научная статья по теме УДАЛЕНИЕ ПРИМЕСЕЙ ИЗ РАСПЛАВА ТЕХНИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ В ГЕЛИИ ПРИ СЛАБОМ МЕЖЭЛЕКТРОДНОМ ТОКЕ Физика

Текст научной статьи на тему «УДАЛЕНИЕ ПРИМЕСЕЙ ИЗ РАСПЛАВА ТЕХНИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ В ГЕЛИИ ПРИ СЛАБОМ МЕЖЭЛЕКТРОДНОМ ТОКЕ»

РАСПЛАВЫ

2 • 201:5

УДК 661.681:537.565

© 2015 г. А. В. Кайбичев, И. А. Кайбичев

УДАЛЕНИЕ ПРИМЕСЕЙ ИЗ РАСПЛАВА ТЕХНИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ В ГЕЛИИ ПРИ СЛАБОМ МЕЖЭЛЕКТРОДНОМ ТОКЕ

Приводятся результаты одновременного переплава образцов технического кремния в гелии при электрическом поле и без него. Оценивается межэлектродный перенос И, Т1, Са, А1, В. Определяется доля их ионов в прошедшем электричестве. Подтверждается образование многоатомных ионов в электрическом поле и показывается зависимость от атомной массы элементов.

Ключевые слова: расплав, кремний, примеси, ион, многоатомность.

Межэлектродный перенос элементов в газах рассчитывали по приведенным по-движностям ионов и скоростям электронов. Получено согласие результатов расчета удаления из чистых металлических расплавов и переноса ионов Ag+, Си+, N1+ в гелии с экспериментальными данными [1]. Положительные результаты получены также при расчетах очистки расплава железа и кремния от поверхностно-активных элементов [2, 3]. В рассматриваемых ситуациях удаляемые элементы находились в поверхностном слое. Он подвергается максимальному воздействию электрического поля. Это объясняет положительные результаты. Будет ли влиять электрическое поле на удаление из металлических расплавов инактивных примесей? Ответ нашли при сравнении химического состава технического кремния одновременно расплавленного в электрическом поле и без его воздействия.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Образцы технического кремния с содержанием примесей так (мас. %): Бе — 0.55; 0.19 Т1; 0.55% Са; 0.65% А1 и 0.15% В парами переплавляли в герметичном алундовом чихле в чистом гелии (Не > 99.99%). Остаточные газы дополнительно поглощались адсорбентом при прохождении гелия через термостат с жидким азотом и нагретую до 550°С титановую стружку. Рабочее пространство постоянно находилось под небольшим избыточным давлением гелия. Один образец плавился в электрическом поле постоянного тока. В период опыта регистрировали изменение массы расплава, межэлектродного тока, перепада напряжения на межэлектродном участке и температуры. Масса расплава оценивалась по растяжению пружины 0.418 г/мм с использованием катетометра КМ-8 [4]. Электрические параметры фиксировались по показаниям универсального источника питания УИП-1. Другой образец был контрольным. Он не подвергался воздействию электрического поля. После опыта определялся химический состав опытного и контрольного образца. В опытном образце примесей было меньше. По разности содержаний соответствующих элементов оценивали влияние электрического поля на удаление примесей.

Влияние температуры и межэлектродной напряженности электрического поля на проходящее электричество и изменение массы расплава кремния во время плавки показано на рисунке. Отчетливо прослеживается доминирующая роль температуры. Особенно после плавления и перегрева образцов кремния. Понижается напряженность электрического поля, повышается проходящее электричество, растет масса рас-

1Ка1Ъ11сЬеу@та11.ги.

