Зона плавления - Zone melting

Кристаллизация
Основы
Кристалл  · Кристальная структура  · Зарождение
Концепции
Кристаллизация  · Рост кристаллов Перекристаллизация  · Семенной кристалл Протокристаллический  · Монокристалл
Методы и технологии
Буль Метод Бриджмена – Стокбаргера Процесс хрустального стержня Метод Чохральского Эпитаксия  · Метод флюса Фракционная кристаллизация Фракционное замораживание Гидротермальный синтез Киропулос метод Рост пьедестала с лазерным нагревом Микро-вытягивание вниз Формирующие процессы при росте кристаллов Тигель черепа Метод Вернейля Зона плавления

(осталось) Пфанн, слева, показывает трубу для очистки первой зоны, Bell Labs, 1953 г.
(правильно) Вертикальная зональная очистка, 1961 год. индукционный нагрев Змеевик расплавляет часть металлического стержня в трубке. Змеевик медленно перемещается по трубе, перемещая зону расплава к концу стержня.

Зона плавления (или зона очистки или процесс с плавающей зоной или подвижная зона плавления) представляет собой группу аналогичных методов очистки кристаллов, в которых узкая область кристалла расплавляется, и эта расплавленная зона перемещается по кристаллу. 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. Зональная очистка была изобретена Джон Десмонд Бернал^[1] и далее развито Уильям Гарднер Пфанн в Bell Labs как метод получения материалов высокой чистоты, в основном полупроводники, для изготовления транзисторы. Его первое коммерческое использование было в германий, доведенный до одного атома примеси на десять миллиардов,^[2] но процесс можно распространить практически на любой растворенное вещество -растворитель система, имеющая заметную разницу концентраций между твердой и жидкой фазами в состоянии равновесия.^[3] 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

Особой чистоты (5N ) тантал монокристалл, изготовленный методом плавающей зоны (цилиндрический объект в центре)

Детали процесса

Принцип заключается 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, передавая кристалл буль через тонкий участок печи очень медленно, так что в любой момент времени расплавляется только небольшая область були, примеси будут отделяться на конце кристалла. Из-за отсутствия примесей в оставшихся затвердевающих областях були могут расти как идеальные монокристалл если затравочный кристалл помещается у основания, чтобы инициировать выбранное направление роста кристалла. Когда требуется высокая чистота, например, в полупроводниковой промышленности, загрязненный конец були отрезается, и рафинирование повторяется.

При зонном рафинировании растворенные вещества отделяются на одном конце слитка, чтобы очистить остаток или сконцентрировать примеси. В выравнивание зоны, цель состоит в том, чтобы равномерно распределить растворенное вещество в очищенном материале, что можно найти в виде единого кристалл. Например, при изготовлении транзистора или диод полупроводник, слиток германия сначала очищается зонной очисткой. Затем небольшое количество сурьма помещается в зону расплава, через которую пропускается чистый германий. При правильном выборе скорости нагрева и других переменных сурьма может равномерно распределяться по германию. Этот метод также используется для приготовления кремний для использования в компьютерные чипы.

Обогреватели

Для зонной плавки можно использовать различные нагреватели, наиболее важной их характеристикой которых является способность образовывать короткие зоны расплава, которые медленно и равномерно перемещаются по слитку. Индукционные катушки, кольцевой нагреватели сопротивления, или газовое пламя являются обычными методами. Другой метод - пропустить электрический ток непосредственно через слиток, пока он находится в магнитное поле, в результате магнитодвижущая сила тщательно установите, чтобы быть равным весу, чтобы удерживать жидкость во взвешенном состоянии. Оптические нагреватели с использованием мощных галоген или ксеноновые лампы широко используются в исследовательских центрах, в частности, для производства изоляторов, но их использование в промышленности ограничено относительно низкой мощностью ламп, что ограничивает размер кристаллов, получаемых этим методом. Зонную плавку можно производить как пакетный процесс или это может быть сделано непрерывно, при этом свежий загрязненный материал непрерывно добавляется с одного конца, а более чистый материал удаляется с другого, при этом расплав загрязненной зоны удаляется с любой скоростью, продиктованной примесью исходного сырья.

Плавающая зона косвенного нагрева В этих методах 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 примеси

Когда жидкая зона перемещается на расстояние ${\displaystyle dx}$количество примесей в жидкости изменится. Примеси входят в состав плавящейся жидкости и замерзающего твердого вещества.^[4]

${\displaystyle k_{O}}$: коэффициент сегрегации

${\displaystyle L}$: длина зоны

${\displaystyle C_{O}}$: начальная однородная концентрация примеси стержня

${\displaystyle C_{L}}$: концентрация примесей в жидкости

${\displaystyle I}$: количество примесей в жидкости

${\displaystyle I_{O}}$: количество примесей в зоне при первом образовании внизу

Количество примесей в жидкости изменяется в соответствии с приведенным ниже выражением во время движения ${\displaystyle dx}$ расплавленной зоны

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

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

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

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

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

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

Приложения

Солнечные батареи

В солнечные батареи Обработка в плавающей зоне особенно полезна, поскольку выращенный монокристалл кремния имеет желаемые свойства. Оптовый сбор срок службы носителя в кремний с плавающей зоной является самым высоким среди различных производственных процессов. Срок службы носителей плавающей зоны составляет около 1000 микросекунд по сравнению с 20-200 микросекундами с Процесс Чохральского и 1–30 микросекунд с приведением поликристаллический кремний. Более длительный объемный срок службы увеличивает эффективность солнечные батареи значительно.

Связанные процессы

Зонный переплав

Другой связанный процесс зонный переплав, в 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 группа V такие как сурьма и мышьяк производят отрицательную (n-типа) проводимость и трехвалентные элементы группа III такие как алюминий и бор производить положительную (p-тип) проводимость. Путем плавления части такого слитка и медленного его повторного замораживания растворенные вещества в расплавленной области распределяются с образованием желаемых переходов n-p и p-n.

Смотрите также

• Фракционное замораживание
• Замораживание дистилляции
• Вафля

использованная литература

1. Браун, Эндрю (2005-11-24). Дж. Д. Бернал: мудрец науки. ISBN  9780198515449.
2. «Зона плавки», запись в Всемирная книжная энциклопедия, Том 21, W-X-Y-Z, 1973, стр. 501.
3. Рост кристаллов плавающей зоны
4. Джеймс Д. Пламмер, Майкл Д. Дил и Питер Б. Гриффин, Silicon VLSI Technology, Prentice Hall, 2000, p. 129

• Уильям Г. Пфанн (1966) Зонная плавка, 2-е издание, Джон Уайли и сыновья.
• 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