Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Беляев А.И. Физико-химические основы очистки металлов и полупроводниковых материалов учеб. пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

24.10.2023

Размер:

10.89 Mб

Скачать

☆

1 / 231 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 > Следующая >>>

ФИЗИКО -ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОЧИСТКИ МЕТАЛЛОВ

И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

А. И. БЕЛЯЕВ

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОЧИСТКИ МЕТАЛЛОВ

И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Допущено Министерством высшего

исреднего специального образования СССР

вкачестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по специальности

„Технология специальных материалов электронной техники“

М О С К В А «МЕТАЛЛУРГИЯ» 1973

УДК 669.015.4/5 + 537.311.33

То сТ п уб л к чнаЗГ

ау ч н о -т е х г*иче с ш

БИБЛИОТЕКА ОССТ

У Д К 669.015.4/5+ 537.311.33

Физико-химические основы очистки металлов и полупроводниковых материалов. Б е л я е в А. И. М., «Металлургия», 1973, 224 с.

Изложены физико-химические основы важнейших процессов, применяемых для получения чистых металлов и полупроводниковых материалов (сорбция, экстракция, кристаллизационные методы очистки, дистилляция и ректификация, электрохимические методы, очистка металлов от газов и др.).

Предназначена в качестве учебного пособия для студентов вузов, специализирующихся в области получения материалов электронной техники. Может быть полезна для научных работников и инженеров, занимающихся очисткой веществ. Ил. 97. Табл. 16. Список лит.: 72 назв.

3103-172

040 (Ѳ1)-(73) 12-73

.fbi.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ..............................................................................................					7
ВВЕДЕНИЕ......................................................					8
Гл а в а	I.	Чистые металлы и материалы в современной технике . . . .			8
		§ 1. Чистота и свойства металлов.....................................			8
		§ 2. Значения чистых металлов и полупроводниковых мате			9
		риалов для развития новой техники..................................			9
Гл а в а	2.	Чистота металлов и полупроводниковых материалов. Характе			14
		ристика процессов разделения и очистки ..............................			14
		§ 3. Способы выражения степени чистоты металлов и полу			14
		проводниковых материалов ...............................................			14
		§ 4. Общая характеристика и классификация способов раз			20
		деления и очистки ............................................................			20
		§ 5. Понятия о коэффициентах распределения и разделения			23
		§ 6. Условия получения чистых металлов и полупроводнико			24
		вых материалов ................................................................			24
РАЗДЕЛ		I. СОРБЦИЯ И ЭКСТРАКЦИЯ...................................................			27
Гл а в а	3. Сорбция			................................................................................	27
		§ 7. Значение сорбционных процессов для разделения и			27
		очистки .............................................................................			27
		§ 8. Физико-химическая сущностьадсорбции ...................			28
		§ 9. Физико-химическая сущность и механизм ионного			32
		обмена. Иониты и их свойства........................................			32
		§	10.	Статика ионообмена. Ионообменное равновесие . . .	37
		§ 11. Кинетика ионного обмена........................................			40
		§	12.	Понятие о степени использования ионита .............	43
		§ 13. Хроматография и ее типы........................................			45
Гл а в а	4.	Жидкостная экстракция.........................................................			50
		§ 14.		Физико-химическая сущность экстракции и ее значе	50
		ние для разделения и очистки ........................................			50
		§ 15.		Взаимная растворимость двухжидкостей ...............	51
		§ 16. Механизм экстракции...............................................			55
		§	17.	Закон распределения ...............................................	57
		§	18.	Изотермическое равновесие втронной жидкой системе	58
		§	19.	Принцип экстракции из растворов в трехкомпонентной	61
		системе .............................................................................			61
		§ 20. Влияние различных факторов на разделение при экс			62
		тракции ...............................................................			62

