JPH0798980B2 - 蒸留精製方法 - Google Patents

蒸留精製方法

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JPH0798980B2
JPH0798980B2 JP62264013A JP26401387A JPH0798980B2 JP H0798980 B2 JPH0798980 B2 JP H0798980B2 JP 62264013 A JP62264013 A JP 62264013A JP 26401387 A JP26401387 A JP 26401387A JP H0798980 B2 JPH0798980 B2 JP H0798980B2
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metal
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    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00Technologies related to metal processing
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は比較的融点が低く且つ蒸気圧が高い金属の蒸留
精製方法に関するものであり、特にはSe、Cd、Zn、Te、
Sb、Pb等の金属を筒状の水平容器内で大気圧以上の圧力
においてキャリアガスを流通させながら蒸発及び凝縮を
行わせる蒸留精製方法に関する。本発明はAnSe、ZnTe、
CdTe等に代表されるII-VI族化合物半導体、III−V族化
合物半導体等の化合物半導体を合成するための原料とし
て供される高純度金属の製造に有用である。
従来技術とその問題点 近年、化合物半導体を合成するための原料として供され
る金属の純度に対する要求は益々高くなっている。化合
物半導体を構成する元素としては、比較的融点が低くし
かも蒸気圧の高い金属が多く、その例はSe、Cd、Zn、T
e、Sb、Pb等である。こうした金属の高純化要求を満す
ため従来から幾つかの精製方法が実施されてきたが、中
でも蒸留法はきわめて有効な手段である。
金属の蒸気圧は融点近傍ではさほど高くない場合が多い
ため、従来、蒸留を効率良く行わしめるために減圧下で
高温に加熱する減圧蒸留法が採用されてきた。
第2及び3図は、こうした従来装置の例を示す。第2図
は、カドミウム、亜鉛等の減圧(真空)蒸留装置を示
す。石英るつぼ21の底端の蒸発部23に原料が装入され
る。石英るつぼ21は、石英炉芯管25に収納されている。
石英炉芯管25及びるつぼ21は、蒸発部において加熱炉27
内に配置される。石英炉芯管の上端は真空排気口29とし
て真空ポンプに接続されている。加熱炉27の上方には、
蒸発成分を凝縮せしめる為の水冷装置28が石英炉芯管を
取巻いて設けられ、凝縮部22を構成する。
第3図は横型のテルル減圧(真空)精留装置を示す。容
器31の炉壁32内部が蒸発部33を構成する。グラファイト
ボート30内に原料テルルが装入される。炉壁外部に突出
する容器31の外端は真空排気口35において真空ポンプに
接続される。容器31の外端部は水冷装置36により水冷さ
れる。炉壁の外側に凝縮部34が構成され、そこには例え
ばステンレス製の凝縮用容器37が挿入されており、その
内部に凝縮テルルが付着する。
しかしながら、こうした減圧(真空)蒸留法には、次の
ような幾つかの重大な欠点が存在する。
(1) 半導体等の高純度用途に供される金属において
は、微量の酸化物の含有も回避せねばならない。その
為、減圧蒸留を行う場合、高真空が得られる高価な設備
を必要とし、製造コストがきわめて高くなる。
(2) 高温の蒸発部から発生した蒸発気体金属成分は
低温の真空排気側へ迅やかに移動するため、蒸発金属成
分を高収率で回収するには、蒸発部と真空排気口との間
に冷却トラップを設けるか或いは邪魔板を設ける等の工
夫を要する。
(3) しかも、こうした工夫を施した場合でも、蒸発
金属は真空排気口側に逃げるため、回収率が非常に悪
い。
(4) 回収された金属の一部或いは大半は表面積が大
きな粒状或いは粉状で凝縮部に堆積するため、蒸留過程
或いは蒸留終了後大気に開放した際に酸化が生じ易い。
(5) 表面積の小さな一定形状のインゴット状にする
ためには、再度、凝縮物のみを加熱・融解する必要があ
る。
上記第3図のテルル蒸留装置を例にとると、排気口は高
価な真空設備に接続され、高温の蒸発部から蒸発した高
純度テルル気体は外部から冷却された凝縮用容器内に捕
集されそして凝縮されるが、一部は凝縮用容器外に逃げ
るので、回収率が悪い。凝縮テルルは、粒状で表面が若
干酸化される上に、蒸留終了後改めて容器のみを別の装
置内で加熱して凝縮テルルを融解しない限りインゴット
