184877. lajstromszámú szabadalom • Eljárás gallium tisztítására
5 134877 6 A kristályosítást addig folytatjuk, amíg az olvadék 40— 60%-a kristályosodik. Ekkor a nagyméretű egykristályt elkülönítjük az olvadéktól. Kívánt esetben a mag-egykristályt olvasztással különítjük el a nagyméretű egykristálytól. Ezt célszerűen a nagyméretű egykristálynak a mag-egykristályról való leolvasztásával vagy a mag-egykristály kiolvasztásával végezzük. Az előbbi eljárás akkor célszerű, ha a mag-kristályt újból felhasználjuk a találmány szerinti eljárásban. Az utóbbi módszer akkor lehet előnyös, ha a mag-egykristály több szennyezést tartalmaz, mint a felületére leválasztott nagyméretű egykristály. A találmány szerinti eljárás a gallium általános tisztítására (raffinálására) és különleges tisztaságú gallium előállítására egyaránt használható. Előnye, hogy igen egyszerű módon különleges berendezések igénybevétele nélkül foganatosítható. Nagyfokú tisztítást biztosít és lehetővé teszi a legszigorúbb tisztasági követelményeket kielégítő, 2,0 • 10“5 vagy annál kisebb maradékellenállás-hányadossal (Rxj rendelkező gallium előállítását. A találmányt a továbbiakban példák segítségével ismertetjük. 1. példa 2 dm3 térfogatú műanyag edénybe R*=2,3 • 10 ~ 5 minőségű 6 kg folyékony galliumot helyezünk. 35 °C hőmérsékletű bidesztvízzel átmossuk. A felszínről az oxidos részt műanyag szűrővel, a bídesztvizet vákuumos leszívással eltávolítjuk. A galliumot 3 normál 100 cm3 35 °C hőmérsékletű a.lt. tisztaságú sósavval ismételten átmossuk, majd a vizes fázist vákuumos leszívással és szűrőpapírral leitatva eltávolítjuk, miközben a gallium felülete tükörfényes lesz. Az említett módon előkezelt és 30 °C hőmérsékleten 1 órán át termosztált gallium felszínének centrumában elhelyezett és rögzített 35 mm átmérőjű PVC gyűrűbe 50 g szénsavhavat viszünk részletekben néhány csepp alkohollal. Hatására a gallium felszínén, á PVC gyűrűben és annak közvetlen környezetében vizuálisan is megfigyelhető 40—60 g tömegű mag-egykristály képződik. A mag-egykristállyal rendelkező folyékony galliumot 29,5 °C ± 0,2 °C hőmérsékletű termosztátba helyezzük és ott 115 órán át tartjuk kristályosítás céljából. A szilárd és a folyékony fázist tartalmazó galliumot 115 órás kristályosítás után a termosztátból kivesszük. A folyékony galliumot vákuumos leszívással eltávolítjuk. A nagyméretű egykristály tömege 3420 g, a teljes gallium 57%-a. A kristályosodás sebessége: (3420 : 115=) 29,7 g/óra. A nagyméretű egykristályt 90—95 °C hőmérsékletű bidesztvízzel megolvasztjuk úgy, hogy az eredeti magegykristály visszamaradjon, a folyékony gallium felszínéről az oxidos részt műanyag szűrővel eltávolítjuk és 3 normál sósavval átmossuk. A vizes fázist vákuummal, illetve szűrőpapírral leitatva eltávolítjuk és a kívánt egységben, polietilén flakonba öntjük a galliumot, hűtőszekrényben lefagyasztjuk, szállításra előkészítve. A nagyméretű egykristály minősége : R* = 1,62 • 10~5. 2. példa Az 1. példában bemutatott módon 9 kg, R*= =2,9 • 10~5 minőségű gallium előkészítését végezzük el. Ezután ugyancsak 30 °C hőmérsékleten és egy órán át termosztálást végzünk, majd abba kb. 90 g tömegű magegykristályt merítünk 28,5 °C±0,2 °C hőmérsékletű termosztátba helyezzük és ott 76 órán át tartjuk kristályosítás céljából. A szilárd és a folyékony fázist tartalmazó galliumot 76 órás kristályosítás után a termosztátból kivesszük. A folyékony galliumot leöntve eltávolítjuk. A nagyméretű egykristály tömege 3910 g, a teljes gallium 43,4%-a. A kristályosodás sebessége : (3910 : 76)=51,4 g/óra. A megolvasztást és kikészítést az 1. példában bemutatott módon végezzük el. A nagyméretű egykristály minősége : R*= 1,76 • 10~5. Az 1. és 2. példában különlegesen nagy tisztaságú gallium előállítását mutattuk be. Az eljáráshoz szükséges kiindulási minőséget a nyers gallium többszörös elektrolitikus raffinálása biztosítja a fontosabb szennyezők, elsősorban a higany, ólom és réz koncentráció értékeitől függően. Az utóbbi években a nyers gallium említett szennyezőinek koncentráció értékei megnövekedtek, így az elektrolitikus raffinálás jó minőséget biztosító hatásfoka romlott, egyben a raffinálás fémveszteség értéke nőtt. A fentiekből következik, hogy célszerű a találmány szerinti eljárás alkalmazása a gallium általános raffinálási műveleténél is. Ezt mutatjuk be a jelen példában. 3. példa Az 1. példában bemutatott technológiával végeztük a nyers gallium tisztítását, azzal a különbséggel, hogy a mag-egykristályt nem különítettük el a nagyméretű egykristálytól. A kísérletek eredményeit az alábbi táblázat mutatja. Mindhárom kísérletben irányított kristályosítással tisztítottuk a fémet. Szennyezők (ppm) Mg Cu Pb I. Átkristályosítás Kiindulási fém 20,0 9,0 12,0 Kristályosítás utáni fém — — — II. Átkristályosítás Kiindulási fém 58,0 3,4 5,7 Kristályosítás utáni fém — — — III. Átkristályosítás Kiindulási fém 125,0 9,0 12,0 Kristályosítás utáni fém — — — Az elmondottakból látható, hogy a találmány szerinti eljárás segítségével a modern félvezető gyártás különleges követelményeit is messzemenően kielégítő nagytisztaságú gallium állítható elő. Emellett az eljárás alkalmas nyers gallium általános tisztítására is. Az eljárás egyszerű és olcsó, mind laboratóriumi, mind üzemi szinten biztonságosan alkalmazható. Szabadalmi igénypontok 1. Eljárás gallium tisztítására frakcionált kristályosítással, azzal jellemezve, hogy legfeljebb 10 kg, célszerűen legfeljebb 5 kg tömegű, az olvadáspontnál nagyobb, előnyösen legalább 30 °C hőmérsékletű gallium olvadékba 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 4
