超纯金属

化学杂质和物理杂质含量极少的金属

超纯金属，指的化学杂质和物理杂质 (晶体缺陷) 含量极少的金属。主要以化学杂质的含量为标准，常以杂质在金属中总含量的百万分之几表示。

纯度表示

材料的纯度对其性能，特别是微电子学、光电子学性能影响很大，现代高技术产业要求制备出超纯金属以利于制作高性能器件。

例如过去高纯金属的杂质为ppm级（即百万分之几）,而超纯半导体材料的杂质达ppb级（十亿分之几），并将逐步发展到以ppt级（一万亿分之几）表示。

任何金属都不能达到绝对纯。“超纯”具有相对的含义，是指技术上达到的标准。

由于技术的发展，也常使 “超纯”的标准升级。“超纯”的相对名词是指“杂质”，广义的杂质是指化学杂质（元素）及“物理杂质”（晶体缺陷），后者是指位错及空位等，而化学杂质是指基体以外的原子以代位或填隙等形式掺入。

但只当金属纯度达到很高的标准时（如纯度9以上的金属），物理杂质的概念才是有意义的，因此工业生产的金属仍是以化学杂质的含量作为标准，即以金属中杂质总含量为百万分之几表示。

比较明确的办法有两种：一种是以材料的用途来表示，如“光谱纯”、“电子级纯”等；一种是以某种特征来表示，例如半导体材料用载流子浓度，即一立方厘米的基体元素中起导电作用的杂质个数（原子/厘米）来表示。而金属则可用残余电阻率（ρ4.2K/ρ300K）表示。

实际上纯度以几个“9”来表示（如杂质总含量为百万分之一，即称为6个“9”或“6”），是不完整概念，如电子器件用的超纯硅以金属杂质计算，其纯度相当于9个“9”，但如计入碳，则可能不到6个“9”。

制备方法

超纯金属的制备有化学提纯法如精馏（特别是金属氯化物的精馏及氢还原）、升华、溶剂萃取等和物理提纯法如区熔提纯等（见硅、锗、铝、镓、铟）。其中以区熔提纯或区熔提纯与其他方法相结合最有效。

由于容器与药剂中杂质的污染，使得到的金属纯度受到一定的限制，只有用化学方法将金属提纯到一定纯度之后，再用物理方法如区熔提纯，才能将金属纯度提到一个新的高度。可以用半导体材料锗及超纯金属铝为例说明典型的超纯金属制备及检测的原理（见区域熔炼）。

提纯金属时，杂质的分配系数对提纯金属有重大的关系，由于锗中大部分杂质的分配系数都小于1，所以锗的区熔提纯是十分有效的。半导体材料的纯度，也可用电阻率来表征。

区域提纯后的金属锗,其锭底表面上的电阻率为30～50欧姆厘米时，纯度相当于8～9，可以满足电子器件的要求。但对于杂质浓度小于[KG2]10原子/厘米[KG2]的探测器级超纯锗，则尚须经过特殊处理。

由于锗中有少数杂质如磷、砷、铝、镓、硅、硼的分配系数接近于1或大于1，要加强化学提纯方法除去这些杂质，然后再进行区熔提纯。电子级纯的区熔锗锭用霍尔效应测量杂质（载流子）浓度，一般可达10～10原子/厘米。经切头去尾，再利用多次拉晶和切割头尾，一直达到所要求的纯度（10原子/厘米），这样纯度的锗（相当于13）所作的探测器,其分辨率已接近于理论数值。

　超纯金属铝的制备与检测方法与锗不同。用三层电解法制备的精铝，其纯度为99.99%，金属铝中杂质的分配系数如表1 [金属铝中杂质的分配系数]。

精铝经过区熔提纯，只能达到5 的高纯铝，但如使用在有机物电解液中进行电解，可将铝提纯到99.9995%，并可除去有不利分配系数的杂质，然后进行区熔提纯数次，就能达到接近于 7 的纯度，杂质总含量<0.5ppm。这种超纯铝除用于制备化合物半导体材料外，还在低温下有高的导电性能，可用于低温电磁设备。制备化合物半导体的金属如镓、铟、砷、磷，可利用氯化物精馏氢还原、电解精炼、区熔及拉晶提纯等方法制备超纯金属，总金属杂质含量为 0.1～1ppm。其他金属如银、金、镉、汞、铂等也能达到≥6 的水平。

检测方法

超纯金属的检测方法极为困难。痕量元素的化学分析系指一克样品中含有微克级（10克/克）、毫微克级（10克/克）、微微克级（10克/克）杂质的确定。常用的手段有中子和带电粒子活化分析，原子吸收光谱分析，荧光分光光度分析，质谱分析，化学光谱分析及气体分析等。

在单晶体高纯材料中，晶体缺陷对材料性能起显著影响，称为物理杂质，主要依靠在晶体生长过程中控制单晶平稳均匀的生长来减少晶体缺陷。

方法分析

半导体中的电离杂质浓度可以通过霍尔系数测定，对于非本征半导体材料，在补偿度不大的情况下，只要知道迁移率的数据，就可通过电阻率的测量，决定杂质的浓度，其公式如下：

其中n为杂质浓度以原子/厘米的3次方表示，ρ为电阻率，单位为欧姆厘米，е为电子电荷，其值为库仑，μ为少数载流子迁移率。锗和硅的电阻率与杂质浓度的关系如图。

超纯金属铝中杂质，已低于化学分析和仪器分析灵敏度的限量，须用物理方法测定。

可用剩余电阻率（ρ4.2K/ρ300K）来测定铝的纯度，因为在4.2K下，点阵中原子振动所引起的电阻率可以忽略，这样测出的电阻率就是杂质引起的电阻率。

各种纯度铝中的杂质含量及剩余电阻率如表2所示。

超纯金属超纯镓的纯度也可以用剩余电阻率来测定，其值约为2×10-5。

现代科学技术的发展趋势是对金属纯度要求越来越高。

因为金属未能达到一定纯度的情况下，金属特性往往为杂质所掩盖。不仅是半导体材料，其他金属也有同样的情况，由于杂质存在影响金属的性能。