработку эффектив­ного и экономичного технологического процесса.

Даже то немногое, что мы узнали о фазовых диа­граммах, достаточно для решения важнейшей прак­тической задачи получения чистых химических эле­ментов. Нам уже известно, как сильно сказывается иногда содержащаяся даже в ничтожном количестве примесь на свойствах металлов. Но настоящим бед­ствием стали примеси в техноло – эд гии полупроводников. Долгое вре – ‘ мя прогресс в этой области тор­мозился отсутствием действенных методов очистки.

Допустим, что в образце эле­мента А в небольшом количестве (концентрацией C0) содержится нежелательная примесь В, а угол фазовой диаграммы сплавов А +,

В соответствует рис. 10. Схе­матически именно так выглядит

Угол и уже знакомой «сигары», и некоторых других типов диаграмм.

В интервале температур от T\ до T2 сплав концен­трации Со находится в двухфазном состоянии. При этом, как видно из диаграммы, концентрация элемен­та В в твердой фазе (Ct) ниже, чем в жидкой (Сж). Это обстоятельство и подсказывает путь к решению. .Чтобы очистить образец металла А от примеси В, его достаточно нагреть, переводя в двухфазную область, и слить жидкую фазу. Чем ближе к Ti будет выбрана рабочая температура процесса Т, тем ниже окажется содержание примеси в твердой фазе и тем эффектив­нее с точки зрения очистки будет процесс.

Однако такой путь нерационален по другой при­чине. Чем ближе к Т\ мы будем выбирать рабочую температуру, тем меньшим становится относительное количество твердой фазы. В этом легко убедиться, пользуясь правилом рычага. Сливая жидкую фазу, нам действительно удастся понизить концентрацию примеси в твердой, но самой твердой фазы, к сожале­нию, останется очень мало.

Но все-таки «нащупана» многообещающая законо­мерность: примесь очень неравномерно распределяет­ся между твердой и жидкой фазами. Это обстоятель­ство, несомненно, можно использовать для очистки ме­таллов и полупроводников. Нужно лишь отыскать основанное на нем разумное технологическое решение.

Было разработано несколько вариантов технологи­ческих процессов. Самым гибким и эффективным из

Них следует признать fh&pfemyjb предложенный в нача­ле 50-х годов метод зонной плавки.

Очищаемый образец

^pacnjiaejietinefl в виде пРУтка подвер – зона гается местному рас­

Плавлению перемещаю – Рис – 11 щимся кольцевым на­

Гревателем (рис. 11).

Согласно диаграмме состояния жидкая фаза кон­центрирует в себе примесь, и расплавленный участок при своем движений по прутку собирает примесь в себя. После того как нагреватель доходит до конца прутка, обогащенная примесью узкая зона на этом конце отрезается, а процесс повторяется снова. Мно­гократным повторением проходов удается понизить содержание примеси в 100 и более раз.

Говорят, что отдаленный прообраз зонной плавки существует в природе: сходным образом лиса избав­ляется от блох[10]). Держа в зубах оторванный клочок шерсти, хитрый зверь медленно входит в воду. Блохи (подобно примеси в металле) крайне неравномерно распределяются между еще сухими и уже «затоплен­ными» участками шкуры и, разумеется, норовят остаться на сухом. Последним сухим оплотом для блох лиса оставляет тот самый кусок шерсти, кото­рый зажат у нее в зубах. Ничего не подозревающие паразиты безмятежно группируются на нем, а лисе остается лишь разжать зубы и выпрыгнуть на берег.., Достоверность сообщения вызывает определенные со­мнения, но в любом случае аналогия наглядна и остроумна.

Путем зонной плавки достигнута очень высокая чистота алюминия, железа, меди, свинца и ряда дру­гих металлов и полупроводников. В качестве доказа­тельства мы покажем, как изменится содержание при­месей в особо чистом алюминии (вспомните табл. 1) после его зонной плавки. Все данные в табл. 2 полу­чены радиоактивационным анализом.

Существует математическая теория, которая поз­воляет (зная соответствующие диаграммы) выбирать оптимальные параметры процесса: рабочие темпера­туры, длины прутка, нагревателя и отрезаемой части, количество проходов и т. д. Можно представить себе, что связанные в единый комплекс нагреватель, ана­лизатор химического состава и управляющий ими компьютер с заложенной в нем информацией о фазо­вых равновесиях способны полностью автоматизиро­вать процесс очистки.