Г, °С

1600 1580 1560 1540 1520 1500 1480 1460 1440 1420 1400 1380

1620 1600 1580 1560 1540 1520 1500 1480 1460 1440 1420 1400 1380

Р, 10 70 60 50 40 30 20 10 0 -10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 Р, 10-2 60 50

Опыт 1 +-

Г+++ IЦ '

80

Опыт 2

82

84

86

40 30 20 10 0 10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 80 Время, мин

Е, В/м J, мА

т 300 -| 500

- 285 - 450

- 270 - 400

- 255 - 350

- 240 - 300

- 225 - 250

- 210 - 200

- 195 - 150

- 180 - 100

- 165 - 50

150 J 0

88 Е,

В/м 300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80

82 84 86 88

J, мА 300

250

200

150

100

50

0

Изменение температуры Т, °С (♦), напряженности электрического поля Е, В/см (+), проходящего электрического тока J, мА (А) и массы расплава кремния Р , 10-2 г (•) при плавке в атмосфере гелия со средневре-менной Е = 280 В/см, Тс = 1520°С (Опыт 1) и при плавке с Е = 200 В/см, Тс = 1550°С (Опыт 2).

плава в результате химической адсорбции и растворения проникающих газов. Последующее охлаждение расплава сопровождалось снижением и прекращением переноса электричества. Затем при температуре кристаллизации ток возобновился за счет электронной эмиссии и продолжался 5-6 мин.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Многокомпонентность технического кремния и переплав в нестационарных условиях значительно осложняли анализ полученных результатов. Разнообразие условий свели к стационарным со средневременной температурой, напряженностью электрического поля, прошедшим электричеством. Допущение об адекватности их влияния и условий плавок на результаты позволило провести расчеты. Этому способствовали известный межэлектродный перенос примесными элементами массы Мэ из расплава кремния, все прошедшее электричество Q. Важна также однозарядность ионов. Она обусловлена их небольшим содержанием в гелии и относительно низким первым потенциалом ионизации элементов. Наряду с массой ионы переносили электричество QэXэ [1]

в,Ж, = ^ (!)

Ат

Здесь Qэ — прошедшее электричество при удалении ионов одного элемента (Кулоны), Хэ — доля однозарядных ионов в Qэ, Мэ — межэлектродный перенос массы перенесен-

ного элемента (г), А — атомная масса переносимого элемента, m — число атомов в ионе.

Перенесенное ионами электричество QX3 определяли при условии принятой одно-атомности (т = 1) и неизвестных Qэ, Хэ (1). Общий перенос электричества ^Q3X3 ионами Бе, Т1, Са, А1, В нашли, суммируя индивидуальные. Отношение ^Q3X3 к прошедшему электричеству Q определило долю однозарядных ионов ХЕ в электрическом токе:

2 ОэХэ

ХТ = (2)

о

В сообществе ионов Бе, Т1, Са, А1, В значения Х2 приняты соответствующими каждому иону Хэ. Их равенство позволило рассчитать электричество Q3, обеспечивающее перенос примесного элемента однозарядными ионами любой атомности:

Оэ = (3)

Действительная атомность и доли ионов в переносе электричества неизвестны. Долю ионов в электрическом токе рассчитали для средневременных значений температуры Т, межэлектродной напряженности электрического поля Е и прошедшего электричества Q. По их значениям нашли скорость ионов Ж+(Е/Ж, Т, Р) и электронов Ж—(Е/Ж) в гелии. Затем определили долю переноса электричества Х(Е/Ы, Т, Р) ионами Бе, Т1, Са, А1, В в опытных плавках:

<

Е т р) = _Е/К Т> р)_. (4)

К ' } Ж+( Е/И, Т, Р) + Е/К)

Зависимость учитывает влияние напряженности электрического поля Е, концентрации атомов N температуры Ти давления Р. Скорость электрона Ж—(Е/Ж) экспериментальная [5]. Небольшие изменения от Ти Р мало влияли на результаты. Скорость ионов рассчитывали по выражению [6]

Е, Т, Р) = 371К0т, (5)

N ) 0 N0 Ум Р

Здесь Е — напряженность электрического поля (В/м), Ж0 — концентрация атомов при нормальных условиях (м-3), N — число Авогадро, Ум — объем моля, Т — температура в градусах Кельвина, Р — давление газа (Н/м2), К0 — приведенная подвижность иона (м2/В ■ с). Необходимые для расчета приведенные подвижности ионов К0 примесей определены по приведенным подвижностям близких по атомной массе щелочных металлов [5, 8].

