Зонная плавка (или зонная очистка , или метод плавающей зоны , или метод плавающей зоны ) представляет собой группу схожих методов очистки кристаллов, в которых расплавляется узкая область кристалла, и эта расплавленная зона перемещается вдоль кристалла. Расплавленная область плавит нечистое твердое вещество на своем переднем крае и оставляет след более чистого материала, затвердевшего позади нее по мере ее перемещения через слиток. Примеси концентрируются в расплаве и перемещаются к одному концу слитка. Зонная очистка была изобретена Джоном Десмондом Берналом [1] и далее развита Уильямом Г. Пфанном [2] в Bell Labs как метод подготовки высокочистых материалов, в основном полупроводников , для производства транзисторов . Его первое коммерческое использование было в германии , очищенном до одного атома примеси на десять миллиардов, [3], но процесс может быть распространен практически на любую систему растворенное вещество – растворитель , имеющую заметную разницу концентраций между твердой и жидкой фазами в равновесии. [4] Этот процесс также известен как процесс плавления в зоне плавления, особенно в обработке полупроводниковых материалов.
Принцип заключается в том, что коэффициент сегрегации k (соотношение примеси в твердой фазе к примеси в жидкой фазе в состоянии равновесия) обычно меньше единицы. Поэтому на границе твердое тело/жидкость атомы примеси будут диффундировать в жидкую область. Таким образом, пропуская кристаллическую булю через тонкую секцию печи очень медленно, так что только небольшая область були расплавляется в любой момент времени, примеси будут сегрегироваться на конце кристалла. Из-за отсутствия примесей в оставшихся областях, которые затвердевают, буля может расти как идеальный монокристалл, если затравочный кристалл поместить в основание, чтобы инициировать выбранное направление роста кристалла. Когда требуется высокая чистота, например, в полупроводниковой промышленности, загрязненный конец були отрезают, и очистка повторяется. [ необходима цитата ]
При зонной очистке растворенные вещества разделяются на одном конце слитка, чтобы очистить остаток или сконцентрировать примеси. При зонной очистке цель состоит в том, чтобы равномерно распределить растворенное вещество по очищенному материалу, который может быть получен в виде монокристалла . Например, при изготовлении транзистора или полупроводника диода слиток германия сначала очищается зонной очисткой. Затем небольшое количество сурьмы помещается в расплавленную зону, которая проходит через чистый германий. При правильном выборе скорости нагрева и других переменных сурьму можно равномерно распределить по германию. Этот метод также используется для приготовления кремния для использования в интегральных схемах («чипах»). [ необходима цитата ]
Для зонной плавки можно использовать различные нагреватели, наиболее важной характеристикой которых является способность образовывать короткие расплавленные зоны, которые медленно и равномерно перемещаются по слитку. Распространенными методами являются индукционные катушки , кольцевые резистивные нагреватели или газовое пламя. Другой метод заключается в пропускании электрического тока непосредственно через слиток, пока он находится в магнитном поле , при этом результирующая магнитодвижущая сила тщательно устанавливается так, чтобы быть как раз равной весу, чтобы удерживать жидкость во взвешенном состоянии. Оптические нагреватели, использующие высокомощные галогенные или ксеноновые лампы, широко используются в исследовательских учреждениях, особенно для производства изоляторов, но их использование в промышленности ограничено относительно низкой мощностью ламп, что ограничивает размер кристаллов, получаемых этим методом. Зонная плавка может выполняться как периодический процесс или может выполняться непрерывно, при этом свежий загрязненный материал непрерывно добавляется с одного конца, а более чистый материал удаляется с другого, при этом загрязненный расплав зоны удаляется с любой скоростью, определяемой примесью исходного сырья. [ необходима цитата ]
Методы плавающей зоны с косвенным нагревом используют индукционно-нагреваемое вольфрамовое кольцо для нагрева слитка излучением и полезны, когда слиток представляет собой полупроводник с высоким удельным сопротивлением, для которого классический индукционный нагрев неэффективен. [ необходима ссылка ]
При перемещении жидкой зоны на расстояние количество примесей в жидкости изменяется. Примеси включаются в расплавленную жидкость и замерзающее твердое тело. [5] [ необходимо разъяснение ]
Количество примесей в жидкости изменяется в соответствии с приведенным ниже выражением при движении расплавленной зоны
В солнечных элементах обработка плавающей зоны особенно полезна, поскольку выращенный монокристаллический кремний обладает желаемыми свойствами. Продолжительность жизни носителей заряда в объемном кремнии с плавающей зоной является самой высокой среди различных производственных процессов. Продолжительность жизни носителей заряда в плавающей зоне составляет около 1000 микросекунд по сравнению с 20–200 микросекундами в методе Чохральского и 1–30 микросекундами в литом поликристаллическом кремнии . Более продолжительная продолжительность жизни в объеме значительно повышает эффективность солнечных элементов . [ требуется цитата ]
Используется для производства кремниевых полупроводниковых приборов большой мощности с плавающей зоной . [6] : 364
Другим родственным процессом является зонная переплавка , в 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, производят отрицательную (n-типа) проводимость, а трехвалентные элементы группы III, такие как алюминий и бор, производят положительную (p-типа) проводимость. При расплавлении части такого слитка и медленном его повторном замораживании растворенные вещества в расплавленной области распределяются, образуя желаемые np- и pn-переходы. [ необходима цитата ]
