Зона плавления

(слева) Пфанн (слева) показывает трубу очистки первой зоны, Bell Labs, 1953 год.
(справа) Вертикальное зонное рафинирование, 1961 год. Змеевик индукционного нагрева плавит часть металлического прутка в трубе. Змеевик медленно движется вниз по трубке, перемещая расплавленную зону к концу стержня.

Кристаллизация
Основы
Кристалл Кристаллическая структура Нуклеация
Концепции
Кристаллизация Рост кристаллов Рекристаллизация Затравочный кристалл Протокристаллический Монокристалл
Методы и технология
Шары Метод Бриджмена – Стокбарджера Процесс Ван Аркеля – де Бура метод Чохральского Эпитаксия Флюсовый метод Фракционная кристаллизация Фракционное замораживание Гидротермальный синтез Метод Киропулоса Рост пьедестала с лазерным нагревом Микровытягивание вниз Процессы формирования при росте кристаллов Тигель черепа Метод Вернейля Зона плавления

Зонная плавка (или зонное рафинирование , или плавающе-зонный метод , или плавающе-зонная техника ) — группа подобных методов очистки кристаллов, при которых плавится узкая область кристалла, и эта расплавленная зона перемещается вдоль кристалла. Расплавленная область плавит нечистое твердое вещество на своем переднем крае и оставляет за собой след более чистого материала, затвердевшего по мере движения через слиток. Примеси концентрируются в расплаве и перемещаются к одному концу слитка. Зонную очистку изобрел Джон Десмонд Бернал. и далее развит Уильямом Г. Пфанном. в Bell Labs как метод подготовки материалов высокой чистоты, в основном полупроводников , для производства транзисторов . Его первое коммерческое использование было в германии , очищенном до одного атома примеси на десять миллиардов. но этот процесс можно распространить практически на любую систему растворенное вещество - растворитель, имеющую заметную разницу концентраций между твердой и жидкой фазами в равновесии. Этот процесс также известен как процесс с плавающей зоной, особенно при обработке полупроводниковых материалов.

Схема процесса вертикального зонного рафинирования, используемого для выращивания монокристаллического льда из изначально поликристаллического материала. Конвекция в расплаве является результатом максимума плотности воды при 4 °С.

Кристалл кремния в начале процесса роста

Выращивание кристаллов кремния

высокой чистоты ( 5N ) Монокристалл тантала , изготовленный методом плавающей зоны (цилиндрический объект в центре).

Детали процесса

Принцип состоит в том, что коэффициент сегрегации k (отношение примеси в равновесии в твердой фазе к примеси в жидкой фазе) обычно меньше единицы. Следовательно, на границе твердое тело/жидкость атомы примеси будут диффундировать в область жидкости. Таким образом, при очень медленном пропускании кристаллической були через тонкую секцию печи, так что в любой момент времени расплавляется только небольшая часть були, примеси будут сегрегироваться на конце кристалла. Из-за отсутствия примесей в оставшихся затвердевающих областях буля может вырасти как идеальный монокристалл, если затравочный кристалл в основание поместить , чтобы инициировать выбранное направление роста кристалла. Когда требуется высокая чистота, например, в полупроводниковой промышленности, нечистый конец були отрезается и очистка повторяется.

При зонном рафинировании растворенные вещества отделяются на одном конце слитка, чтобы очистить остаток или сконцентрировать примеси. Целью зонного выравнивания является равномерное распределение растворенного вещества по очищенному материалу, который можно найти в форме монокристалла . Например, при изготовлении транзистора или диода полупроводника слиток германия сначала очищают зонным рафинированием. Затем в зону расплава помещают небольшое количество сурьмы , которую пропускают через чистый германий. При правильном выборе скорости нагрева и других переменных сурьма может равномерно распределиться по германию. Этот метод также используется для подготовки кремния для использования в интегральных схемах («чипах»).

