Bài Giảng Tinh Luyện Vùng (Zone Refining)

Pfann PTN Bell Labs lần đầu tiên đã giới thiệu kỹ thuật nâng cao độ sạch của Ge để chế tạo transistor và gọi - Nấu chảy một vùng của một thanh kim loại cần tinh luyện đến nhiệt độ thích

Chương 6

TINH LUYỆN VÙNG

(Zone Refining)

Nội dung

6.1 Tổng

6.1 Tổng quan .

6.2 Lý thuyết tinh luyện vùng.

6.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tinh

luyện vùng.

 Cùng với sự phát triển của các ngành điện tử,

quang học, vật liệu dùng để chế tạo các linh kiện ngày càng có yêu cầu cao hơn về độ sạch

dẫn yêu cầu vật liệu ban đầu có mức tạp chất rất thấp: dưới 1 ppm và trong một số trường hợp

mức tạp chất yêu cầu đến dưới 1 ppt

(vacuum sublimation) là hai phương pháp có thể tinh luyện vật liệu để có thể đạt được độ sạch nêu trên

6.1 Tổng quan

 Vào các năm 1950–1951, W.G Pfann (PTN Bell

Labs) lần đầu tiên đã giới thiệu kỹ thuật nâng

cao độ sạch của Ge để chế tạo transistor và gọi

- Nấu chảy một vùng của một thanh kim loại cần tinh luyện đến nhiệt độ thích hợp

- Di chuyển vùng này với tốc độ xác định theo

suốt chiều dài thanh

- Trong quá trình tinh luyện, tạp chất được “quét”

đi và tích tụ ở cuối thanh; đầu này sẽ được cắt

6.1 Tổng quan

Chương này chỉ trình bày phương pháp tinh luyện vùng dựa theo nguyên lý thứ nhất.

 Tinh luyện vùng dựa trên sự chênh lệch nồng độ của chất tan ở trạng thái rắn và lỏng tại mặt phân giới

lỏng-rắn

 Sự chênh lệch này là hệ quả của trạng thái cân bằng giữa pha lỏng và pha rắn của hệ

 Tuy nhiên, trong những điều kiện thực tế, hầu hết

các kim loại không đông đặc ở các điều kiện cân

bằng

 Hợp kim được làm nguội từ trạng thái lỏng sẽ bắt

đầu kết tinh ra pha rắn tại TL Tổng quát, pha rắn

được hình thành có thành phần khác với pha lỏng

Sự phân bố lại độ hòa tan xảy ra cùng với quá trình

6.2 Lý thuyết tinh luyện vùng

6.2.1 Lý thuyết đông đặc

6.2.1 Lý thuyết đông đặc

dưới bốn điều kiện khác nhau:

1) Đông đặc cân bằng

rắn; khuấy trộn hoàn toàn ở trạng thái lỏng 3) Đông đặc không khuếch tán ở trạng thái

rắn; khuấy trộn một phần ở trạng thái lỏng 4) Đông đặc không khếch tán ở trạng thái

rắn, khuếch tán ở trạng lỏng và không

khuấy trộn

6.2.1 Lý thuyết đông đặc

pha rắn trên nồng độ chất tan trong pha lỏng:

K= CS / C0 (6.1)

ở trạng thái rắn, pha lỏng và pha rắn đều đồng

nhất và ở trạng thái cân bằng Nồng độ chất tan được xác định theo đường rắn và đường lỏng

(hình 6.1)

Hình 6.1: vùng lỏng - rắn trên giản đồ

6.2.1 Lý thuyết đông đặc

2) Đông đặc không khuếch tán ở trạng thái rắn; khuấy trộn hoàn toàn ở trạng

thái lỏng

khuếch tán ở trạng thái rắn Giả sử pha lỏng

được giữ đồng nhất trong quá trình đông đặc

bằng cách khuấy

(nồng độ chất tan ít hơn so với pha lỏng) Phần chất tan dư sẽ tiết ra từ pha rắn và đi vào pha lỏng, làm tăng nồng độ chất tan trong pha lỏng

6.2.1 Lý thuyết đông đặc

đông đặc tiếp theo có thể xảy ra Lớp pha rắn

thứ hai sẽ giàu chất tan hơn lớp đầu tiên

trình đông đặc xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn

luôn thấp hơn nồng độ tại mặt phân giới rắn-lỏng (hình 6.2)