状の高純度テルルは得られない。
上記した如く、従来からの金属減圧蒸留方法において
は、高真空を得られる設備を必要とする上に、蒸発成分
の効率での回収が困難なこと、酸化が生じやすいこと、
インゴットを直接生成しえないこと等の問題が存在し
た。
発明の目的 本発明は、かかる技術的問題を解決することを目的とす
るもので、特にSe、Cd、Zn、Te、Sb、Pb等の比較的融点
が低くしかも蒸気圧が高い金属を安価な設備で蒸留し、
精製された金属を酸化され難いインゴット状として高率
で回収する方法を開発せんとするものである。
発明の概要 上記目的の実現に向け、本発明者等は従来からの減圧蒸
留の概念を放棄し、新たな蒸留技術の確立に取組んだ結
果、キャリアガスを使用して大気圧以上の圧力下での蒸
留技術の開発に成功した。蒸発速度を高めるには、原料
の表面直上に存在して蒸発速度を律すると考えられる拡
散層の厚さを小さくすることが必要であり、このために
キャリアガスを蒸発部に吹込むと同時に、このキャリア
ガスを蒸発成分の強制移送手段として活用することを想
到した。キャリアガスにより蒸発成分をガス流下手側に
移送し、この部分に凝縮させることにより、蒸発成分が
他の部分に拡散して回収率が低下するのを防止すること
ができる。蒸留を大気圧以上の圧力で行うことによっ
て、容器内で生じた蒸発成分が再凝縮する温度を高める
ことが出来、蒸発成分を表面積の小さい液体状で凝縮さ
せ、所望の蒸留率に達した後にそのまま冷却することに
よりほとんど酸化のないインゴットの直接回収が可能と
なる。
こうした知見の下で、本発明は、蒸発部と凝縮部とを具
備しそして該蒸発部に金属原料を装入した。筒状容器を
該蒸発部と凝縮部とに対応する温度分布を有する加熱炉
に挿入し、大気圧以上の圧力下において、キャリアガス
を該蒸発部から凝縮部に向う方向に流通させながら該蒸
発部における金属原料を加熱し、蒸発した金属成分をキ
ャリアガスにより前記凝縮部に移送しそして該凝縮部に
おいて蒸発金属成分を凝縮せしめることを特徴とする蒸
留精製方法を提供する。容器としては、上下2分割式の
横型筒状容器であり、該容器の下側部分の内面に蒸発部
と凝縮部とを文画する少くとも一か所以上の仕切りを有
し、そして容器の蒸発部側の一端にキャリアガスの導入
口をそして他端にキャリアガス排出口を備える構造のも
のが好ましい。容器を同一材質の管材に装通し、そして
管材ごと加熱炉に挿入することも効果的である。
発明の具体的説明 第1図を参照して、本発明について説明する。本発明が
対象とする金属は、Se、Cd、Zn、Te、Sb、Pb等の比較的
融点が低くしかも蒸気圧が高い金属であり、これらを5N
-6Nの超高純度に蒸留精製せんとするものである。
原料を納める容器は、蒸発部と凝集部とを具備する筒状
容器であれば、任意の型式のものが使用できるが、上下
2分割式の横型筒状容器とし、下側部分に蒸発部と凝縮
部とを分画する仕切りを有する構造のものが好ましい。
原料を収納するトレイを単に置いて蒸発部を構成しても
よい。凝縮部を複数の区画に仕切ってもよい。容器の材
質は、対象とする金属と溶解反応せずしかも濡れ性の悪
い材料を選択することにより、精製効果が向上し、凝縮
した精製金属及び蒸留残渣の回収が容易となる。一般
に、高純度の黒鉛、石英、窒化ホウ素等のセラミクスそ
の他を用いることが出来る。
第1図において、筒状の容器1は、仕切り3によって蒸
発部5と凝縮部7とに分画される。蒸発部5には原料R
が装入される。容器1の蒸発部側の端には、水素、不活
性ガス等のキャリアガスを容器内に導入するためのガス
導入管9を挿込む為の口11が設けられる。容器の凝縮部
側の端にはキャリアガス排出口13が設けられる。
容器1は、加熱炉内に、ここでは炉芯管15内に挿入され
る。炉芯管15内の温度分布は蒸発部と凝縮部とに対応し
て適正な温度分布が設定される。温度分布は、精製され
る金属に応じて選定され、例えば蒸発部を融点+90〜11
0℃(例えば100℃)にそして凝縮部を融点+5〜15℃
(例えば+10℃)と設定するとよい。
キャリアガス導入口からキャリアガスを大気圧以上の圧
力で流通すると同時に炉芯管内の温度分布を所定に設定
することにより、蒸発部にて発生する蒸発成分は蒸発部
から凝縮部へと移送される。蒸発部を流れるキャリアガ
スは、原料溶融面直上の拡散層を払掃し、蒸発速度を高
める。こうして、次々と発生する金属成分は、凝縮部に
移送され、ここで液体状態で凝縮捕集せしめられる。雰
囲気が大気圧以上にあるため、蒸発成分は液体状で凝縮
部の底面に貯まる。
所望の蒸留率、(原料挿入重量−残渣重量)/原料装入
重量×100(%)に達したとき、凝縮部はそのまま冷却
され、直接インゴット状で回収される。
第1図において、容器1は、それと同一の材質から成る
管材17内に装通されている。こうすることにより、蒸留