		§ 21. Статика и ступени экстракции ..............................	65
		§ 22. Некоторые поимеры по разделению хлоридов металлов	68
		экстракцией ......................................................................	68
РАЗДЕЛИ.		КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ.............................................................	71
Гл а в а	5.	Кристаллизация из растворов..................................................	71
		§ 23. Значение кристаллизации как метода разделения и	71
		очистки .............................................................................	71
		§ 24. Равновесие при кристаллизации из растворов. Меха	72
		низм и кинетика кристаллизации .....................................	72
		§ 25. Политермы растворимости солей..............................	74
		§ 26. Изотермическое выпаривание и кристаллизация . . .	76
		§ 27. Разделение солей кристаллизацией путем циклического	78
		процесса.............................................................................	78
Гл а в а	6.	Кристаллизация из расплавов ...............................................	81
		§ 28. Значение процессов кристаллизации из расплавов для	81
		глубокой очистки металлов и полупроводниковых материалов	81
		§ 29. Сущность кристаллизационных способов очистки из	81
		расплавов ..........................................................................	81
		§ 30. Механизм кристаллизации из расплавов.................	82
		§ 31. Коэффициент распределения равновесный и эффектив	83
		ный ....................................................................................	83
		§ 32. Связь между диаграммами плавкости и коэффициен	87
		том распределения ............................................................	87
		§ 33. Распределение примесей по длине слитка при нор
		мальной направленной кристаллизации и вытягивании из	90
		расплава.............................................................................	90
		§ 34. Распределение примесей по длине слитка при зонной	94
		перекристаллизации .........................................................	94
		§ 35. Зонное выравнивание и легирование ........................	101
		§ 36. Влияние различных факторов на степень очистки при	103
		зонном рафинировании ......................................................	103
		§ 37. Диаграммы плавкости и зонное рафинирование . . .	107
		§ 38. Определение эффективного коэффициента распределе	108
		ния с помощью метода зонной плавки..............................	108

§39. Некоторыеданные оприменении зонной перекристалли-

'зации (плавки) для очистки металлов и полупроводниковых

	материалов..........................................................................		110
	§ 40. Выращивание монокристаллов..................................		112
РАЗДЕЛ	III. ИСПАРЕНИЕ	И КОНДЕНСАЦИЯ .......................................	114
Г л а в а 7.	Теория разделения веществ путем испарения и конденсации		114
	(разгонки) .............................................................................
	§ 41. Фазовая диаграмма однокомпонентной системы. Давле		114
	ние пара.................................	. ' ........................................
	§ 42. Закон Рауля. Давление пара в двойных системах . . .		117
	§ 43. Активность металлов в сплавах и диаграммы состоя		120
	ния ....................................................................................
	§ 44. Зависимость между составом пара и раствора. Законы		122
	Коновалова	......................................................................
	§ 45. Изменение состава раствора и пара в зависимости от
	температуры.	Диаграммы: состав—температура кипения	123
	и состав—давление пара ..................................................
	§ 46. Применимость законов Коновалова к жидким метал		125
	лическим сплавам ............................................................

Г л а в а	8.Сублимация и дистилляция			• .........................................				126
		§ 47. Физико-химическая сущность процессов сублимации и						126
		дистилляции. Применимостьих для разделения и очистки						126
		§ 48. Кинетика сублимации и дистилляции. Роль остаточ						128
		ного давления	......................................................................		процесса		конденсации.	128
		§ 49. Некоторые закономерности			процесса		конденсации.	130
		Влияние нагретой поверхности..............................................						130
		§ 50. Удаление	примесей	путем испарения в вакууме . . .				133
Г л а в а 9.Ректификация.............................................................................								134
		§ 51. Основные условия осуществления ректификации . . .						134
		§ 52. Принцип процесса ректификации				. .	. .• ..............	136
		§ 53. Понятие о материальном балансе ректификационной						138
		колонны...............................................................................						138
		§ 54. Применение ректификации для очистки и разделения						139
		металлов и соединений ........................................................						139
		§55. Понятие об азеотропной и экстрактивной ректификации						140
Г л а в а	10.	Перегонка с помощью химических транспортных реакций . . .						141
		§ 56. Три вида химических транспортных реакций для пере						141
		гонки ......................................................................................						141
		§ 57. Перегонка металлов с помощью обменной обратимой						143
		эндотермической реакции....................................................						143
		§ 58. Перегонка металлов через субсоединения ..............						145
		§ 59. Перегонка с помощью синтеза и разложения летучих						150
		соединений. Иодидное рафинирование................................						150
Р А З Д Е Л	IV. Э Л Е К Т Р О Л И З ..........................................................................							160
Г л а в а	11.	Теория электрохимического разделения и очистки металлов . .						160
		§ 60. Значение электролитического метода для очистки и раз						160
		деления металлов ...............................................................						160
		§ 61. Скорость	электродного процесса. Электрохимическая					161
		диффузионная кинетика .................................................						161
		§ 62. Поляризационные		кривые восстановления одного и				163
		двух катионов ..................................................................						163
		§ 63. Совместный разряд ионов основного металла и примесей						167
Г л а в а	12. Электролиз и анодное растворение				.......................................			170
		§ 64. Условия	удаления	примесей	при	электролизе. Типы
		закономерностей совместного разряда катионов основного						170
		металла и примеси...............................................................						170
		§ 65. Электрохимическая очистка электролита от примесей						172
		§ 66. Очистка электролита от примесей				цементацией . . .		175
		§ 67. Удаление	неметаллических		примесей		из катодных	178
		металлов при электролизе .................................................						178
		§ 68. Анодное растворение (электролитическое рафинирова						179
		ние) металлов.........................................................................						179
		§ 69. Амальгамный метод разделения и очистки..............						183
Р А З Д Е Л		V. ДРУГИ Е ПРОЦЕССЫ РАЗДЕЛЕНИЯ			И О Ч И С Т К И ..............			187
Г л а в а	13. Избирательное осаждение, окисление и восстановление . . .							187
		§ 70. Разделение металлов избирательным осаждением труд						187
		норастворимых соединений....................................................						187
		§ 71. Избирательное осаждение и восстановление . . . .						191