Обогреватели

Для зонной плавки можно использовать различные нагреватели, наиболее важной характеристикой которых является способность образовывать короткие зоны расплава, которые медленно и равномерно движутся по слитку. Распространенными методами являются индукционные катушки с кольцевой обмоткой , резистивные нагреватели или газовое пламя. Другой метод заключается в пропускании электрического тока непосредственно через слиток, пока он находится в магнитном поле , при этом результирующую магнитодвижущую силу тщательно устанавливают так, чтобы она была точно равна весу, чтобы удерживать жидкость во взвешенном состоянии. Оптические нагреватели с использованием мощных галогенных или ксеноновых ламп широко применяются в исследовательских установках, в частности для производства изоляторов, но их применение в промышленности ограничено относительно небольшой мощностью ламп, что ограничивает размеры кристаллов, получаемых этим методом. Зонная плавка может осуществляться в периодическом режиме или непрерывно, при этом свежий примесный материал постоянно добавляется с одного конца и более чистый материал удаляется с другого, причем примесный зональный расплав удаляется с любой скоростью, диктуемой примесью. исходного сырья.

В методах с плавающей зоной непрямого нагрева используется вольфрамовое кольцо с индукционным нагревом для радиационного нагрева слитка, и они полезны, когда слиток состоит из полупроводника с высоким удельным сопротивлением, для которого классический индукционный нагрев неэффективен.

Математическое выражение концентрации примесей

При перемещении жидкой зоны на расстояние $dx$, количество примесей в жидкости меняется. Примеси содержатся в плавящейся жидкости и замерзающем твердом веществе.

$k_{O}$: коэффициент сегрегации

$L$: длина зоны

$C_{O}$: начальная однородная концентрация примесей затвердевшего стержня

$C_{L}$: концентрация примесей в жидком расплаве по длине

$I$: количество примесей в жидкости

$I_{O}$: количество примесей в зоне, когда они впервые образовались внизу.

$C_{S}$: концентрация примесей в твердом стержне

Количество примесей в жидкости изменяется в соответствии с выражением ниже во время движения $dx$ расплавленной зоны

$dI=(C_{O}-k_{O}C_{L})\,dx\;$

$C_{L}=I/L\;$

$\int _{0}^{x}dx=\int _{I_{O}}^{I}{\frac {dI}{C_{O}-{\frac {k_{O}I}{L}}}}$

$I_{O}=C_{O}L\;$

$C_{S}=k_{O}I/L\;$

$C_{S}(x)=C_{O}\left(1-(1-k_{O})e^{-{\frac {k_{O}x}{L}}}\right)$

Приложения

Солнечные батареи

В солнечных элементах обработка в плавающей зоне особенно полезна, поскольку выращенный монокристаллический кремний обладает желаемыми свойствами. Срок службы объемных носителей заряда в кремнии с плавающей зоной является самым высоким среди различных производственных процессов. Время жизни носителей в плавающей зоне составляет около 1000 микросекунд по сравнению с 20–200 микросекундами для метода Чохральского и 1–30 микросекундами для литого поликристаллического кремния . Более длительный срок службы значительно увеличивает эффективность солнечных элементов .

Высокоомные устройства

Он используется для производства кремния с плавающей зоной . мощных полупроводниковых приборов на основе

Связанные процессы

Зонный переплав

Другой родственный процесс — зонная переплавка , при которой два растворенных вещества распределяются через чистый металл. Это важно при производстве полупроводников, где используются два растворенных вещества противоположного типа проводимости. Например, в германии пятивалентные элементы группы V, такие как сурьма и мышьяк, обеспечивают отрицательную (n-тип) проводимость, а трехвалентные элементы группы III, такие как алюминий и бор, создают положительную (p-тип) проводимость. Путем плавления части такого слитка и медленного его повторного замораживания растворенные вещества в расплавленной области распределяются с образованием желаемых np- и pn-переходов.

См. также

• Фракционное замораживание, или дистилляция замораживанием.
• Монокристаллический кремний
• Вафля (электроника)

Дальнейшее чтение

• Герман Шильдкнехт (1966), Зонное плавление , Вайнхайм: Verlag Chemie
• Мюллер, Г. (1988). Рост кристаллов из расплава . Кристаллы. Том. 12. Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. ISBN  978-3-642-73210-2 . Проверено 23 ноября 2023 г.