Зона плавления

Кристаллизация
Основы
Кристалл ·Кристаллическая структура ·Зарождение
Концепции
Кристаллизация ·Рост кристаллов. Рекристаллизация ·Затравочный кристалл. Протокристаллический ·Монокристалл
Методы и технологии
Буль. Метод Бриджмена – Стокбаргера. Процесс кристаллического стержня. Метод Чохральского. Эпитаксия ·Метод флюса. Фракционная кристаллизация. Фракционное замораживание. Гидротермальный синтез. Метод Киропулоса. Лазер рост на нагретом пьедестале. Микровытягивание вниз. Процессы формирования кристаллов. Тигель черепа. Метод Вернейля. Зонная плавка
v t

(слева) Пфанн, слева, показывает первую зону рафинировочная труба, Bell Labs, 1953. (справа) Вертикальная зона рафинирования, 1961. Змеевик индукционного нагрева расплавляет часть металлического стержня в трубе. Змеевик медленно движется вниз по трубе, перемещая зону расплава к концу стержня.

Зона плавления (или зона очистки, или процесс с плавающей зоной или перемещающаяся зона плавления ) представляет собой группу аналогичных методов очистки кристаллов, при которых расплавляется узкая область кристалла, и эта зона плавления 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. Зонная очистка была изобретена Джоном Десмондом Берналом 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, но процесс можно распространить практически на любую растворенное вещество - раствор системы, имеющей заметная разница концентраций между твердой и жидкой фазами в состоянии равновесия. 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 Рост кристалла кремния Высокочистый (5N ) тантал монокристалл, полученный методом плавающей зоны (цилиндрический объект в центре)

Содержание

• 1 Описание процесса
  • 1.1 Нагреватели
  • 1.2 Математическое выражение концентрации примесей
• 2 Приложения
  • 2.1 Солнечные элементы
• 3 Связанные процессы
  • 3.1 Зонный переплав
• 4 См. Также
• 5 Ссылки

Подробности 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, пропуская кристалл були через тонкий участок печи очень медленно, так что только небольшая область були расплавляется в любое время, примеси будут отделены в конце кристалла al. Из-за отсутствия примесей в оставшихся затвердевающих областях були могут вырасти как идеальный монокристалл, если затравочный кристалл поместить в основание, чтобы инициировать выбранное направление кристалла. рост. 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 выравнивании зоны цель состоит в том, чтобы равномерно распределить растворенное вещество по всему очищенному материалу, что можно найти в форме единственного кристалла . Например, при изготовлении транзистора или диода полупроводника слиток германия сначала очищают 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 распределиться по германию. Этот метод также используется для подготовки кремния для использования в компьютерных микросхемах.

нагревателях

Для зонной плавки могут использоваться самые разные нагреватели с их наиболее важной характеристикой. способность образовывать короткие расплавленные зоны, которые медленно и равномерно перемещаются через слиток. Индукционные катушки, резистивные нагреватели с кольцевой обмоткой или газовое пламя являются обычными методами. Другой метод состоит 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 мощные 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, полученных этим методом. Зонная плавка может выполняться как периодический процесс, или она может осуществляться непрерывно, при этом свежий загрязненный материал непрерывно добавляется с одного конца, а более чистый материал удаляется с другого, причем нечистый зонный расплав удаляется на любом конце. Скорость продиктована примесью сырья.

В методах с плавающей зоной с косвенным нагревом 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 примесей

Когда зона жидкости перемещается на расстояние $d\; x\; \{\backslash \; displaystyle\; dx\}$, количество примесей в жидкости изменяется. Примеси входят в состав плавящейся жидкости и замерзающего твердого вещества.

$k\; O\; \{\backslash \; displaystyle\; k\_\; \{O\}\}$: коэффициент сегрегации

$L\; \{\backslash \; displaystyle\; L\}$: зона длина

$CO\; \{\backslash \; displaystyle\; C\_\; \{O\}\}$: начальная однородная концентрация примесей в стержне

$CL\; \{\backslash \; displaystyle\; C\_\; \{L\}\}$: концентрация примесей в жидкость

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

$IO\; \{\backslash \; displaystyle\; I\_\; \{O\}\}$: количество примесей в зоне при первом образующийся внизу

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

$d\; I\; =\; (CO\; -\; к\; OCL)\; dx\; \{\backslash \; displaystyle\; dI\; =\; (C\_\; \{O\}\; -k\_\; \{O\}\; C\_\; \{L\})\; \backslash ,\; dx\; \backslash ;\}$

$CL\; =\; I\; /\; L\; \{\backslash \; displaystyle\; C\_\; \{L\}\; =\; I\; /\; L\; \backslash ;\}$

$\int \; 0\; xdx\; =\; \int \; IOI\; d\; ICO\; -\; k\; OIL\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; int\; \_\; \{0\}\; ^\; \{x\}\; dx\; =\; \backslash \; int\; \_\; \{I\_\; \{O\}\}\; ^\; \{I\}\; \{\backslash \; frac\; \{dI\; \}\; \{C\_\; \{O\}\; -\; \{\backslash \; frac\; \{k\_\; \{O\}\; I\}\; \{L\}\}\}\}\}$

$IO\; =\; COL\; \{\backslash \; displaystyle\; I\_\; \{O\}\; =\; C\_\; \{O\}\; L\; \backslash ;\}$

$CS\; знак\; равно\; к\; OI\; /\; L\; \{\backslash \; displaystyle\; C\_\; \{S\}\; =\; k\_\; \{O\}\; I\; /\; L\; \backslash ;\}$

$CS\; (x)\; =\; CO\; (1\; -\; (1\; -\; k\; O)\; e\; -\; k\; O\; x\; L)\; \{\backslash \; displaystyle\; C\_\; \{S\}\; (x)\; =\; C\_\; \{O\}\; \backslash \; left\; (1-\; (1-k\_\; \{O\})\; e\; ^\; \{-\; \{\backslash \; frac\; \{k\_\; \{O\}\; x\}\; \{L\}\}\}\; \backslash \; right)\}$

Применения

Солнечные элементы

В солнечных элементах обработка плавающей зоны особенно полезна, поскольку выращенный монокристаллический кремний имеет желаемые свойства. Объемный заряд срок службы носителя в кремнии с плавающей зоной является самым высоким среди различных производственных процессов. Срок службы 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.

Родственные процессы

Зонный переплав

Другой родственный процесс - это 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 группы V, такие как сурьма и мышьяк, создают отрицательную (n-тип) проводимость, а трехвалентные элементы группа III, такая как алюминий и бор, дает положительную (p-типа) 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.

См. Также

• Фракционное замораживание
• Замораживание
• Вафли

Ссылки

• Уильям Г. Пфанн (1966) Зонная плавка, 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