Глубокая очистка теллура: усовершенствование оборудования и технологии с применением моделирования технологического процесса

В работе представлены результаты моделирования процесса глубокой очистки теллура, основанного на использовании разработанного авторами способа рафинирования и выполненного на базе анализа термодинамического состояния технологического узла с применением программного продукта SolidWorks программы Flow Simulation. Способ осуществляется в устройстве с вертикальным герметичным реактором, размещённым внутри многозонного термического блока, и основан на комбинировании в едином технологическом процессе последовательно выполняемых этапов: фильтрации расплава теллура с одновременной его вакуумной дегазацией и дополнительной очисткой контактом со слоем оксида очищаемого элемента; первичной дистилляции; дегазации расплава с удалением легколетучих примесей в конденсатор в условиях низкого вакуума; повторной дистилляции в условиях динамического вакуума: разливкой на необходимые заказчику навески и их последующую кристаллизацию. В основу проведения расчётов положены экспериментальные материалы, позволившие установить граничные условия математической модели, применяя предыдущий опыт работ с программным продуктом. При вычислении профилей температуры  учитывали все виды теплопереноса в системе, массо-габаритные характеристики элементов системы и физико-химические свойства очищаемого теллура, материалов оснастки и среды в реакторе. Граничными условиями при проведении тепловых расчётов выбраны температурные режимы проведения этапов технологического процесса с фиксированными температурами в локальных точках оснастки, в которых устанавливались датчики температуры, соединённые с ПИД-регуляторами. В процессе моделирования технологических особенностей способа оптимизированы и скорректированы режимы процесса и конструктивные элементы оснастки аппаратуры. Авторами разработана и изготовлена опытные модели технологической и имитационной оснастки, измерение тепловых полей по которой показал хорошую корреляцию с математической моделью. Проведённая на основе моделирования модернизация оборудования и корректировка параметров процесса позволили провести физические эксперименты по очистке теллура марки Т-у до чистоты 99,99992 мас. % по 30 основным примесям с выходом готового продукта не менее 60%.

1. Ажажа В.М., Вьюгов П.Н., Ковтун Г.П., Неклюдов И.М. Получение и применение некоторых высокочистых редких металлов. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники. 2004; (6(14)): 3—6. http://dspace.nbuv.gov.ua/bitstream/handle/123456789/81248/01-Azhazha.pdf

2. Ковтун Г.П., Кондрик А.И. Исследование свойств полупроводниковых материалов для детекторов ионизирующих излучений. Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2003; (6): 3—6. http://dspace.nbuv.gov.ua/bitstream/handle/123456789/70708/01-Condrik.pdf

3. Кондрик А.И., Ковтун Г.П. Влияние примесей и структурных дефектов на электрофизические и детекторные свойства CT и CZT. Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2019; (5-6): 43—50. https://doi.org/10.15222/TKEA2019.5-6.43

4. Щербань А.П., Ковтун Г.П. Получение кадмия высокой чистоты для микроэлектроники. Вестник Харьковского национального университета имени В.Н. Каразина. Серия физическая «Ядра, частицы, поля». 2004; (642(3(25))): 27—34. http://nuclear.univer.kharkov.ua/lib/642_3(25)_04_p27-34.pdf

5. Грибов Б.Г. Критически важные материалы электронной техники. В кн.: Высокочистые вещества и материалы. Получение, анализ, применение. Тезисы докл. XII конф. Нижний Новгород, 31 мая – 3 июня 2004 г. Нижний Новгород: Издатель Ю.А. Николаев; 2004: 4—6.

6. Ковтун Г.П., Кравченко А.И., Щербань А.П. Получение высокочистых галлия, цинка, кадмия и теллура для микроэлектроники. Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2001; (3): 6—8.

7. Ажажа В.М., Ковтун Г.П., Неклюдов И.М. Комплексный подход к получению высокочистых материалов для электроники. Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2002; (6): 3—6.

8. Высокочистые вещества / Под ред. М.Ф. Чурбанова, Ю.А. Карпова, П.В. Зломанова, В.А. Федорова. М.: Научный мир; 2018: 994 с. https://www.elibrary.ru/fjftev

9. Наумов А.В., Кульчицкий Н.А. Состояние рынков кадмия, теллура и соединений на их основе. Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. 2010; (6): 58—65. https://www.elibrary.ru/nbhycr

10. Козин Л.Ф., Бережной Е.О., Козин К.Л. Закономерности глубокой очистки кадмия методом дистилляции. Высокочистые вещества. 1996; (5): 11—29.

11. Калашник О.Н., Нисельсон Н.А. Очистка простых веществ дистилляцией с гидротермальным окислением примесей. Высокочистые вещества. 1987; (2): 74—78.

