на чем основан принцип зонной очистки

Зонная плавка

Из Википедии — свободной энциклопедии

Зо́нная пла́вка (зо́нная перекристаллиза́ция) — метод очистки твёрдых веществ, основанный на различной растворимости примесей в твёрдой и жидкой фазах. Метод является разновидностью направленной кристаллизации, от которой отличается тем, что в каждый момент времени расплавленной является некоторая небольшая часть образца. Такая расплавленная зона передвигается по образцу, что приводит к перераспределению примесей. Если примесь лучше растворяется в жидкой фазе, то она постепенно накапливается в расплавленной зоне, двигаясь вместе с ней. В результате примесь скапливается в одной части исходного образца. По сравнению с направленной кристаллизацией этот метод обладает большей эффективностью. Метод был предложен Уильямом Гарднером Пфанном в 1952 году и с тех пор завоевал большую популярность. В настоящее время метод используется для очистки более 1500 веществ.

Схема устройства для зонной плавки в лодочке приведена на рисунке

Очищаемое вещество помещают в лодочку из тугоплавкого материала. Основные требования к материалу лодочки:

Лодочку помещают в горизонтальную трубу, у которой один конец может быть запаян или через него подают инертный газ. Если он запаян, то другой конец трубы соединён с вакуумной установкой.

Один конец образца расплавляется, затем расплавленная зона начинает двигаться вдоль слитка. Длина расплавленной зоны зависит от длины слитка и составляет несколько сантиметров. Вещество плавится либо индукционными токами, либо теплопередачей в печи сопротивления. Скорость движения составляет, как правило, от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров в час. Движение может осуществляться либо за счет вытягивания лодочки через неподвижную печь, либо смещением зоны нагрева. Иногда для повышения эффективности увеличивают число проходов зоны или число зон. Распределение примеси характеризуется коэффициентом распределения, который равен

где С_S — концентрация примеси в твёрдой фазе, С_L — концентрация примеси в жидкой фазе.

Иногда вместо коэффициента распределения K используют коэффициент разделения α, который равен

α = C S ( 1 − C L ) C L ( 1 − C S ) <\displaystyle \alpha =<\frac (1-C_)>(1-C_)>>> .

Примеси, для которых коэффициент распределения K 1, наоборот, концентрируются в начале слитка. Если осуществить многократное прохождение расплавленной зоны, то примеси с K 1 метод мало эффективен. Самые чистые части слитка (из середины) используются для изготовления приборов. Таким методом можно очистить германий до образцов с удельным сопротивлением порядка 70 Ом·см, в которых остаётся примерно один атом примеси на 10 10 атомов германия.

Если расплав вступает в реакцию с материалом тигля (лодочки), или очищаемое вещество имеет высокую температуру плавления (>1500 °C), применяют бестигельную зонную плавку.

Метод обладает рядом недостатков. Основной недостаток — невозможность масштабирования, так как скорость процесса определяется скоростью диффузии примеси. Поэтому метод применяется для конечной стадии очистки при получении особо чистых веществ. Максимальные габариты лодочки — длина 50 см, толщина — 2‒3 см, длина расплавленной зоны — 5 см.

Источник

ЗОННАЯ ПЛАВКА

Полезное

Смотреть что такое «ЗОННАЯ ПЛАВКА» в других словарях:

Зонная плавка — зонная перекристаллизация, кристаллофизический метод рафинирования материалов, который состоит в перемещении узкой расплавленной зоны вдоль длинного твёрдого стержня из рафинируемого материала. З. п. можно подвергать почти все технически… … Большая советская энциклопедия

ЗОННАЯ ПЛАВКА — (зонная перекристаллизация) кристаллофиз. метод очистки (рафинирования), заключающийся в перемещении узкой расплавленной зоны вдоль длинного твердого стержня очищаемого материала. Многократное прохождение зоны в обоих направлениях вызывает (см.)… … Большая политехническая энциклопедия

ЗОННАЯ ПЛАВКА — кристаллофизический метод рафинирования материалов; состоит в создании и перемещении узкой расплавленной зоны вдоль длинного стержня из рафинируемого материала. Применяется для получения чистых металлов и полупроводников (содержание примесей 10 7 … Большой Энциклопедический словарь

