Зонная плавка - Zone melting

Кристаллизация
Процесс-кристаллизации-200px.png
Основы
Кристалл  · Кристаллическая структура  · Зарождение
Концепции
Кристаллизация  · Рост кристаллов
Перекристаллизация  · Затравочный кристалл
Протокристаллический  · Монокристалл
Методы и технологии
Кряж
Бриджмен-Стокбаргер метод
иодидного метод
Чохральский Метод
эпитаксия  · Флюс метод
фракционная кристаллизация
Фракционного замораживание
гидротермального синтеза
Киропулос метод
лазерного нагретого роста пьедестала
Микро-тягового вниз
Shaping процессов роста кристаллов в
Черепе Тигель
Верной метод
зонных плавках
(слева) Pfann, слева, показывает трубу для очистки первой зоны, Bell Labs, 1953 г.
(справа) Очистка с вертикальной зоной, 1961 г. Змеевик индукционного нагрева плавит часть металлического стержня в трубе. Змеевик медленно движется по трубе, перемещая зону расплава к концу стержня.

Зонная плавка (или зонная очистка , или метод плавающей зоны , или метод плавающей зоны ) - это группа аналогичных методов очистки кристаллов, в которых расплавляется узкая область кристалла, и эта зона расплава перемещается вдоль кристалла. Расплавленная область плавит нечистое твердое вещество на своем переднем крае и оставляет за собой затвердевший след из более чистого материала, когда он движется через слиток. Примеси концентрируются в расплаве и перемещаются к одному концу слитка. Зонное измельчение было изобретено Джоном Десмондом Берналом и в дальнейшем развито Уильямом Гарднером 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 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 измельчения в вертикальной зоне, используемого для выращивания монокристаллического льда из изначально поликристаллического материала. Конвекция в расплаве является результатом максимальной плотности воды при 4 ° C.
Кристалл кремния в начале процесса роста
Растущий кристалл кремния
Монокристалл тантала высокой чистоты ( 5N ) , полученный методом плавающей зоны (цилиндрический объект в центре)

Детали процесса

Принцип состоит в том, что коэффициент сегрегации k (отношение примеси в твердой фазе к таковой в жидкой фазе) обычно меньше единицы. Следовательно, на границе твердое тело / жидкость примесные атомы будут диффундировать в жидкую область. Таким образом, при очень медленном пропускании кристаллической були через тонкий участок печи, так что в любой момент времени расплавляется только небольшая область були, примеси будут отделены на конце кристалла. Из-за отсутствия примесей в оставшихся затвердевающих областях були могут расти как идеальный монокристалл, если затравочный кристалл помещен в основание, чтобы инициировать выбранное направление роста кристаллов. Когда требуется высокая чистота, например, в полупроводниковой промышленности, загрязненный конец були отрезается, и рафинирование повторяется.

При зонной очистке растворенные вещества отделяются на одном конце слитка, чтобы очистить остаток или сконцентрировать примеси. При зональном выравнивании цель состоит в том, чтобы равномерно распределить растворенное вещество по очищенному материалу, который можно найти в форме монокристалла . Например, при изготовлении полупроводникового транзистора или диода слиток германия сначала очищается зонной очисткой. Затем небольшое количество сурьмы помещается в зону расплава, которая пропускается через чистый германий. При правильном выборе скорости нагрева и других переменных сурьма может равномерно распределяться по германию. Этот метод также используется для подготовки кремния для использования в компьютерных микросхемах .

Обогреватели

Для зонной плавки могут использоваться различные нагреватели, наиболее важной их характеристикой которых является способность образовывать короткие зоны расплава, которые медленно и равномерно перемещаются по слитку. Обычно используются индукционные катушки , резистивные нагреватели с кольцевой обмоткой или газовое пламя. Другой метод заключается в пропускании электрического тока непосредственно через слиток, когда он находится в магнитном поле , при этом результирующая магнитодвижущая сила тщательно устанавливается, чтобы быть равной весу, чтобы удерживать жидкость во взвешенном состоянии. Оптические нагреватели, в которых используются галогенные или ксеноновые лампы большой мощности, 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 осуществляться как периодический процесс или непрерывно, при этом свежий загрязненный материал непрерывно добавляется с одного конца, а более чистый материал удаляется с другого, при этом нечистый зонный расплав удаляется с любой скоростью, определяемой примесью. исходного сырья.

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

Математическое выражение концентрации примеси

Когда жидкая зона перемещается на расстояние , количество примесей в жидкости изменяется. Примеси входят в состав плавящейся жидкости и замерзающего твердого вещества.

: коэффициент сегрегации
: длина зоны
: начальная однородная концентрация примеси стержня
: концентрация примесей в жидкости
: количество примесей в жидкости
: количество примесей в зоне при первом образовании внизу

Количество примесей в жидкости изменяется в соответствии с приведенным ниже выражением во время движения зоны расплава.

Приложения

Солнечные батареи

В солнечных элементах обработка плавающей зоны особенно полезна, поскольку выращенный монокристалл кремния имеет желаемые свойства. Срок службы объемного носителя 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 микросекунд для литого поликристаллического кремния . Более длительный объемный срок службы значительно увеличивает эффективность солнечных элементов .

Связанные процессы

Зонный переплав

Другой связанный процесс - это зонный переплав , при котором два растворенных вещества распределяются через чистый металл. Это важно при производстве полупроводников, где используются два растворенных вещества с противоположным типом проводимости. Например, в германии пятивалентные элементы группы V, такие как сурьма и мышьяк, вызывают отрицательную (n-тип) проводимость, а трехвалентные элементы группы III, такие как алюминий и бор, обеспечивают положительную (p-тип) проводимость. Путем плавления части такого слитка и медленного повторного замораживания растворенные вещества в расплавленной области распределяются с образованием желаемых np- и pn-переходов.

Смотрите также

использованная литература

  • Уильям Г. Пфанн (1966) Зонное плавление , 2-е издание, John Wiley & Sons .
  • Герман Шильдкнехт (1966) Зонная плавка , Verlag Chemie.
  • Георг Мюллер (1988) Рост кристаллов из расплава Springer-Verlag, Science 138 страниц ISBN  3-540-18603-4 , ISBN  978-3-540-18603-8