中にごく僅かながら容器外に漏出した蒸発物はすべてこ
の管材の内面に捕集されるため、精製物の回収率が更に
向上すると共に、炉芯管内面への蒸発物の付着を皆無と
することが可能である。
キャリアガスとしては不活性ガス或いは水素ガスが用い
られるが、特に操業温度で水素化物を生成しない金属を
扱う場合には高純度水素ガスの使用が精製金属水の酸素
含有量を低減するために有効である。
容器内圧力は、ガス排出口を出た後、液中バブリングせ
しめることにより大気圧〜大気圧+数10mmH2O程度に維
持される。
こうして、凝縮部において粒状ではなくインゴット状の
高純度に蒸留された精製金属が得られる。
実施例1 第1図に示した装置を用いて、99.998%純度の金属Cdの
蒸留精製を行った。容器は、上下2分割式の高純度黒鉛
製容器とし、その寸法は内寸70mmφ×900mmLとした。容
器の長さのうち300mmを蒸留部としそして残り600mmを凝
縮部として仕切った。
蒸発部に原料Cdインゴットを2kg装入した後上蓋をセッ
トし、高純度黒鉛製の管材(内寸85mmφX1,100mmL)に
装通した状態で炉芯管内に挿入した。
炉芯管内を一旦真空引きした後、高純度水素ガスを大気
圧で2l/分流通せしめながら、蒸発部を750℃そして凝縮
部を350℃に加熱した。
その結果、蒸留率は3時間で80%に達し、そこで冷却を
行った。冷却後、原料の98%(1560g)は凝縮部から金
属光沢をしたインゴット状で回収され、残量(40g)は
管材の内面に付着したが、容易に回収された。第1表に
精製Cdの分析値を原料Cdのそれと併せて示す。また、残
留抵抗値比(273K中の電気抵抗値/4.2Kの電気抵抗値を
云い、純度の指標として用いられる)及び収率をも同表
に示した。
比較例 比較例として第2図に示した減圧蒸留装置を用いて実施
例1と同じ99.998%純度の金属Cdを減圧蒸留した。石英
製ルツボの寸法は内寸60mmφ×90mmLであった。2Kgの原
料Cdをルツボ底に装入し、真空排気しながらルツボ下部
を400℃に加熱し、ルツボ上部を水冷した。
その結果、蒸留率は2時間で80%に達したが、蒸発Cdの
うち80%(1280g)はルツボ内の低温部600mmにわたって
粒状に堆積し、残量はルツボ外の炉芯管低温部に粉状に
付着し、これらの表面は完全な金属光沢を呈さなかっ
た。また、これらの堆積物を回収するために別途、ルツ
ボを逆さにした状態で堆積物を加熱融解し鋳型に鋳造す
る必要があった。
結果を第1表に示す。
本発明による方法は精製Cdの回収方法に優れる他、残留
抵抗値からみた精製効果にも優れている。
実施例2 実施例1と同じ装置を用いて亜鉛の蒸留精製を行った。
蒸発部の温度を850℃そして凝縮部を450℃と設定した以
外は同条件を使用した。98%の収率で亜鉛が回収でき
た。原料及び精製亜鉛の純度を示す。
発明の効果 本発明によれば、従来一般に金属材料を精製するために
実施されている減圧蒸留法に比べ、安価な設備で高い回
収率でしかも回収が容易な形状で蒸発精製物を凝縮させ
ることができるばかりでなく、酸化物をほとんど含まな
い純金属が得られるため、特に電子材料用金属の精製手
段として極めて有効であり、経済的にも寄与する度合い
が大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明方法を実施する装置例及びその炉温分布
を示し、そして第2および3図は従来装置例を示す。 1:筒状容器 3:仕切り 5:蒸発部 7:凝縮部 9:キャリアガス導入管 11:キャリアガス導入口 13:排出口 15:炉芯管 17:管材

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】蒸発部と凝縮部とを具備しそして該蒸発部
    に金属原料を装入した筒状容器を該蒸発部と凝縮部とに
    対応する温度分布を有する加熱炉に挿入し、大気圧以上
    の圧力下において、キャリアガスを該蒸発部から凝縮部
    に向う方向に流通させながら該蒸発部における金属原料
    を加熱し、蒸発した金属成分をキャリアガスにより前記
    凝縮部に移送しそして該凝縮部において蒸発金属成分を
    凝縮せしめることを特徴とする蒸留精製方法。
  2. 【請求項2】容器が上下2分割式の模型筒状容器であ
    り、該容器の下側部分の内面に蒸発部と凝縮部とを分画
    する少くとも一ケ所以上の仕切りを有し、そして容器の
    蒸発部側の一端にキャリアガスの導入口をそして他端に
    キャリアガス排出口を備える構造のものである特許請求
    の範囲第1項記載の方法。
  3. 【請求項3】容器を同一材質の管材に装通し、そして該
    管材ごと加熱炉に挿入する特許請求の範囲第1項記載の
    方法。
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