Средневременную атомность иона Ат переносимого элемента находили по выражению (1), используя Q3 (3) и Х(Е/Ы, Т, Р). Отклонение т от целого числа связано с изменением условий (Т, Е, Р) в период проведения опыта. Они вызвали перенос ионов разной атомности ть т2. Их доли у и 1 — у оценены по зависимости

+ ^2т2(1 — у) = ^т. (6)

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Предположение о соответствии влияния многочисленных изменений условий и их средневременных значений легло в основу перехода от качественного рассмотрения результатов к количественному. Средневременные экспериментальные данные и состав образцов после переплава в электрическом поле и без приведены в табл. 1. Содер-

Таблица 1

Экспериментальные данные по межэлектродному переносу элементов технического кремния

в гелии (101.3 ■ 103 Н/м2)

Опыт Образец Масса, г Время, мин Средневременные значения Содержание элемента (мас. %) в расплаве

Т, °С Е, В/см J, мА Бе 11 Са А1 В

Исходный состав образца 0.57 0.19 0.75 0.67 0.15

контрольный до 4.57 после 4.59 83 1520 0 0 0.43 0.16 0.35 0.30 0.06

1 опытный до 13.46 после 13.73 83 1520 280 125 0.42 0.14 0.11 0.21 0.05

Удаление, мг 1.37 2.75 32.95 12.36 1.37

контрольный ~5 78 1550 0 0 0.43 0.16 0.31 0.29 0.07

2 опытный до 11.62 после 11.91 78 1550 200 133 0.42 0.14 0.19 0.24 0.06

Удаление, мг 1.19 2.38 14.29 5.95 1.19

жание примесей Бе, И, Са, А1, В в техническом кремнии в основном снижалось в период переплава в гелии без электрического поля. Электрическое поле способствовало более глубокому их удалению. Это видно из разности содержаний примесных элементов в контрольном и опытном образце. Она увеличивалась с повышением парциальных давлений их паров в гелии. Инактивные примеси кремния в приповерхностном гелии ионизировались и переносились на противоположно заряженный электрод. Освобожденное пространство занимали пары следующих элементов, обеспечивая непрерывность удаления. Масса расплава снижалась. Просачивающиеся газы, адсорби-руясь и растворяясь в кремнии, увеличивали массу расплава (см. рис.). Их межэлектродный перенос отсутствовал вследствие более высоких потенциалов ионизации.

По межэлектродным переносам Бе, И, Са, А1, В (табл. 1) определено (1) переносимое одноатомными ионами электричество QэXэ. Отношение (2) позволило рассчитать долю ионов Хэ в прошедшем электричестве Q. Она в первом опыте составила 0.21, а во втором — 0.11 (табл. 2). Завышенные Х2 связаны с переносом необоснованных одноатомных ионов. При переносе двух—трехатомных ионов их доли в электричестве были бы в 2 и 3 раза меньше (опыт 1 и 2). Фактическое число атомов т в ионах примесных элементов установили по доле Хэ в переносящем их электричестве Qэ (3). Значения Qэ при удалении однозарядных ионов Бе, 11, Са, А1, В изменялись пропорционально переносимой массе (табл. 1 и 2) с фактической атомностью ионов. Долю ионов Хэ в электричестве Qэ нашли по отношению скорости ионов к сумме скоростей ионов и электронов (4). Скорости однозарядных ионов Бе, Т1, Са, А1, В в опытах определили по приведенным подвижностям К0 . В первом опыте со средневременной межэлектродной

Таблица 2

Данные расчета м

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»