6.2.1 Lý thuyết đông đặc

thúc tại gần điểm cùng tinh

nguyên lý làm sạch kim loại bằng phương

pháp tinh luyện vùng

Hình 6.2

6.2.1 Lý thuyết đông đặc 3) Đông đặc không khuếch tán ở trạng thái

rắn; khuấy trộn một phần ở trạng thái

lỏng

nhất: pha lỏng không còn đồng nhất

lớp chất lỏng giàu chất tan sẽ hình thành phía trước mặt phân giới

chất tan trong pha rắn đang hình thành tại mặt

6.2.1 Lý thuyết đông đặc4) Đông đặc không khếch tán ở trạng thái rắn, khuếch tán ở trạng lỏng (không khuấy trộn)

 Nếu không có khuấy, đối lưu trong pha lỏng, chất tan

bị tiết ra từ pha rắn chỉ di chuyển nhờ vào khuếch tán

 Tuy nhiên, khuếch tán hoàn toàn trong kim loại lỏng khó xảy ra trong thực tế

 ⇒ có sự tập trung chất tan phía trước pha rắn ⇒ làm tăng nồng độ chất tan trong pha rắn được hình thành

 Nếu đông đặc xảy ra với tốc độ không đổi, cuối cùng

sẽ thu đuợc một trạng thái bền vững khi nhiệt độ tại mặt phân giới rắn-lỏng đạt T2 Khi đó, pha lỏng cạnh

Thiên tích trong quá trình đông đặc

đông đặc cân bằng do quá trình có đủ thời

gian để khuếch tán hoàn toàn ở trạng thái rắn

hầu như không có sự khuếch tán ở trạng thái rắn và tồn tại sự thiên tích

dịch chuyển ở trạng thái lỏng, như trong các trường hợp 2, 3 và 4

6.2.1 Lý thuyết đông đặc

 Hệ số phân bố trong những điều kiện này

(xa nhất so với 1) của của hệ số phân bố hiệu

với sự thiên tích cực đại

6.2.1 Lý thuyết đông đặc

 Trong tinh luyện vùng, một nguồn nhiệt di

chuyển làm nóng chảy một vùng trên vật liệu

sạch) Tạp chất sẽ được quét về phía cuối

- Khi K>1, chất tan tập trung ở phía trước thỏi

- Khi K<1, chất tan tập trung phía sau thỏi

K càng khác 1, khả năng tinh luyện càng

cao

6.2.2 Tinh luyện vùng một lần quét

Hình 6.3: vùng nóng chảy di chuyển qua thanh

1-pha rắn; 2-pha rắn chưa nóng chảy

Hình 6.4: Sự thay đổi nồng độ chất tan dọc

theo chiều dài thanh

6.2.2 Tinh luyện vùng một lần quét

thanh với tốc độ chậm X là chiều dài phần đã được nóng chảy và đông đặc (hình 6.3)

chảy đi qua thỏi, có thể làm tập trung chất tan

về phía cuối thỏi (hình 6.4)

đường cong có 3 vùng rõ rệt:

6.2.2 Tinh luyện vùng một lần quét

- Vùng đầu tiên bắt đầu với nồng độ chất tan là

vùng giữa

- Vùng giữa có nồng độ chất tan không đổi và

- Vùng cuối có chiều dài l (bằng bề rộng vùng

nóng chảy); vùng này tập trung chất tan

đến đầu sau thỏi, chất tan tập trung tại mặt

phân giới lỏng - rắn

6.2.2 Tinh luyện vùng một lần quét

nóng chảy, thì chỉ xảy ra sự khuếch tán: lượng chất tan đi vào và đi ra vùng nóng chảy là bằng

không xảy ra trừ đoạn đầu tiên

dịch chuyển vùng nóng chảy phải đủ bé và phải tăng cường khuấy trộn để làm giảm độ dày của lớp khuếch tán

(6.2)

K X l

C

= − −

6.2.2 Tinh luyện vùng một lần quét

ngoại trừ vùng cuối cùng bằng chiều dài vùng

nóng chảy

giữa nồng độ chất tan trong thanh theo khoảng cách (L= 10 l) khi tinh luyện 1 lần quét Các

