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.