Айналмалы зона балқыту әдісі – металл таяқшаларды тазарту технологиясы. Жартылай өткіштерді, кристаллдарды залалсыздандыруға қолданылады. Биік тазалықты қамтамасыз етеді.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Құрғақ аймақты металл таяқша бойымен жылжыту арқылы тазарту процесі
Purification process by moving a molten zone along a metal bar
Аймақтық балқыту (немесе аймақтық тазарту, немесе қозғалатын аймақ әдісі, немесе қозғалатын аймақ техникасы) – кристалдарды тазартудың ұқсас әдістерінің тобы, онда кристаллдың тар аймағы балқытылады және бұл балқыған аймақ кристалл бойымен жылжытылады. Балқыған аймақ алдыңғы жиегінде таза емес қатты затты ерітеді және өтетін барысында артында таза материалдың қатаюын қалдырады. Лас заттар балқымада шоғырланады және таяқшаның бір шетіне жиналады. Аймақтық тазартуды Джон Десмонд Бернал ойлап тапты, ал Уильям Г. Пфанн Bell Labs-те транзисторларды өндіру үшін жоғары тазалықтағы материалдарды, негізінен жартылай өткізгіштерді дайындау әдісі ретінде одан әрі жетілдірді. Оның алғашқы коммерциялық қолданылуы – он миллиардқа бір лас атомдық қоспаға дейін тазартылған германий болды, бірақ бұл процесті тепе-теңдіктегі қатты және сұйық фазалар арасындағы айқын концентрация айырмашылығы бар кез келген ерітінді-еріткіш жүйесіне қолдануға болады. Бұл процесс, әсіресе жартылай өткізгіш материалдарды өңдеуде, қозғалатын аймақ процесі деп те аталады.
Zone melting (or zone refining, or floating zone method, or floating zone technique) is a group of similar methods of purifying crystals, in which a narrow region of a crystal is melted, and this molten zone is moved along the crystal. The molten region melts impure solid at its forward edge and leaves a wake of purer material solidified behind it as it moves through the ingot. The impurities concentrate in the melt, and are moved to one end of the ingot. Zone refining was invented by John Desmond Bernal and further developed by William G. Pfann in Bell Labs as a method to prepare high purity materials, mainly semiconductors, for manufacturing transistors. Its first commercial use was in germanium, refined to one atom of impurity per ten billion, but the process can be extended to virtually any solute–solvent system having an appreciable concentration difference between solid and liquid phases at equilibrium. This process is also known as the float zone process, particularly in semiconductor materials processing.
Процесс туралы мәліметтер
Принцип бойынша, бөліну коэффициенті k (тепе-теңдіктегі қатты фазадағы қоспаның сұйық фазадағы қоспаға қатынасы) әдетте бірден кем болады. Сондықтан, қатты/сұйық шекарасында қоспа атомдары сұйық аймаққа диффузияланады. Осылайша, кристалл мөлдіреуін пештің жұқа бөлігі арқылы өте баяу өткізе отырып, кез келген уақытта кристаллдың тек кішкентай ғана бөлігі еруіне қол жеткізіледі, қоспалар кристаллдың соңында жинақталады. Қалған бөліктерде қоспалардың болмауына байланысты, егер кристалл өсу бағытын бастарту үшін негізге тұқым кристалын орналастырса, кристалл мінсіз бір кристалл ретінде өсе алады. Жоғары тазалық қажет болған жағдайларда, мысалы, жартылай өткізгіш өнеркәсібінде, кристаллдың қоспалы ұшы кесіліп, тазарту процесі қайталанады. Аймақтық тазарту кезінде, еріген заттар қалған бөлікті тазарту немесе қоспаларды шоғырландыру үшін сынықтың бір жағына жинақталады. Аймақты тегістеудің мақсаты – тазартылған материалдың барлық көлемінде еріген затты тең бөлу, оны бір кристалл түрінде алуға болады. Мысалы, транзистор немесе диодты жартылай өткізгіш дайындау үшін германий сынығы алдымен аймақтық тазарту арқылы тазартылады. Содан кейін, еріген аймаққа аз мөлшерде антимон қосылып, таза германий арқылы өткізіледі. Жылыту жылдамдығы және басқа айнымалыларды дұрыс таңдау арқылы, антимон германийде тең бөлінуіне қол жеткізіледі. Бұл әдіс сондай-ақ интегралдық тізбектерде ("чиптерде") қолдануға арналған кремний дайындау үшін де қолданылады.
The principle is that the segregation coefficient k (the ratio at equilibrium of an impurity in the solid phase to that in the liquid phase) is usually less than one. Therefore, at the solid/liquid boundary, the impurity atoms will diffuse to the liquid region. Thus, by passing a crystal boule through a thin section of furnace very slowly, such that only a small region of the boule is molten at any time, the impurities will be segregated at the end of the crystal. Because of the lack of impurities in the leftover regions which solidify, the boule can grow as a perfect single crystal if a seed crystal is placed at the base to initiate a chosen direction of crystal growth. When high purity is required, such as in semiconductor industry, the impure end of the boule is cut off, and the refining is repeated. In zone refining, solutes are segregated at one end of the ingot in order to purify the remainder, or to concentrate the impurities. In zone leveling, the objective is to distribute solute evenly throughout the purified material, which may be sought in the form of a single crystal. For example, in the preparation of a transistor or diode semiconductor, an ingot of germanium is first purified by zone refining. Then a small amount of antimony is placed in the molten zone, which is passed through the pure germanium. With the proper choice of rate of heating and other variables, the antimony can be spread evenly through the germanium. This technique is also used for the preparation of silicon for use in integrated circuits ("chips").