đường cong ứng với K có giá trị từ 0,01 đến 5

luyện càng cao

Hình 6.5: Các đường cong biểu thị nồng độ

chất tan theo các giá trị K khác nhau

6.2.3 Tinh luyện vùng nhiều lần quét

thực hiện nhiều lần quét

tục tiết ra chất tan Cứ như vậy, tổng lượng chất tan tiết ra sẽ tăng lên

tinh luyện nhiều lần quét

luyện cao phải cần rất nhiều lần quét

Hình 6.8: Mối quan hệ của C/C0 theo chiều dài thanh

6.3.1 Tốc độ quét

phân tích lý thuyết và hiệu quả kinh tế

với ở trạng thái lỏng Trên thực tế, các nguyên

tử chất tan tiết ra phải đi vào vùng phân giới và tiếp tục di chuyển về pha lỏng nhờ khuếch tán, đối lưu, hoặc khuấy cơ học

quét) phải nhanh hơn tốc độ khuếch tán trong pha rắn và không được quá nhanh để ngăn

cản hiệu quả khuếch tán chất tan (cần loại bỏ) vào vùng nóng chảy

6.3.1 Tốc độ quét

tán ở trạng thái lỏng, chẳng hạn như khuấy

trộn, sẽ làm tăng hiệu quả của quá trình tinh luyện

nghiệm trên cơ sở lựa chọn bằng lý thuyết sao cho đạt hiệu quả cao nhất

chậm, đặc biệt đối với kim loại, và dao động

giữa 5 đến 150 mm/giờ

6.3.2 Bề rộng vùng nóng chảy

 Bề rộng vùng nóng chảy phụ thuộc vào các điều kiện

thực tế và các tính chất vật lý của vật liệu cần tinh

luyện

 Vùng nóng chảy với phân giới rõ nét giữa pha rắn

và pha lỏng sẽ tạo hiệu quả cao cho việc tinh luyện

 Vùng nóng chảy phụ thuộc vào mức độ có thể tập

trung nhiệt Đó là các yếu tố: nhiệt độ nóng chảy, ẩn nhiệt nóng chảy, nhiệt dung riêng, độ dẫn nhiệt …

của vật liệu cần tinh luyện

 Vật liệu có nhiệt độ nóng chảy c àng cao và có độ dẫn

nhiệt c àng kém th ì càng dễ tạo n ên vùng nóng chảy

6.3.3 Phương pháp cấp nhiệt

 Để đạt hiệu quả cao trong tinh luyện vùng phải:

- Tạo ra và duy trì vùng nóng chảy có nhiệt độ cao

hơn điểm nóng chảy của chất rắn

- Vùng nguội hai bên có nhiệt độ thấp hơn nhiệt nóng

chảy của vật liệu cần tinh luyện

- Chiều dài vùng nóng chảy và sự phân bố trường

nhiệt độ trong nó phải được giữ không đổi

- Việc di chuyển vùng nóng chảy liên quan đến việc di

chuyển cả nguồn nhiệt và vùng lỏng, tức là phải

cung cấp nhiệt nấu chảy tại mặt phân giới cần nấu chảy và phải loại bỏ nhiệt tại mặt phân giới cần

đông đặc

6.3.3 Phương pháp cấp nhiệt

nấu chảy vùng, từ đơn giản như nung bằng

điện trở đến phức tạp như nung bằng LASER

kim loại trong tinh luyện vùng là nung cảm ứng Phương pháp này chỉ áp dụng cho vật liệu dẫn điện nên thường được sử dụng trong tinh luyện vùng vật liệu kim loại

được điều khiển bởi tần số, thời gian, nhiệt mất mát do dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ nhiệt

6.3.3 Phương pháp cấp nhiệt

trong tinh luyện vùng:

nóng chảy

- Tăng cường sự khuếch tán nguyên tử chất tan

từ bề mặt phân giới rắn-lỏng đi vào vùng lỏng

- Dễ điều khiển nguồn nhiệt cung cấp

hầu hết đều sử dụng nguồn nhiệt cảm ứng

6.3.4 Bình chứa

luyện vùng phụ thuộc vào chất cần tinh luyện

có hoạt tính cao, việc này lại khó hơn

cần tinh luyện càng tốt

khí trong khe hở của bình và tạp chất trong vật liệu làm bình chứa