ЗОННАЯ ПЛАВКА — ЗОННАЯ ПЛАВКА, метод очистки кристаллов, особенно тех, что применяются в ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ приборах. Материал помещается в длинную трубку и проводится через печь, в которой чередуются горячие и холодные зоны. По мере прохождения стержня через… … Научно-технический энциклопедический словарь

ЗОННАЯ ПЛАВКА — см. Плавление зонное. Геологический словарь: в 2 х томах. М.: Недра. Под редакцией К. Н. Паффенгольца и др.. 1978 … Геологическая энциклопедия

зонная плавка — Высоко локализованное плавление обычно индукционным нагреванием маленького объема металлического прутка. Перемещая виток индуктора по стержню, расплавленная зона проходит с одного конца на другой. В бинарных составах, где имеется большое различие … Справочник технического переводчика

зонная плавка — (зонная кристаллизация), процесс глубокой очистки вещества в технологии полупроводниковых материалов. Зонная плавка осуществляется расплавлением небольшого участка (зоны) или нескольких участков твёрдого слитка и последовательным их перемещением… … Энциклопедия техники

Зонная плавка — Монокристалл тантала высокой чистоты (99.999% = 5N), выращенный методом зонной перекристаллизации ( … Википедия

ЗОННАЯ ПЛАВКА — кристаллофизический метод рафинирования материалов, состоящий в перемещении узкой расплавленной зоны вдоль длинного твердого стержня из рафинируемого металла. Зонная плавка широко применяют для получения чистых материалов с содержанием примесей… … Металлургический словарь

зонная плавка — кристаллофизический метод рафинирования материалов; состоит в создании и перемещении узкой расплавленной зоны вдоль длинного стержня из рафинируемого материала. Применяется для получения чистых металлов и полупроводников (содержание примесей 10… … Энциклопедический словарь

Источник

Зонная плавка

Зо́нная пла́вка (зо́нная перекристаллиза́ция) — метод очистки твёрдых веществ, основанный на различной растворимости примесей в твердой и жидкой фазах. Метод является разновидностью направленной кристаллизации, от которой отличается тем, что в каждый момент времени расплавленной является некоторая небольшая часть образца. Такая расплавленная зона передвигается по образцу, что приводит к перераспределению примесей. Если примесь лучше растворяется в жидкой фазе, то она постепенно накапливается в расплавленной зоне, двигаясь вместе с ней. В результате примесь скапливается в одной части исходного образца. По сравнению с направленной кристаллизацией этот метод обладает большей эффективностью. Метод был предложен В. Дж. Пфанном в 1952 году и с тех пор завоевал большую популярность. В настоящее время метод используется для очистки более 1500 веществ.

Схема устройства для зонной плавки в лодочке приведена на рис. 1.

Очищаемое вещество помещают в лодочку из тугоплавкого материала. Основные требования к материалу лодочки:

Лодочку помещают в горизонтальную трубу, у которой один конец может быть запаян или через него подают инертный газ. Если он запаян, то другой конец трубы соединен с вакуумной установкой.

Один конец образца расплавляется, затем расплавленная зона начинает двигаться вдоль слитка. Длина расплавленной зоны зависит от длины слитка и составляет несколько сантиметров. Вещество плавится либо индукционными токами, либо теплопередачей в печи сопротивления. Скорость движения составляет, как правило, от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров в час. Движение может осуществляться либо за счет вытягивания лодочки через неподвижную печь, либо смещением зоны нагрева. Иногда для повышения эффективности увеличивают число проходов зоны или число зон. Распределение примеси характеризуется коэффициентом распределения, который равен

где С_S — концентрация примеси в твердой фазе, С_L — концентрация примеси в жидкой фазе.

Иногда вместо коэффициента распределения K используют коэффициент разделения α, который равен

Примеси, для которых коэффициент распределения K 1, наоборот, концентрируются в начале слитка. Если осуществить многократное прохождение расплавленной зоны, то примеси с K 1 метод мало эффективен. Самые чистые части слитка (из середины) используются для изготовления приборов. Таким методом можно очистить германий до образцов с удельным сопротивлением порядка 70 Ом·см, в которых остается примерно один атом примеси на 10 10 атомов германия.

Если расплав вступает в реакцию с материалом тигля (лодочки), или очищаемое вещество имеет высокую температуру плавления (>1500 °C), применяют бестигельную зонную плавку.

