Файл: Вигдорович, В. Н. Совершенствование зонной перекристаллизации.pdf

начальной зоны использовали также как исходный материал для выращивания монокристаллов висмута по методу Чохральского. Полученные монокристаллы были ориентированы в направлении (ПО) (ромбоэдрические координаты, бинарная ось), их масса не пре­ вышала 50 г. Монокристаллические образцы размером 5 x 5 x 2 0 мм вырезали из различных участков перекристаллизованной загрузки в направлении [111] (тригональная ось). На монокристаллах вис­ мута компенсационным двухзондовым методом в направлении [111] измеряли электросопротивление при комнатной температуре

(R298 к) и при температуре жидкого гелия (Rit2 к)- Отношение элек­ тросопротивления висмута при комнатной температуре к электросоп­

ротивлению при гелиевой температуре (рне = R 298 к) в со_ четании с данными спектрального анализа принималось за критерий химической чистоты получаемого висмута.

Предварительные вакуумная термическая обработка и фильтра­ ция не сказываются на содержании контролируемых примесей. Колонная зонная перекристаллизация висмута, прошедшего ва­ куумную термическую обработку (в табл. 20 эти опыты обозначены I), во время первых пяти циклов обеспечивала эффективную очистку висмута от примесей свинца, меди, железа и серебра. Содержание примеси свинца за каждый цикл снижалось почти на порядок и вышло за пределы чувствительности спектральных определений. Однако в последующих сливах примесь свинца вновь обнаружилась, ее содержание достигло (5н-8) • 10~5%, без закономерного измене­ ния концентраций. Аналогично вели себя примеси меди и железа. Этому факту не удается дать убедительное объяснение. В то же время примесь серебра при зонной перекристаллизации висмута удаля­ лась очень эффективно, равно как и другие сопутствующие висмуту примеси, регламентированные по ГОСТ 10928—64 и ЦМ ТУ 05-159— 69. Значения рне, полученные на монокристаллических образцах, вырезанных из начальных участков перекристаллизованной загрузки составляли 280—330. При этом более чем для 70% длины загрузки значение рне было не меньше 140.

Представляло интерес экспериментально подтвердить предпо­

в окисленном состоянии и их оттеснение при зонной перекристалли­ зации из-за этого происходит малоэффективно. Для восстановления окислов исходный висмут обрабатывали техническим водородом, после чего следовала вакуумная термическая обработка и фильтра­ ция (эти опыты в табл. 20 приведены в колонке II). Температура расплава не превышала 700° С, скорость подачи водорода составляла около 50 л/ч, время обработки 1,5 ч.

Таким образом, обработанный висмут очищался при колонной зонной перекристаллизации более эффективно. По данным спектраль­ ного анализа было установлено отсутствие в сливах начальной зоны примесей свинца и железа после трех, а меди после пяти циклов

175

полнительной обработкой водородом (опыты II) 600, хлором и во­ дородом (опыты III) 750— 1000.

Приведенные результаты комплексной очистки висмута свиде­ тельствуют о перспективах ее использования при получении висмута для применения в полупроводниковой технике. Очищенный висмут характеризуется высокими значениями рне, которые достигают и превосходят наибольшие из достигавшихся к настоящему времени значений для висмута после 21—35 проходов зонной перекристалли­ зации со скоростью 2,5 см/ч (рне = 670-н673, работа Кука и Баррета

122, с. 263 и 177]).

ИССЛЕДОВАНИЕ РОЛИ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ КОЛОННОЙ ЗОННОЙ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Основной задачей расчета аппаратов колонной зонной перекристал­ лизации является последовательное определение концентрации очи­ щенного материала от прохода к проходу и нахождение этой кон­ центрации для установившегося режима очистки. Другая задача, представляющая интерес в том случае, если стоимость загрязненного материала достаточно высока и он подлежит дальнейшей перера­ ботке, состоит в определении концентрации загрязненного мате­ риала (от прохода к проходу и для установившегося режима). На­ конец, иногда необходимо знать весь концентрационный профиль колонны (также от прохода к проходу и для установившегося ре­ жима).

Односекционные аппараты могут отличаться нормальной на­ правленной кристаллизацией в последней зоне или разбавлением этой зоны материалом исходной концентрации. Эти особенности легко учесть соответствующим изменением граничного условия, подобно тому, как это было сделано при расчете обычной зонной перекристаллизации.

Двухсекционные аппараты можно рассматривать как соче­ тание двух односекционных аппаратов: одного с «недостаточностью»,

В. Н. Вигдоровичем, А. Е. Вольпяном и Л. М. Ферштером [124], были использованы для получения основных параметров работы аппаратов колонной зонной перекристаллизации в переходном и установившемся режимах с целью выбора оптимальных условий их использования.

На рис. 73 показана зависимость С (0) от п при различных со­ четаниях k и / и постоянной массе загрузки L = 6. Из этой зависи­

чину I, можно получить материал высокой чистоты при сравнительно больших значениях k. Например, при k — 0,02 и I = 0,2 степень очистки удается повысить всего на порядок по сравнению со случаем k = 0,2 и 1 = 2.

178

Длительность переходного режима определяется числом про­ ходов расплавленной зоны (я), которое необходимо для достижения предельного распределения (установившегося режима). При рас­ четах принималось, что установившийся режим достигается, когда разница значений относительных концентраций для двух последова­ тельных проходов не превышает 0,001 при сравнении значащих цифр. Чем меньше число проходов я, необходимых для достижения тре­ буемой чистоты, тем экономичнее процесс очистки. Основными па­

проходов зоны в переходном режиме резко возрастает с увеличе­ нием массы загрузки, тогда как соответствующее уменьшение кон­ центрации С (0) незначительно.

При k = 0,01 (рис. 74, в) изменение I от 0,2 до 2,0 почти не влияет на я. С увеличением массы загрузки достигается более глубокая очистка.

Рис. 74. Зависимость числа проходов расплавленной зоны в переход­ ном режиме (п) от изменения массы расплавленной зоны (/) для раз­ личных значений массы загрузки L (цифры на кривых) при некото­ рых характерных значениях коэффициента распределения k:

а — 0,8; б — 0,2; в — 0,01

па

Рис. 75. Зависимость числа проходов расплавленной зоны в переходном ре­ жиме п от изменения коэффициентов распределения k для различных значе­ ний массы загрузки L (цифры на кривых) при некоторых характерных зна­ чениях массы расплавленной зоны I:

а - 0,2; б — 2,0; в — 1,0

180

Зависимость числа проходов расплавленной зоны от изменения коэффициентов распределения для некоторых значений I представ­ лена на рис. 75.

Из рис. 74 и 75 следует, что большая «недостаточность» расплав­ ленной зоны (при h = 1 и I = 0,2), которая интересна в отношении получения максимальной производительности простыми средствами (например, наклоном секции очищенного материала на соответству­

ем;

С(х)

ющий угол к горизонтали), может быть практически использована только при k=^0,l.

Если очищенный материал имеет 0,1 <: к ^ 0;4, то массу рас­ плавленной зоны I в односекционном аппарате следует выбирать большей или равной h. Массоперенос в этом случае может осущест­ вляться, например, электродинамическим способом. При очистке материала с коэффициентом распределения k = 0,6 я-0,8 лучше вы­ бирать I Ms 2,0.

Приведенные данные позволяют выбирать величину L, исходя из требований к чистоте 1C (0)] и длительности переходного режима

(п).

Расчеты позволили также установить основные закономерности влияния параметров процесса в односекционном аппарате на пре­

181