Жылытқыштар
Аймақтық балқыту үшін әртүрлі қыздырғыштар қолданылуы мүмкін, олардың ең маңызды қасиеті – металл қоймасы арқылы баяу және біркелкі қозғалатын қысқа балқыған аймақтарды қалыптастыру қабілеті. Индукциялық катушкалар, сақина тәрізді кедергілік қыздырғыштар немесе газ жалындары – осы мақсатқа кеңінен қолданылатын әдістер. Тағы бір әдіс – металл қоймасы магнит өрісінде болғанда, сұйықтықтың салмағына тең етіп бапталған электр тогын одан тікелей өткізу арқылы магнит қозғалтқыш күшін жасау. Жоғары қуатты галогенді немесе ксенон лампаларын пайдаланатын оптикалық қыздырғыштар, әсіресе изоляторларды өндіру үшін ғылыми-зерттеу орталықтарында кеңінен қолданылады, бірақ шамдардың салыстырмалы түрде төмен қуаты осы әдіспен өндірілетін кристалдардың мөлшерін шектейді, сондықтан оларды өнеркәсіпте қолдану шектеулі. Аймақтық балқыту дискретті режимде немесе үздіксіз жүргізілуі мүмкін, бірінші жағынан лас материалды үнемі қосып, екінші жағынан таза материалды алып отыру арқылы, ал лас аймақтың балқыған бөлігін бастапқы материалдың ластану деңгейіне сәйкес жылдамдықпен шығарып тастауға болады. Жанама қыздырудың жүзбелі аймақ әдістері металл қоймасын радиациялық түрде қыздыру үшін индукциялық қыздырылған вольфрам сақинасын пайдаланады және бұл әдіс, егер металл қоймасы классикалық индукциялық қыздыру үшін тиімсіз кедергісі жоғары жартылай өткізгіштен жасалған болса, тиімді болады.
A variety of heaters can be used for zone melting, with their most important characteristic being the ability to form short molten zones that move slowly and uniformly through the ingot. Induction coils, ring wound resistance heaters, or gas flames are common methods. Another method is to pass an electric current directly through the ingot while it is in a magnetic field, with the resulting magnetomotive force carefully set to be just equal to the weight in order to hold the liquid suspended. Optical heaters using high powered halogen or xenon lamps are used extensively in research facilities particularly for the production of insulators, but their use in industry is limited by the relatively low power of the lamps, which limits the size of crystals produced by this method. Zone melting can be done as a batch process, or it can be done continuously, with fresh impure material being continually added at one end and purer material being removed from the other, with impure zone melt being removed at whatever rate is dictated by the impurity of the feed stock. Indirect heating floating zone methods use an induction heated tungsten ring to heat the ingot radiatively, and are useful when the ingot is of a high resistivity semiconductor on which classical induction heating is ineffective.
Күн элементтері
Күн элементтерінде жүзу аймағын өңдеу әсіресе тиімді, себебі өсірілген бір кристалды кремний қажетті қасиеттерге ие. Жүзу аймағында өсірілген кремнийдегі басты заряд тасымалдаушының өмір сүру ұзақтығы әртүрлі өндіріс процестерінің арасында ең жоғары. Жүзу аймағындағы тасымалдаушылардың өмір сүру ұзақтығы шамамен 1000 микросекунд, ал Цохральски әдісімен өндірілгенде 20–200 микросекунд, құйылған поликристалликалық кремнийде 1–30 микросекундқа тең. Басты заряд тасымалдаушының ұзақ өмір сүру ұзақтығы күн элементтерінің тиімділігін едәуір арттырады.
In solar cells, float zone processing is particularly useful because the single crystal silicon grown has desirable properties. The bulk charge carrier lifetime in float zone silicon is the highest among various manufacturing processes. Float zone carrier lifetimes are around 1000 microseconds compared to 20–200 microseconds with Czochralski method, and 1–30 microseconds with cast polycrystalline silicon. A longer bulk lifetime increases the efficiency of solar cells significantly.
Жоғары кедергілі құрылғылар
Бұл жоғары қуатты жартылай өткізгіш құрылғыларын жасау үшін плавиаторлық аймақтандырылған кремнийді өндіруге қолданылады.
It's used for production of float zone silicon based high power semiconductor devices.
Аймақтарды қайта балқыту
Басқа бір байланысты процесс – аймақтық қайта балқыту, онда екі ерітінді таза металл арқылы таратылады. Бұл жартылай өткізгіштерді өндіруде маңызды, онда қарама-қарсы өткізгіштік типі бар екі ерітінді қолданылады. Мысалы, германийде V топтың антимон және мырыш сияқты бесталуан элементтері теріс (n типі) өткізгіштік тудырады, ал III топтың алюминий және бор сияқты үшталуан элементтері оң (p типі) өткізгіштік тудырады. Мұндай қотаның бір бөлігін балқытып, баяу қайта қатыру арқылы балқыған аймақтағы ерітінділер қажетті n-p және p-n тораптарды құру үшін таратылады.
Another related process is zone remelting, in which two solutes are distributed through a pure metal. This is important in the manufacture of semiconductors, where two solutes of opposite conductivity type are used. For example, in germanium, pentavalent elements of group V such as antimony and arsenic produce negative (n type) conduction and the trivalent elements of group III such as aluminium and boron produce positive (p type) conduction. By melting a portion of such an ingot and slowly refreezing it, solutes in the molten region become distributed to form the desired n p and p n junctions.