Das Zonenschmelzen (oder Zone, die sich verfeinert oder Zonenprozess schwimmen lässt), ist eine Gruppe von ähnlichen Methoden, Kristalle zu reinigen, in denen ein schmales Gebiet eines Kristalls geschmolzen ist, und diese geschmolzene Zone entlang dem Kristall bewegt wird (in der Praxis, wird der Kristall durch die Heizung gezogen). Das geschmolzene Gebiet schmilzt unreinen Festkörper an seinem Vorwärtsrand und verlässt ein Kielwasser des reineren dahinter konsolidierten Materials, als es sich durch den Barren bewegt. Die Unreinheiten konzentrieren sich im Schmelzen, und werden zu einem Ende des Barrens bewegt. Zone, die sich verfeinert, wurde von William Gardner Pfann in Glockenlaboratorien als eine Methode entwickelt, hohe Reinheitsmaterialien auf Produktionstransistoren vorzubereiten. Sein früher Gebrauch war auf dem Germanium für diesen Zweck, aber es kann zu eigentlich jedem solute-lösenden System erweitert werden, das einen merklichen Konzentrationsunterschied zwischen festen und flüssigen Phasen am Gleichgewicht hat. Dieser Prozess ist auch bekannt als der Zonenprozess der Hin- und Herbewegung besonders in der Halbleiter-Material-Verarbeitung.

Prozess-Details

Der Grundsatz ist, dass der Abtrennungskoeffizient k (das Verhältnis einer Unreinheit in der festen Phase dazu in der flüssigen Phase) gewöhnlich weniger als ein ist. Deshalb, an der festen/flüssigen Grenze, werden sich die Unreinheitsatome zum flüssigen Gebiet verbreiten. So, durch den Übergang eines Kristalls boule durch eine dünne Abteilung des Brennofens sehr langsam, solch, dass nur ein kleine Gebiet des boule jederzeit geschmolzen ist, werden die Unreinheiten am Ende des Kristalls getrennt sein. Wegen des Mangels an Unreinheiten in den übrigen Gebieten, die fest werden, kann der boule als ein vollkommener Monokristall wachsen, wenn ein Impfkristall an der Basis gelegt wird, um eine gewählte Richtung des Kristallwachstums zu beginnen. Wenn hohe Reinheit, solcher als in der Halbleiter-Industrie erforderlich ist, wird das unreine Ende des boule abgeschnitten, und die Raffinierung wird wiederholt.

In der Zonenraffinierung sind solutes an einem Ende des Barrens getrennt, um den Rest zu reinigen, oder die Unreinheiten zu konzentrieren. Im Zonenplanieren ist das Ziel, solute gleichmäßig überall im gereinigten Material zu verteilen, das in der Form eines Monokristalls gesucht werden kann. Zum Beispiel, in der Vorbereitung eines Transistor- oder Diode-Halbleiters, wird ein Barren des Germaniums zuerst durch die Zonenraffinierung gereinigt. Dann wird ein kleiner Betrag des Antimons in die geschmolzene Zone gelegt, die durch das reine Germanium passiert wird. Mit der richtigen Wahl der Rate der Heizung und anderen Variablen kann das Antimon gleichmäßig durch das Germanium ausgebreitet werden. Diese Technik wird auch für die Vorbereitung von Silikon für den Gebrauch in Computerchips verwendet.

Heizungen

Eine Vielfalt von Heizungen kann für das Zonenschmelzen mit ihrer wichtigsten Eigenschaft verwendet werden, die die Fähigkeit ist, kurze geschmolzene Zonen zu bilden, die sich langsam und gleichförmig durch den Barren bewegen. Induktionsrollen, Ringwunde-Widerstand-Heizungen oder Gasflammen sind übliche Methodik. Eine andere Methode ist, einen elektrischen Strom direkt durch den Barren zu passieren, während es in einem magnetischen Feld, mit der resultierenden Magnetomotive-Kraft sorgfältig Satz ist, um gerade dem Gewicht gleich zu sein, um die Flüssigkeit aufgehoben zu halten. Das Zonenschmelzen kann als ein Gruppe-Prozess getan werden, oder es kann unaufhörlich mit dem frischen unreinen Material getan werden, das an einem Ende und reinerem Material ständig wird hinzufügt, das vom anderen wird entfernt, mit der unreinen Zone schmelzen an beliebiger Rate entfernt zu werden, wird durch die Unreinheit des Futter-Lagers diktiert.

