Зонне плавлення (або зонна плавка, зонне рафінування, зонна очистка, зонне очищення) — метод очищення матеріалів, у якому в матеріалі створюється зона розплаву, що повільно пересувається від одного кінця до другого, залишаючи за собою шар очищеної речовини.

Ідея методу полягає в тому, що розчинність домішки в розплаві відрізняється від розчинності в твердому тілі (за відсутності ліквації).

Кремній, вирощений методом зонної плавки, позначають FZ на відміну від кремнію, вирощеного методом Чохральського, який позначається CZ.

Огляд

Зонне плавлення (або зонне рафінування) — група подібних методів очищення кристалів, у яких вузька ділянка кристала плавиться, і ця розплавлена зона переміщується вздовж кристала. На передньому краї розплавленої ділянки плавиться забруднена тверда речовина, а за нею залишається слід із затверділого чистішого матеріалу. Домішки концентруються в розплаві та переміщуються до одного кінця виливка. Зонне рафінування винайшов Джон Десмонд Бернал та розвинув (1966) Zone Melting, 2nd edition, John Wiley & Sons у Bell Labs як метод отримання високочистих матеріалів, переважно напівпровідників, для виготовлення транзисторів. Вперше метод комерційно використано для очищення германію, рафінованого до одного атома домішки на десять мільярдів,«Zone melting», entry in The World Book Encyclopedia, Volume 21, W-X-Y-Z, 1973, page 501. але процес можна поширити практично на будь-яку систему розчинена речовина — розчинник, що має значну різницю концентрацій між твердою та рідкою фазами в рівновазі.Float Zone Crystal Growth

Подробиці процесу Принцип полягає в тому, що коефіцієнт сегрегації k (співвідношення домішки в твердій фазі до домішки в рідкій фазі в рівновазі) зазвичай менший від одиниці. Тому на межі твердої та рідкої фази атоми домішки дифундуватимуть у рідку область. Отже, якщо пропустити кристалічну через тонкий переріз печі дуже повільно, так щоб у будь-який момент часу була розплавленою лише невелика її ділянка, домішки буде відокремлено на кінці кристала. Завдяки відсутності домішок у частині, які затвердіває, буля може рости як ідеальний монокристал, якщо зародковий кристал розмістити біля основи, щоб ініціювати вибраний напрямок росту кристала. Коли потрібна висока чистота, наприклад, у напівпровідниковій промисловості, забруднений кінець булі відсікають, і рафінування повторюють.

Під час зонного рафінування розчинені речовини відокремлюються на одному кінці злитка для очищення решти або концентрування домішок. При зонному вирівнюванні метою є рівномірний розподіл розчиненої речовини по всьому очищеному матеріалу, який можна отримати у формі монокристала. Наприклад, при виготовленні напівпровідника для транзистора або діода злиток германію спочатку очищають зонним рафінуванням. Потім у розплавлену зону, яка проходить через чистий германій, додають невелику кількість стибію. За правильного вибору швидкості нагрівання та інших параметрів, сурма може рівномірно розподілитися по всьому германію. Цей метод також використовують для підготовки кремнію для використання в інтегральних схемах.

Нагрівники Для зонного плавлення можна використовувати різноманітні нагрівники, найважливішою характеристикою яких є здатність утворювати вузькі розплавлені зони, які повільно й рівномірно рухаються уздовж злитка. Часто застосовують індукційні котушки, кільцеві резистивні нагрівники або газове полум'я. Інший метод полягає в пропусканні електричного струму безпосередньо через злиток, уміщений у магнітне поле, з результуючою магніторушійною силою, ретельно встановленою рівною вазі, щоб утримувати рідину в підвішеному стані. В дослідницьких установах, зокрема для виробництва ізоляторів, широко використовують оптичні нагрівники на основі потужних галогенних або ксенонових ламп, але їх промислове використання обмежене відносно малою потужністю ламп, що обмежує розмір кристалів, які можна отримати цим методом. Зонне плавлення може здійснюватися як періодичний процес або безперервно: при цьому на одному кінці постійно додається свіжий матеріал із домішками, а на іншому — виводиться матеріал з вищим ступенем чистоти, причому швидкість плавлення зони з домішками визначається ступенем забрудненості початкової сировини.

У методах плавучої зони з непрямим нагріванням для радіаційного нагрівання злитка використовують вольфрамове кільце, нагріте індукційним струмом; ці методи доцільно застосовувати, коли злиток виготовлено з напівпровідника з високим питомим опором, на якому класичне індукційне нагрівання є неефективним.

Математичний вираз для концентрації домішок Коли рідка зона переміщується на відстань , кількість домішок у рідині змінюється. Домішки входять до розплаву та до речовини, що твердне., Michael D. Deal, and Peter B. Griffin (2000) Silicon VLSI Technology, Prentice Hall, page 129

: коефіцієнт сегрегації : довжина зони : початкова рівномірна концентрація домішок затверділого стрижня : концентрація домішок у рідкому розплаві на одиницю довжини : кількість домішок у рідині : кількість домішок у зоні, коли вона вперше утворилася внизу : концентрація домішок у твердому стрижні

Кількість домішок у рідині під час руху розплавленої зони на величину змінюється відповідно до наведеного нижче виразу

Застосування

Сонячні елементи У сонячних елементах обробка зонним плавленням особливо корисна, оскільки вирощений монокристалічний кремній має бажані властивості. об'ємних носіїв заряду у , найвищий серед різних виробничих процесів. Час життя об'ємних носіїв заряду за очищення зонним плавленням становить близько 1000 мікросекунд, порівняно з 20–200 мікросекундами за методу Чохральського та 1–30 мікросекундами в литому полікристалічному кремнії. Довший об'ємний час життя значно підвищує ефективність сонячних елементів.

Пристрої з високим опором Зонна плавка використовується для виробництва потужних напівпровідникових приладів на основі .

Пов'язані процеси

Зонне переплавлення Іншим спорідненим процесом є зонне переплавлення, в якому дві розчинювані речовини розподіляються в чистому матеріалі. Це важливо у виробництві напівпровідників, де використовуються дві розчинювані речовини з протилежним типом провідності. Наприклад, у германії п'ятивалентні елементи V групи, як-от стибій та арсен, створюють негативну (n-тип) провідність, а тривалентні елементи III групи, як-от алюміній та бор, — позитивну (p-тип) провідність. Розплавляючи частину такого злитка та повільно повторно даючи йому затверднути, розчинені речовини в розплавленій області розподіляються, утворюючи потрібні n-p- та p-n-переходи.

Див. також Метод Чохральського

Напівпровідникова пластина , також відоме як дистиляція заморожуванням

Примітки

Джерела Глосарій термінів з хімії // Й. Опейда, О. Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет. — Донецьк: Вебер, 2008. — 758 с. — ISBN 978-966-335-206-0

Література