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. Зонное очищение было изобретено Джоном Десмондом Берналом [1] и далее развито Уильямом Г. Пфанном [2] в Bell Labs как метод подготовки материалов высокой чистоты, главным образом полупроводников , для производства транзисторов . Его первое коммерческое использование было в германии , очищенном до одного атома примеси на десять миллиардов, [3] но этот процесс может быть распространен практически на любую систему растворенное вещество - растворитель , имеющую значительную разницу концентраций между твердой и жидкой фазами в равновесии. [4] Этот процесс также известен как процесс с плавающей зоной, особенно при обработке полупроводниковых материалов.
Принцип заключается в том, что коэффициент сегрегации k (отношение примеси 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 пропускании кристаллической були через тонкую секцию печи очень медленно, 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 в основание поместить затравочный кристалл , чтобы инициировать выбранное направление роста кристалла. Когда требуется высокая чистота, например, в полупроводниковой промышленности, нечистый конец були отрезается и очистка повторяется. [ нужна цитата ]
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»). [ нужна цитата ]
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 , резистивные нагреватели с кольцевой обмоткой 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 на мощных галогенных или ксеноновых лампах 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. [ нужна цитата ]
В методах с плавающей зоной косвенного 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. [ нужна цитата ]
При перемещении зоны жидкости на расстояние количество примесей в жидкости меняется. Примеси содержатся в плавящейся жидкости и замерзающем твердом веществе. [5] [ нужны разъяснения ]
Количество примесей в жидкости изменяется в соответствии с нижеприведенным выражением при движении расплавленной зоны
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 . [ нужна цитата ]
Он используется для производства мощных полупроводниковых приборов на основе кремния с плавающей зоной . [6] : 364
Другой родственный процесс — зонная переплавка , при которой два растворенных вещества распределяются по чистому металлу. 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. [ нужна цитата ]