Метод обладает рядом недостатков. Основной недостаток — невозможность масштабирования, так как скорость процесса определяется скоростью диффузии примеси. Поэтому метод применяется для конечной стадии очистки при получении особо чистых веществ. Максимальные габариты лодочки — длина 50 см, толщина 2–3 см, длина расплавленной зоны 5 см.

Источник

Модификация метода очистки зонной плавкой. Контроль чистоты материала и оценка содержания в нем примесей

На степень очистки материала методом зонной плавки влияют такие параметры, как ее скорость, чистота контейнера, в котором она производится, и температура плавления очищаемого материала.

В реальных условиях фронт кристаллизации может двигаться со скоростью большей, чем скорость диффузии примеси в расплаве. В этих неравновесных условиях связь между концентрациями в твердой и жидкой фазах описывается с помощью эффективного коэффициента разделения K. Для повышения эффективности процесса очистки необходимо предельно приблизить значение K к K0. Это может быть достигнуто за

Рис. 5.13. Распределение примеси с K = 0.1 при l = 0.1 после n проходов зоны (n = 10) с учетом эффекта последней зоны [38].

счет уменьшения скорости кристаллизации (уменьшения скорости движения зоны). Как правило, для того чтобы в зоне действительно успевало установиться равновесное распределение оттесненной примеси, берут скорость движения зоны, равную 1–3 мм/ч.

Если учитывать, что для получения предельной очистки необходимо ≈10 проходов зоны (см. рис. 5.13), то результирующее время очистки оказывается довольно большим. В процессе всего этого времени расплав контактирует с горячим контейнером и окружающими элементами разогретой установки. Если контейнер недостаточно чист, то он сам служит непрерывным источником примесей, и, таким образом, именно эти примеси, а не примеси в исходном материале, лимитируют степень очистки. В промышленных условиях, где длина очищаемых слитков может превышать 0.5 м, для сокращения времени очистки зонную плавку проводят в многосекционном виде, то есть по длине слитка располагают несколько расплавленных зон одновременно. Однако и в этом случае время контакта очищаемого материала со стенками контейнера достаточно большое. Поэтому проблема контейнера ставит в некоторых случаях непреодолимые трудности перед «глубокой» очисткой материала.

Характерным примером может служить кремний, который в расплавленном состоянии активно реагирует с графитом и кварцем, широко использующимися в качестве материалов для контейнеров. Графит хорошо смачивается расплавленным кремнием, поэтому отделить после плавки материал от контейнера оказывается невозможно. Взаимодействие расплавленного кремния с кварцем приводит к загрязнению расплава при

месями, имеющимися в кварце, в первую очередь кислородом, а также к растрескиванию слитка и кварцевой лодочки при остывании их после прохода зоны. Концентрация кислорода в таком «очищенном» кремнии превышает 1018 см−3.

Для устранения этих явлений был разработан специальный вид зонной плавки — вертикальная бестигельная зонная плавка, — при которой расплавленная зона контактирует только с газовой фазой. Вертикальная бестигельная зонная плавка обеспечивает возможность металлургической очистки кремния и получения его с широким диапазоном сопротивлений и малым содержанием кислорода. Схема такой установки приведена на рис. 6.4,б.

Важнейшим отличительным признаком монокристаллов кремния, полученных бестигельной зонной плавкой в вакууме, является малое содержание в них кислорода (≈1016 см−3). Это связано с тем, что кислород быстро испаряется из расплавленного Si, поэтому для получения кристаллов с малым содержанием кислорода обычно достаточно одного прохода зоны в вакууме независимо от его содержания в исходном Si. При плавке в газовой атмосфере, меняя состав газовой фазы, можно получить Si с заданным содержанием кислорода. Поэтому именно бестигельный метод используется для получения особо чистого, «бескислородного» кремния, необходимого для изготовления работающих при комнатной температуре фотоприемников для ближней ИКи видимой области спектра. Если кремний удается очистить до остаточной концентрации носителей заряда n(p) = |Nd − Na| 103 Ом · см), и он характеризуется достаточно высокими временами жизни неравновесных носителей заряда τn(p) > 100 мкс, то такой материал имеет марку «детекторный», и из него изготавливают чувствительные фотоприемники, работающие без специального охлаждения. Однако их стабильная по времени работа (фоточувствительность) зависит от такого параметра материала, как степень компенсации примесей Nd/Na. Чем больше Nd/Na отличается от 1, тем стабильнее фоточувствительность. Поэтому целью очистки является не только повышение ρ, но и получение слабо компенсированного материала.

