Введение
Процесс очистки путем перемещения расплавленной зоны вдоль металлического бруска.
Плавление зоны (или зонная очистка, или метод плавающей зоны, или технология плавающей зоны) – это группа схожих методов очистки кристаллов, в которых узкая область кристалла расплавляется, и эта расплавленная зона перемещается вдоль кристалла. Расплавленная область плавит примеси в твердом теле на переднем крае и оставляет за собой след более чистого материала, затвердевшего по мере ее движения по слитку. Примеси концентрируются в расплаве и перемещаются к одному концу слитка. Зонная очистка была изобретена Джоном Десмондом Берналом и далее развита Уильямом Г. Пфанном в Bell Labs как метод получения материалов высокой чистоты, главным образом полупроводников, для производства транзисторов. Первое коммерческое применение было найдено для германия, очищенного до одной атома примеси на десять миллиардов, однако процесс может быть применен практически к любой системе растворитель-растворяемое вещество, демонстрирующей существенную разницу в концентрации между твердой и жидкой фазами при равновесии. Этот процесс также известен как метод плавающей зоны, особенно в технологиях обработки полупроводниковых материалов.
Детали процесса
Принцип заключается в том, что коэффициент сегрегации k (соотношение при равновесии концентрации примесей в твердой фазе к концентрации примесей в жидкой фазе) обычно меньше единицы. Поэтому на границе раздела твердого тела и жидкости атомы примесей будут диффундировать в жидкую фазу. Таким образом, медленно пропуская кристаллический слиток через узкий участок печи, так, чтобы в любой момент времени расплавлялась лишь небольшая его часть, примеси будут концентрироваться на конце слитка. Благодаря отсутствию примесей в затвердевающих участках, слиток может вырасти как идеальный монокристалл, если в основание поместить затравку для инициации заданного направления роста кристалла. Когда требуется высокая чистота, например, в полупроводниковой промышленности, загрязненный конец слитка отрезается, и процесс очистки повторяется. В процессе зонной плавки растворенные вещества сегрегируются на одном конце слитка для очистки остальной части или концентрации примесей. При выравнивании зоны целью является равномерное распределение растворенного вещества по очищенному материалу, который может быть получен в виде монокристалла. Например, при изготовлении транзистора или диода полупроводниковый слиток германия сначала очищают методом зонной плавки. Затем небольшое количество сурьмы помещают в расплавленную зону, которая проходит через чистый германий. При правильном выборе скорости нагрева и других параметров сурьма может быть равномерно распределена по германию. Этот метод также используется для получения кремния для интегральных схем ("чипов").
Нагреватели
Для зонной плавки можно использовать различные нагреватели, при этом наиболее важной их характеристикой является способность формировать короткие расплавленные зоны, которые медленно и равномерно перемещаются по слитку. Распространенными методами являются индукционные катушки, нагреватели с кольцевым сопротивлением или газовые горелки. Другой метод заключается в пропускании электрического тока непосредственно через слиток, находящийся в магнитном поле, при этом создаваемая магнитодвижущая сила тщательно устанавливается равной весу слитка для удержания расплава во взвешенном состоянии. Оптические нагреватели, использующие мощные галогенные или ксеноновые лампы, широко применяются в исследовательских лабораториях, особенно для производства изоляторов, однако их применение в промышленности ограничено относительно низкой мощностью ламп, что определяет максимальный размер выращенных кристаллов. Зонную плавку можно проводить периодически или непрерывно, с постоянной подачей неочищенного материала с одного конца и отводом очищенного материала с другого, при этом скорость удаления загрязненной расплавленной зоны определяется степенью загрязнения исходного материала. Методы плавающей зоны с непрямым нагревом используют индукционно нагреваемое вольфрамовое кольцо для радиационного нагрева слитка и эффективны при работе с полупроводниками с высоким удельным сопротивлением, для которых классический индукционный нагрев неэффективен.
Солнечные элементы
В солнечных элементах метод зонной плавки особенно полезен, поскольку выращиваемый монокристаллический кремний обладает ценными свойствами. Время жизни основных носителей заряда в кремнии, полученном зонной плавкой, является самым высоким среди различных технологий производства. Время жизни носителей заряда в кремнии, полученном зонной плавкой, составляет около 1000 микросекунд, по сравнению с 20–200 микросекундами при методе Чохральского и 1–30 микросекундами для литого поликристаллического кремния. Увеличение времени жизни основных носителей заряда значительно повышает эффективность солнечных элементов.
Приборы с высоким сопротивлением
Он используется для производства высокомощных полупроводниковых приборов на основе кремния, выращенного зонной плавкой.
Переплавление зоны
Другой связанный процесс — зональная плавка, в которой два растворенных вещества распределяются в чистом металле. Это важно в 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 группы III, такие как алюминий и бор, создают положительную (p-тип) проводимость. Путем плавления части такого слитка и медленного его повторного замораживания растворенные вещества в расплавленной области перераспределяются, формируя необходимые n-p и p-n переходы.