Г л а в а . 14. Разделение в электрических,	гравитационных и магнитных
полях . '......................................................................................	192

		§ 72.	Высоковольтный электродиализ ..............................				192
		§ 73.	Разделение и очистка в гравитационном поле . . . .				195
		§ 74.	Разделение в электростатическом и магнитном полях				196
		§ 75.	Разделениедиффузией и термодиффузией ................				196
Г л а в а	15.	Очистка металлов от		газов ..............................................................			198
		§ 76. Значение очистки металлов от га зо в ........................					198
		§ 77. Природа газов в металлах ......................................			роль вакуума . . .		198
		§ 78.	Газосодержание в металлах и		роль вакуума . . .		203
Г л а в а	16.	Электроперенос как		средство глубокой	очистки	металлов от	206
		примесей .............................................................................					206
		§ 79. Некоторые теоретические положения........................					207
		§ 80. Очистка с помощью электропереноса примесей в твердых					208
		металлах ...................................		• .......................................			208
		§ 81. Очистка с помощьюэлектропереноса примесей в жидких					210
		металлах................................................................................					210
		§ 82. Очистка металлов путем электропереноса через слой					213
		окиси	...................................................................................		зонной	плавкой . . .	213
		§ 83. Сочетание электропереноса с			зонной	плавкой . . .	216
		Список используемой литературы......................................					220
		Список рекомендуемой литературы ......................................					223

ПРЕДИСЛОВИЕ	♦

Получение чистых металлов и полупроводниковых материалов — одно из важней ших направлений современной химии и металлургии. Для этой цели используются разнообразные способы разделения и очистки веществ, нередко весьма близких по физико-химическим свойствам. Процесс очистки является в большинстве случаев многоступенчатым — в нем сочетаются химические, физико-химические и физические методы. При глубокой очистке приходится понизить содержание отдельных при месей до ІО"6—10~7% идаже менее. Без знания физико-химических основ процессов невозможно достигнуть столь высокой степени чистоты металлов и полупроводни ковых материалов.

В книге излагаются физико-химические основы важнейших процессов полу чения чистых металлов и полупроводниковых материалов. В основу настоящего издания положен несколько расширенный конспект лекций, прочитанных автором на факультете «Полупроводниковые материалы и приборы» Московского института стали и сплавов. Несмотря на это, книга представляет интерес для научных н инже нерно-технических работников, занимающихся вопросами получения чистых веществ и полупроводниковых материалов. В соответствии с назначением книги в ней в не большой степени и то лишь схематически затрагивается аппаратурное оформление технологических процессов.