Для того, чтобы получить слабо компенсированный материал, годный для изготовления фотодетекторов, надо определить необходимое для этой цели число проходов зоны по кремнию. При этом для оценки степени чистоты материала нужно, во-первых, найти зависимость удельного сопротивления ρ от числа проходов зоны в Si и, во-вторых, определить степень компенсации примесей в уже очищенном материале. Обычно

Рис. 5.14. Зависимость отношения удельного сопротивления ρ к собственному ρi от числа проходов зоны n в кремнии (сплошная линия) и в германии (пунктирная линия).

при очистке кремния методом вертикальной бестигельной зонной плавки пользуются предварительно очищенным от бора кремнием (например, химическими методами). Это связано с тем, что коэффициент разделения бора в кремнии близок к 1, и избавиться от него металлургическими методами чрезвычайно сложно. Однако было обнаружено, что при промежуточном контроле за степенью очистки материала, требующем нанесения и затем снятия контактов (после каждого прохода зоны), в кристалл при последующем зонном проходе вносится бор в концентрации 2.5 · 1012 см−3. Возникает проблема с определением зависимости ρ(n).

Для того, чтобы избежать загрязнения кремния бором, но иметь возможность определения ρ после каждого прохода зоны, необходимо вести зонную плавку, непрерывно смещая при каждом последующем проходе начальное положение зоны на контролируемое расстояние δxn 1 вдоль слитка. Тогда на соответствующих участках после окончания полного цикла очистки можно будет измерить удельное сопротивление, не боясь внести бор в объем материала. Зависимость удельного сопротивления кремния от числа проходов зоны n показана на рис. 5.14. Для сравнения приведена и соответствующая зависимость для германия.

Анализ содержания остаточных примесей в предельно очищенном Si показывает, что основной акцепторной примесью является бор, а неосновной (донорной) — фосфор. При этом в процессе очистки Na остается примерно неизменным при всех n (так как KB ≈ 1), а Nd уменьшается с ростом n. Таким образом (в отличие от Ge), кристалл с удельным сопротивлением ρ, близким к удельному сопротивлению собственного кремния ρi, отвечает не наиболее чистому, а компенсированному материалу. Наиболее чистым по суммарной концентрации примесей (Nd + Na) является материал p-типа после 7 проходов, хотя |Nd − Na| в нем на порядок выше, чем в том же материале после 4–5 проходов.

После 7–10 проходов зоны Si очищается от всех примесей кроме бора, который определяет величину конечного сопротивления Si при полной очистке или степень компенсации при легировании примесями n-типа. Для увеличения чистоты Si по бору или получения некомпенсированного Si дырочного типа с высоким сопротивлением применяется специальный метод зонной плавки: так называемая плавка в атмосфере влажного водорода. В основу этого метода положено удаление бора из расплава за счет реакции с газовой фазой. Используются обычные установки зонной плавки, но в них над расплавом пропускается водород, насыщенный парами воды. Степень очистки растет с уменьшением скорости перемещения зоны и с увеличением числа проходов зоны. Наряду с летучими соединениями бора происходит улетучивание и части кремния, который осаждается в виде окислов вместе с окислами бора на стенках установки.

Наиболее эффективным методом контроля количественного содержания донорных и акцепторных примесей, степени их компенсации и общего качества материала является исследование температурных зависимостей концентрации основных носителей заряда (постоянной Холла RH (T )) и удельного сопротивления ρ(T ) в широкой области температур, включая область частичной и полной ионизации примесей. Параллельные измерения ρ и RH обеспечивают возможность определения температурной зависимости холловской подвижности носителей заряда µx = RH /ρ, которая характеризует степень компенсации и однородность материала.

Рис. 5.15. Температурные зависимости концентраций (а) и подвижностей (б) дырок после пяти и семи проходов зоны.

неоднородности и быстрого спада µx с понижением температуры, практически невозможны.

Наличие экспоненты на кривой p(1/T ) с определенной энергией ионизации (для бора в кремнии Eav ≈ 0.05 эВ) позволяет определить величину (Na − Nd)/Nd, в то время как величина (Na − Nd) легко находится из высокотемпературного плато p(T ). Все вместе это позволяет определить концентрации «основной» и компенсирующей примесей раздельно. Кривая 7 на рис. 5.15 соответствует (Na − Nd) ≈ 5 · 1011 см−3, и расчет дает, что Nd/Na = 0.2. В сочетании с величиной максимальной подвижности дырок µ = 105 см2/В · с, этот результат очистки кремния можно считать хорошим.

