[發明專利]制備高純和超純材料的感應冷坩堝區熔提純設備及方法

有效

• 申請號: 201110093815.5
• 申請日: 2011-04-14
• 公開（公告）號: CN102168919A
• 公開（公告）日: 2011-08-31
• 發明（設計）人: 李碚;張森
• 申請（專利權）人: 張森
• 主分類號: F27B14/04
• 分類號: F27B14/04;F27B14/06;F27B14/08;C30B13/00;C22B9/02
• 代理公司: 深圳市嘉宏博知識產權代理事務所 44273
• 代理人: 李杰

技術領域

本發明涉及一種制備高純和超純材料的區熔提純技術，尤其是用感應冷坩堝區熔技術制備高純和超純材料的設備和方法。

背景技術

一般稱純度為3N～5N（即99.9%～99.999%）的金屬為高純金屬，純度超過5N的金屬為超純金屬（文中的N表示9）。過去，高純、超純材料只用于科研和尖端技術，在產業中的用量非常少。但是，隨著世界進入高科技時代，高純、超純材料已經成為許多高技術產業的基礎材料。

例如，在21世紀以前，制備信息產業的芯片薄膜的濺射Al靶和濺射Cu靶需要達到4N～5N的純度，而在進入21世紀之后則要求它們達到5.5N～6N；純度7N的超純Al除用于制備化合物半導體材料外，還用于低溫電磁設備。近十年以來，由于石油危機，太陽能產業開始在各發達國家中得到了重點發展，而純度達到和超過6N的超純Si是這個產業的基礎材料。計算機芯片基板大量需要純度8N、9N的單晶Si，純度8N～9N的Ge用于半導體元件，純度13N的Ge則用于探測器，6N～7N的Ga、In、P、As則用于制備化合物半導體料。此外，許多稀土功能材料，如稀土超磁致伸縮材料、稀土磁光記錄材料、稀土磁致冷材料等，它們都需要用純度達到4N的高純稀土金屬作為原料。

制備高純金屬材料一般采用以下技術：先制得高純金屬氧化物或其他類型的高純化合物，再用它們作原料用真空熱還原法或電解法制得高純金屬。但是用這些技術無法制取超純金屬，即便用超純氧化物或其它類型的超純化合物作為原料。這是因為，在金屬熱還原過程或電解過程中坩堝材料、電解槽、電解質、電極材料都會帶入雜質。精餾技術、真空蒸餾技術可以將高純金屬進一步提純，但是，在這些技術中仍然有坩堝、模具等污染問題。

Si雖然不是金屬，但是它的性質與金屬材料有相似之處。一般用SIMENS法制備6N的太陽能級多晶硅：在流態化氯化爐中使純度99.8%的金屬硅與氯化氫進行反應形成三氯氫硅；用精餾法提純法提純三氯氫硅；在化學氣相沉積設備中在1100～1150℃用氫將三氯氫硅還原成硅，并使硅沉積在超純的細硅芯發熱體上。這種技術的缺點是，設備復雜，投資大，沉積速度慢，生產率低，電能消耗大，污染嚴重，并產生有毒性的副產品。

對于稀土金屬和其它活潑金屬，坩堝污染的影響更加嚴重，所以，要使稀土金屬和其它活潑金屬的純度達到4N已經非常困難了。

實際上，制備超純金屬和超純半導體材料最有效的方法是區熔提純技術，或者先使用精細電解技術或蒸餾、精餾技術預提純然后再區熔的區熔提純技術。區熔技術根據的原理是，材料中的熔池在固化時，分配系數小于1的雜質會向液相富集，使凝固的固相的純度提高。分配系數大于1的雜質，則需要在預提純過程中去除。區熔提純的實際過程是：在棒狀高純材料中形成熔區，使熔區沿著棒的軸向移動，通過雜質隨著熔區向前遷移，使熔區后面固化段的純度得到提高。經過數次區熔并切除棒料的頭尾，得到被提純的材料。

采用這類技術，現在已經成功制備了6N～7N的Al和Cu，6N～9N的Si，?8N～13N的Ge，以及純度高于6N的Ga和In。用區熔技術還提純了Ag、Au、Cd、Hg、Pt、Sb、Fe、Te、B等材料。此外，區熔提純技術也應該能夠制備純度達到4N～5N的高純稀土金屬和其它活潑金屬。

以前的區熔提純技術的缺點在于，它所使用的管狀陶瓷坩堝，例如區熔Al和Cu所用的石墨坩堝，區熔Si時使用的石英坩堝，它們仍然會產生污染從而引起廢品率升高，并限制了進一步的提純；為了避免坩堝的影響，一些區熔提純技術（如浮區區熔技術）不使用坩堝，依靠表面張力和電磁懸浮力阻止熔區表面發生崩塌，但是這只適用于直徑很小（一般僅幾毫米）的棒料，制備效率非常低。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于：克服了現有的區熔提純技術產生污染、高純和超純材料的制備效率非常低的缺陷，提出一種無污染、與不使用坩堝的區熔提純技術（如浮區區熔技術）相比制備高純超純材料的效率高的設備及制備方法。

為了解決上述技術問題，本發明提出以下技術方案：一種制備高純和超純材料的感應冷坩堝區熔提純設備，其包括一真空室、一冷坩堝、至少一個感應器；該冷坩堝安裝在該真空室內，該冷坩堝是一種紫銅坩堝，其包括一坩堝壁、一進水水套、一回水水套，該坩堝壁上平行于坩堝軸線分成若干坩堝瓣，每一個坩堝瓣都通入循環的冷卻水，該進水水套安裝在該坩堝壁的下面，該回水水套安裝在該坩堝壁的上面；該至少一個感應器環繞在該冷坩堝外面，該感應器上層匝數少，下層匝數多。

優選地，沿冷坩堝軸線每隔一定距離設置一個環繞冷坩堝的感應器。