Зона плавления

Кристаллизация

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
v т е

(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 вниз по трубе, перемещая зону расплава к концу стержня.

Зонная плавка (или зонная очистка, или процесс плавающей зоны, или подвижная зона плавления ) - это группа аналогичных методов очистки кристаллов, при 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 более чистого материала, когда он движется через слиток. Примеси концентрируются в расплаве и перемещаются к одному концу слитка. Зонная очистка была изобретена Джоном Десмондом Берналом ^[1] и в дальнейшем развита Уильямом Гарднером Пфанном в Bell Labs как метод получения материалов высокой чистоты, в основном полупроводников., для изготовления транзисторов . Его первое коммерческое использование было в германии , очищенном до одного атома примеси на десять миллиардов ^[2], но процесс можно распространить практически на любую систему растворенное вещество - растворитель , имеющую заметную разницу концентраций между твердой и жидкой фазами в равновесии. ^[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

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

Детали процесса [ править ]

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 тонкую секцию 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 кристаллпомещается у основания, чтобы инициировать выбранное направление роста кристалла. Когда требуется высокая чистота, например, в полупроводниковой промышленности, загрязненный конец були отрезается, и рафинирование повторяется. ^{[ необходима цитата ]}

При зонном рафинировании 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 приготовления кремния.для использования в компьютерных микросхемах . ^{[ необходима цитата ]}

Обогреватели [ править ]

Для зонной плавки можно использовать различные нагреватели, наиболее важной их характеристикой которых является способность образовывать короткие зоны расплава, которые медленно и равномерно перемещаются через слиток. 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 должна быть точно равна весу, чтобы удерживать жидкость во взвешенном состоянии. Оптические обогреватели с использованием мощных галогенных или ксеноновых лампшироко 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. сырья. ^{[ необходима цитата ]}

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. ^{[ необходима цитата ]}

Математическое выражение концентрации примесей [ править ]

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

{\ 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 зоны расплава. ${\ displaystyle dx}$

{\ 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 [ править ]

Солнечные батареи [ править ]

В солнечных элементах обработка плавающей зоны особенно полезна, поскольку выращенный монокристаллический кремний 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 процесса Чохральского и 1-30 микросекунд для литого поликристаллического кремния . Более длительный объемный срок службы значительно увеличивает эффективность солнечных элементов . ^{[ необходима цитата ]}

Связанные процессы [ править ]

Зонный переплав [ править ]

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-типа) проводимость, а трехвалентные элементы группы III, такие как алюминий и бор, обеспечивают положительную проводимость (p-типа). Путем плавления части такого слитка и медленного повторного замораживания растворенные вещества в расплавленной области распределяются с образованием желаемых np- и pn-переходов. ^{[ необходима цитата ]}

См. Также [ править ]

Фракционная заморозка
Замораживание дистилляции
Вафля

Ссылки [ править ]

^ Браун, Эндрю (2005-11-24). JD Бернал: Мудрец науки . ISBN 9780198515449.
^ «Зонное плавление», запись в The World Book Encyclopedia , том 21, WXYZ, 1973, стр. 501.
^ Рост кристаллов плавающей зоны
^ Джеймс Д. Пламмер, Майкл Д. Дил и Питер Б. Гриффин, Silicon VLSI Technology, Prentice Hall, 2000, p. 129

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

[1] Браун, Эндрю (2005-11-24). JD Бернал: Мудрец науки . ISBN 9780198515449.

[WB1973-2] «Зонное плавление», запись в The World Book Encyclopedia , том 21, WXYZ, 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

[1]