ВВЕДЕНИЕ	♦

Г л а в а I

ЧИСТЫЕ МЕТАЛЛЫ И МАТЕРИАЛЫ

ВСОВРЕМЕННОЙ ТЕХНИКЕ

§1. Чистота и свойства металлов

Чистое вещество — это физически и химически однородное простое тело или химическое соединение, состоящее из одного определен ного вида атомов (ионов) или молекул и обладающее только ему присущим комплексом постоянных свойств. Повторные операции очистки наиболее эффективными способами не влекут изменений свойств чистого вещества Ч

Абсолютно чистые вещества (в том числе металлы и полупровод никовые материалы) можно представить себе только теоретически. В реальной же действительности абсолютно чистых веществ нет, а могут быть вещества, в большей или меньшей степени приближаю щиеся к абсолютно чистым. При этом чем ближе вещество к абсо лютно чистому, тем в большей мере выявляются его истинные свой ства.

На пути к достижению абсолютной чистоты встречаются непре одолимые препятствия. Чем меньше в веществе содержится примес ных атомов, тем труднее они удаляются, так как по мере уменьше ния их концентрации уменьшается и скорость их удаления, при ближаясь к бесконечному времени. С повышением чистоты вещества возникают также трудности, связанные с сохранением его чистоты.

Толчком для получения металлов высокой степени чистоты и было, по-видимому, стремление к установлению точных констант, характеризующих физические свойства этих металлов. Примерно сто лет тому назад после многочисленных, попыток с большим трудом было получено небольшое количество чистого серебра, что позво лило уточнить его атомную массу. Полученный металл служил в качестве международного эталона. Далее, в двадцатых годах нашего столетия методом фракционной дистилляции был получен цинк, содержащий менее 0,005% всех примесей. Другие металлы, например платина, были очищены от примесей в малых масштабах для специальных целей. При этом было установлено, что повышение чистоты металла не только влияет на физические константы этого металла (например, на плотность, температуру плавления, темпе

ратуру кипения и т. д.),	но и на другие его свойства (например,
1 Ф и н к е л ь ш т е й н Д.	Н. Чистое вещество. М., «Наука», 1965, с. 15.

электропроводность, коррозионную стойкость), имеющие большое значение при использовании металла в технике. Более того, по мере повышения степени чистоты металлов в ряде случаев выявляются их новые качества (жаропрочность, пластичность и др.), которые оказывались завуалированными влиянием присутствующих в ме таллах даже очень малых количеств примесей.

Ярким примером влияния степени чистоты металла на его свой ства служит алюминий. Приведем несколько данных, характери зующих это влияние.

Температура плавления алюминия возрастает по мере увели чения степени его чистоты. Металл, содержащий 99,2 и 99,5% А1, имеет температуру плавления, равную соответственно 657 и 658° С. Более чистый металл (99,6% А1) плавится при 658,7° С, а 99,97%-ный алюминий имеет точку плавления 659,8° С. Позднейшие измерения для чистого алюминия, содержащего 99,996% А1, дали температуру плавления 660,24° С.

Точно так же сильно зависит от степени чистоты алюминия и его плотность, причем более поздние результаты, когда применялся еще более чистый металл, дают более низкую его плотность. Так, для металла чистотой 99,25% А1 она составляет (при 20° С) 2,727, для 99,40% А1 2,706 и для 99,75% А1 2,703 г/см?. Плотность же более чистого металла (99,971 % А1) равна 2,6996, а еще более чистого алюминия, содержащего 99,996% А1, 2,6989 г/см3.

Особенно поразительна зависимость температуры рекристал лизации предварительно деформированного алюминия от степени его чистоты. Алюминий чистотой 99,99% А1 рекристаллизуется примерно при 100° С, а алюминий, содержащий около 99,999% А1, — при комнатной температуре. Тот же металл, дополнительно очищен ный зонной плавкой (99,9992% А1) и деформированный при тем пературе жидкого азота, начинает рекристаллизоваться уже при

—50° С.	степени	чистоты алюминия возрастают его элек
С повышением
тропроводность,	отражательная		способность,	пластичность
и особенно коррозионная		стойкость,	что открыло	для него новые

области применения.

То же самое можно сказать и о ряде других металлов, таких, как медь, свинец, олово, титан, цирконий, тантал, ниобий, которые получают теперь не только технически чистыми, но и весьма высо кой степени чистоты. Последнее позволило выявить их ценные свойства и также открыло для них важные направления использо вания.

§2. Значение чистых металлов

иполупроводниковых материалов для развития

новой техники

Значение особо чистых металлов и других материалов особенно сильно возросло за последние два-три десятилетия, причем содно временным резким усилением требований к их чистоте. В ряде случаев необходимо иметь, например, материал, который содержал бы

1 / 231 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