12. Щербань А.П., Ковтун Г.П., Горбенко Ю.В., Солопихин Д.А., Вирич В.Д., Пироженко Л.А. Получение высокочистых гранулированных металлов: кадмия, цинка, свинца. Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2017; (1-2): 55—60. https://doi.org/10.15222/ TKEA2017.1-2.55

13. Патент (РФ) № 2687403, МПК C01B 19/02, C22B 9/04. Гришечкин М.Б., Хомяков А.В., Можевитова Е.Н., Аветисов И.Х. Способ получения высокочистого теллура методом дистилляции с пониженным содержанием селена. Заявл. 08.10.2018, опубл.: 13.05.2019. https://yandex.ru/patents/doc/RU2687403C1_20190513

14. Гришечкин М.Б. Применение газофазных технологий для глубокой очистки веществ на основе редких элементов: Дис. … канд. хим. наук. М.: ФГБОУ ВО Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева; 2021. 256 с. http://www.irea.org.ru/education/dissertation-council/Диссертация_Гришечкин_ФИН.pdf

15. Александров Б.Н., Дьяков И.Г. Очистка технического кадмия методом вакуумной дистилляции с применением подогреваемого конденсатора. Физика металлов и металловедение. 1962; 14(4): 569—573.

16. Аветисов И.Х., Гришечкин М.Б., Можевитина Е.Н., Хомяков А.В., Зыкова М.П., Аветисов Р.И. Глубокая очистка теллура для производства материалов электронной техники. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2016; 19(4): 235—240. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2016-4-235-240

17. Potolokov N.A., Fedorov V.A. Ultrapurification of tellurium and cadmium by distillation and crystallization. Inorganic Materials. 2012; 48(11): 1082—1087. https://doi.org/10.1134/S0020168512110106

18. Пфанн В. Зонная плавка / пер с англ. М.: Металлуриздат; 1960. 272 с.

19. Александров Б.Н., Веркин Б.И. Очистка электролитически чистого кадмия методами зонной перекристаллизации и вакуумной дистилляции. Физика металлов и металловедение. 1960; 9(3): 362—365.

20. Щербань А.П., Ковтун Г.П., Даценко О.А. Классификация поведения примесей в цинке, кадмии и теллуре при кристаллизационной очистке. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники. 2004; (6(14)): 16—20. http://dspace.nbuv.gov.ua/bitstream/handle/123456789/81250/03-Kovtun.pdf?sequence=1

21. Патент (РФ) № 2777064. МПК C01B 19/02, C22B 9/04. Давыдова Е.В., Егоров М.А., Марончук И.И., Саникович Д.Д. Способ глубокой очистки металлов. Заявл.: 17.06.2021; опубл.: 22.07.2022. https://patentimages.storage.googleapis.com/2e/e4/28/125c8a932942fa/RU2776574C1.pdf

22. Патент (РФ) 2777064 № 277064. МПК C01B 19/02, C22B 9/04, C22B 9/02. Давыдова Е.В., Егоров М.А., Марончук И.И., Саникович Д.Д. Устройство для глубокой очистки металлов. Заявл.: 17.06.2021; опубл.:01.08.2022. https://patentimages.storage.googleapis.com/87/58/10/12c6a34b7e8f24/RU2777064C1.pdf

23. Абрютин В.Н., Давыдова Е.В., Егоров М.А., Марончук И.И., Саникович Д.Д. Глубокая очистка теллура, цинка и кадмия для применения в электронике. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2022; 25(2): 164—174. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2022-2-164-174

24. Maronchuk I.I., Sanikovich D.D., Potapkov P.V., Vel′chenko A.A. Improvement of the processes of liquid-phase epitaxial growth of nanoheteroepitaxial structures. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2018; 91(2): 491—497. https://doi.org/10.1007/s10891-018-1769-0

25. Maronchuk I.I., Sanikovitch D.D., Cherkashin A.S., Nitchev H., Dimova-Malinovska D. Improving the growth of Ge quantum dots by liquid-phase epitaxy. Journal of Physics: Conference Series. 2017; (794): 012012. https://doi.org/10.1088/1742-6596/794/1/012012

26. Zazvorka J., Hlidek P., Franc J., Pekarek J., Grill R. Photoluminescence study of surface treatment effects on detector-grade CT. In: Semiconductor Science and Technology. 2016; 31(2): 250—258. https://doi.org/10.1088/0268-1242/31/2/025014

27. Zázvorka J. Doctoral thesis, photoconductivity, photoluminescence and charge collection in semiinsulating CT and CZT. Prague: Institute of Physics of Charles University; 2016. 49 p. https://dspace.cuni.cz/handle/20.500.11956/82430