Indirekte Heizung, die Zonenmethoden schwimmen lässt, verwendet einen Induktionserhitzten Wolfram-Ring, um den Barren Strahlungs-zu heizen und ist nützlich, wenn der Barren von einem Halbleiter des hohen spezifischen Widerstands ist, auf dem klassische Induktionsheizung unwirksam ist.

Mathematischer Ausdruck der Unreinheitskonzentration

Wenn sich die flüssige Zone durch eine Entfernung, die Zahl von Unreinheiten in der flüssigen Änderung bewegt. Unreinheiten werden in der schmelzenden Flüssigkeit und dem festen Einfrieren vereinigt.

:: Abtrennungskoeffizient

:: Zonenlänge

:: Anfängliche gleichförmige Unreinheitskonzentration der Stange

:: Konzentration von Unreinheiten in der Flüssigkeit

:: Zahl von Unreinheiten in der Flüssigkeit

:: Zahl von Unreinheiten in der Zone wenn zuerst gebildet im Grunde

Die Zahl von Unreinheiten in der Flüssigkeit ändert sich in Übereinstimmung mit dem Ausdruck unten während der Bewegung der geschmolzenen Zone

Anwendungen

Sonnenzellen

In der Zonenverarbeitung der Hin- und Herbewegung von Sonnenzellen ist besonders nützlich, weil das angebaute Monokristall-Silikon wünschenswerte Eigenschaften hat. Die Hauptteil-Anklage-Transportunternehmen-Lebenszeit in mit der Hin- und Herbewegungzonensilikon ist unter verschiedenen Fertigungsverfahren am höchsten. Mit der Hin- und Herbewegungzonentransportunternehmen-Lebenszeiten sind ungefähr 1000 Mikrosekunden im Vergleich zu 20-200 Mikrosekunden mit dem Prozess von Czochralski, und 1-30 Mikrosekunden mit dem Wurf mehrkristallenes Silikon. Eine längere Hauptteil-Lebenszeit vergrößert die Leistungsfähigkeit von Sonnenzellen bedeutsam.

Zusammenhängende Prozesse

Das Zonenwiederschmelzen

Ein anderer zusammenhängender Prozess ist das Zonenwiederschmelzen, in dem zwei solutes durch ein reines Metall verteilt werden. Das ist in der Fertigung von Halbleitern wichtig, wo zwei solutes des entgegengesetzten Leitvermögen-Typs verwendet werden. Zum Beispiel, im Germanium, erzeugen pentavalent Elemente der Gruppe V wie Antimon und Arsen negative (n-leitende) Leitung, und die dreiwertigen Elemente der Gruppe III wie Aluminium und Bor erzeugen positiv (P-Typ) Leitung. Durch das Schmelzen eines Teils solch eines Barrens und langsam das Wiedereinfrieren davon, solutes im geschmolzenen Gebiet werden verteilt, um den gewünschten n-p und die p-n Verbindungspunkte zu bilden.

Siehe auch

• Das Brucheinfrieren
• Stopp-Destillation
• Lasererhitztes Sockel-Wachstum
• Oblate (Elektronik)
• Verneuil bearbeiten
• Zwei Wachstumstechniken für monokristallenes Silikon, Czochralski gegen die Zone der Hin- und Herbewegung
• William G. Pfann (1966) das Zonenschmelzen, die 2. Ausgabe, John Wiley & Sons.
• Hermann Schildknecht (1966) das Zonenschmelzen, Verlag Chemie.
• Georg Müller (1988) Wachstum von Crystal vom schmelzen Springer-Verlag, internationale Wissenschafts-138-Seite-Standardbuchnummer 3-540-18603-4, internationale Standardbuchnummer 978-3-540-18603-8