真空升华提纯粗砷工艺研究

邹琳 李辉 修振东 张晛 于丕永 曲兴启

摘要： 从热力学和分离系数角度对真空升华提纯粗砷进行了理论分析，并进行了真空升华工艺试验和试生产。经过大量试验探索表明：粗砷经过一次真空升华处理，锑、铋、硒3种杂质元素较难去除，其中杂质锑元素含量最高;在较低的粗砷真空升华温度条件下，锑的去除效果相对较好，去除率最高可达82.7 %。

关键词： 真空升华;粗砷;提纯;砷;锑

 中图分类号：TF13           文章编号：1001-1277（2021）09-0095-04

文献标志码：A doi：10.11792/hj20210918

   引 言

根据调查，目前市场客户使用的高纯砷主要为纯度99.999 9 %～99.999 99 %的砷，其可用于制备砷化镓等Ⅲ—V族化合物半导体单晶材料，砷化镓材料是继硅之后第二代化合物半导体材料中最重要、用途最广泛的材料之一。砷化镓与硅相比，禁带宽度提升27.2 %，饱和速率是硅的2.1倍，电子迁移速率更是硅的6.3倍[1]，其广泛应用于航空航天、5G通信、大规模集成电路、高性能芯片、太阳能光伏、激光等尖端领域[2-5]。2015年有报道， 国内流通的高纯砷有160 t，而当年国内高纯砷的需求量已经超过300 t。 目前，99.999 99 %高纯砷国内售价120万元/t左右，国际售价180万元/t左右，高纯砷制备产业正处于高速发展阶段。

气相-氯化还原法是制备高纯砷的主流工艺，以98.0 %～99.5 %的粗砷为原料，工艺流程为原料真空升华—氯化—脱氯—精馏—氢气还原[2]。作为该工艺流程的首道工序，真空升华发挥着重要作用。本文旨在通过理论分析及试验研究，探索真空升华除杂效果。

1 真空升华基本原理

1.1 热力学分析

纯物质的饱和蒸气压计算公式[6-7]为：