Источник: И. А. Случинская, Основы материаловедения и технологии полупроводников, Москва — 2002

Источник

Зонная очистка

ЛЕКЦИЯ 3

В настоящее время для получения металлов очень высокой чистоты применяют повторные кристаллизации, длинного слитка металла по методу зонной плавки.

При зонной плавке в слитке металла, лежащем в длинной лодочке, специальными нагревателями создаются возможно короткие зоны расплавленного металла, как это показано на рис. 17. Нагревателем может служить индуктор — кольцевой виток проволоки, питаемый током высокой частоты. Индуктор создает в коротком участке слитка вихревые. токи, расплавляющие металл

Рис.9 Схема зонной очистки

Металл перед надвигающейся расплавленной зоной постепенно, плавится и смешивается с жидким металлом зоны; в другом конце зоны, удаляющемся от нагревателя, идет кристаллизация металла. При такой обработке металл: слитка подвергается расплавлению и кристаллизации в каждой зоне, создаваемой индукторами. Примеси, концентрирующиеся в жидкой фазе, накапливаются в жидкой части сплава и перемещаются вперед по направлению движения расплавленной зоны.

Из-за изменения объема металла при плавлении не­обходимо, устанавливать лодочку с наклоном к горизонту, так чтобы толщина слоя жидкого металла у заднего конца зоны точно равнялась бы толщине исходного слитка. Без этой предосторожности слиток получится клиновидным и возможны переливы жидкости через борт лодочки.

Процесс у заднего конца зоны описывается законом кристаллизации с полностью заторможенной диффузией [см. (5)]:

(10)

где b3 и а3 — числа молей (или массы) компонентов в расплаве зоны в момент образования малой порции кристаллов состава dB/dA.

(11)

где- -число молей компонента В, содержащегося на участке исходного сплава длиной x+l, a В.—число молей этого компонента в закристаллизовавшейся к данному моменту части слитка длиной х. Число молей компонента А в зоне постоянно и равно а_о=а₃; число молей компонента А в малой порции кристаллов dA равно a_odx.

Подставив найденные значения b₃, а₃ и dA в выражение основной закономерности получим следующее уравнение:

(12)

Поскольку функция to = F(x) предполагается известной, то приведенное уравнение будет линейным дифференциальным уравнением первого порядка. Его общее решение:

(13)

выражает закономерность изменения количества примеси по длине слитка, при зонной плавке. Если т. е. состав исходного слитка не изменяется по длине, то решение, имеет следующий вид:

(14)

Изменение состава кристаллического продукта, по длине слитка после прохождения одной зоны dB/dA

(15)

Выражения (13), (14), (15) описывают процесс кристаллизации слитка, за исключением последнего участка с сокращающейся зоной, где процесс подчиняется закономерности направленной кристаллизации.

На рис. 18 приведены графики изменения состава од­нородного слитка после прохождения одной зоны, со­ставляющей 1/10 длины слитка. По оси абсцисс откладывается расстояние от начала слитка в единицах длины зоны, по оси ординат — относительное изменение состава слитка в данной точке — величина (если изменения велики, то целесообразно использовать логарифмический масштаб).

График изменения состава слитка по длине для процесса с К=0,7 состоит из трех участков: начального— обедненного примесью, среднего — с постоянным содержанием примеси и конечного — обогащенного примесью. Такая закономерность характерна, при близких к. единице коэффициентах распределения, большой длине слитка и короткой зоне. График для процесса с К= 0,05 имеет только два участка: первый, простирающийся более чем на 9/10 длины слитка и обедненный примесью, и короткий конечный участок, сильно обогащенный примесью.

Рис.10 Изменение состава слитка при прохождении одной зоны

. Как рафинирующий процесс зонная плавка при одной зоне менее эффективна, чем направленная кристаллизация. Однако, зонную плавку можно технически: прос­то повторять многократно, проводя лодочку с металлом через ряд зон, или повторно через одну зону. Каждый проход через зону повышает чистоту металла передней части слитка, так как примеси перемещаются, в направлении движения зоны и концентрируются в последнем участке слитка. После нужного числа проходов слиток разрезают. Передняя часть слитка составляет конечный продукт, процесса рафинирования.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник