Zonenschmelzen

(links) Pfann (links) zeigt das erste Zonenschmelzrohr, Bell Labs, 1953. (rechts) Vertikale Zonenschmelze, 1961. Die Induktionsheizspule schmilzt einen Abschnitt des Metallstabs im Rohr. Die Spule bewegt sich langsam im Rohr nach unten und transportiert die Schmelzzone bis zum Ende des Stabs.

Zonenschmelzen (auch Zonenraffination , Floating-Zone-Verfahren oder Floating-Zone-Technik genannt ) ist eine Gruppe ähnlicher Verfahren zur Kristallreinigung. Dabei wird ein schmaler Bereich eines Kristalls aufgeschmolzen und diese Schmelzzone durch den Kristall bewegt. Die Schmelzzone schmilzt an ihrer Vorderkante verunreinigtes Material und hinterlässt hinter sich eine Spur aus reinerem, erstarrtem Material. Die Verunreinigungen konzentrieren sich in der Schmelze und werden zu einem Ende des Kristallblocks transportiert. Die Zonenraffination wurde von John Desmond Bernal ^{[ 1 ]} erfunden und von William G. Pfann ^{[ 2 ]} in den Bell Labs als Verfahren zur Herstellung hochreiner Materialien, hauptsächlich Halbleiter , für die Transistorfertigung weiterentwickelt . Ihre erste kommerzielle Anwendung erfolgte bei Germanium , das auf ein Verunreinigungsatom pro zehn Milliarden Atome raffiniert wurde ^{[ 3 ].} Das Verfahren lässt sich jedoch auf nahezu jedes Lösungsmittel - Lösungsmittel- System mit einem signifikanten Konzentrationsunterschied zwischen fester und flüssiger Phase im Gleichgewichtszustand anwenden . ^{[ 4 ]} Dieses Verfahren ist insbesondere bei der Verarbeitung von Halbleitermaterialien auch als Float-Zone-Verfahren bekannt.

Das Prinzip beruht darauf, dass der Segregationskoeffizient k (das Gleichgewichtsverhältnis einer Verunreinigung in der festen Phase zu der in der flüssigen Phase) üblicherweise kleiner als eins ist. Daher diffundieren die Verunreinigungsatome an der Fest/Flüssig-Grenze in die flüssige Zone. Indem man einen Kristallblock sehr langsam durch einen dünnen Ofenabschnitt führt , sodass jeweils nur ein kleiner Bereich des Blocks schmilzt, segregieren die Verunreinigungen am Ende des Kristalls. Da die verbleibenden, erstarrenden Bereiche keine Verunreinigungen enthalten, kann der Block zu einem perfekten Einkristall heranwachsen , wenn ein Impfkristall an der Basis platziert wird, um das Kristallwachstum in eine gewünschte Richtung einzuleiten. Wenn hohe Reinheit erforderlich ist, wie beispielsweise in der Halbleiterindustrie, wird das verunreinigte Ende des Blocks abgeschnitten und der Raffinationsprozess wiederholt.

Bei der Zonenschmelze werden gelöste Stoffe an einem Ende des Rohlings abgetrennt, um den Rest zu reinigen oder die Verunreinigungen anzureichern. Beim Zonennivellieren hingegen ist das Ziel, den gelösten Stoff gleichmäßig im gereinigten Material zu verteilen, das idealerweise in Form eines Einkristalls angestrebt wird . Beispielsweise wird bei der Herstellung eines Transistors oder einer Diode ein Germaniumrohling zunächst durch Zonenschmelze gereinigt. Anschließend wird eine kleine Menge Antimon in die Schmelzzone gegeben, die durch das reine Germanium geleitet wird. Durch die Wahl der Heizrate und anderer Parameter lässt sich das Antimon gleichmäßig im Germanium verteilen. Dieses Verfahren wird auch zur Herstellung von Silizium für integrierte Schaltkreise („Chips“) eingesetzt.

Für das Zonenschmelzen können verschiedene Heizgeräte eingesetzt werden. Ihr wichtigstes Merkmal ist die Fähigkeit, kurze, sich langsam und gleichmäßig durch den Gussblock bewegende Schmelzzonen zu erzeugen. Induktionsspulen , Ringwiderstandsheizer oder Gasflammen sind gängige Methoden. Eine andere Methode besteht darin, einen elektrischen Strom direkt durch den Gussblock in einem Magnetfeld zu leiten . Die resultierende magnetomotorische Kraft wird präzise auf das Gewicht des Gussblocks eingestellt, um die Schmelze in der Schwebe zu halten. Optische Heizgeräte mit Hochleistungs- Halogen- oder Xenonlampen werden in Forschungseinrichtungen, insbesondere zur Herstellung von Isolatoren, häufig verwendet. Ihr Einsatz in der Industrie ist jedoch durch die relativ geringe Leistung der Lampen begrenzt, was die Größe der mit dieser Methode erzeugten Kristalle einschränkt. Das Zonenschmelzen kann diskontinuierlich oder kontinuierlich erfolgen. Bei der kontinuierlichen kontinuierlichen kontinuierlichen kontinuierlichen kontinuierlichen Zonenschmelze wird an einem Ende frisches, unreines Material zugeführt und am anderen Ende reineres Material entnommen. Die Abfuhrrate der unreinen Zonenschmelze richtet sich nach der Reinheit des Ausgangsmaterials.

Bei indirekt beheizten Floating-Zone -Verfahren wird ein induktionsbeheizter Wolframring verwendet, um den Ingot durch Strahlung zu erwärmen. Diese Verfahren sind nützlich, wenn es sich bei dem Ingot um einen Halbleiter mit hohem spezifischen Widerstand handelt, bei dem die klassische Induktionserwärmung unwirksam ist.

Wenn sich die flüssige Zone um eine bestimmte Strecke bewegt , ändert sich die Anzahl der Verunreinigungen in der Flüssigkeit. Verunreinigungen werden in die schmelzende Flüssigkeit und den erstarrenden Feststoff eingebaut. ^{[ 5 ]}${\displaystyle dx}$

${\displaystyle k_{O}}$: Segregationskoeffizient

${\displaystyle L}$: Zonenlänge

${\displaystyle C_{O}}$: anfängliche gleichmäßige Verunreinigungskonzentration des verfestigten Stabes

${\displaystyle C_{L}}$Konzentration von Verunreinigungen in der flüssigen Schmelze pro Längeneinheit

${\displaystyle I}$: Anzahl der Verunreinigungen in der Flüssigkeit

${\displaystyle I_{O}}$Anzahl der Verunreinigungen in der Zone bei ihrer ersten Bildung am Boden

${\displaystyle C_{S}}$Konzentration von Verunreinigungen im festen Stab

Die Anzahl der Verunreinigungen in der Flüssigkeit ändert sich während der Bewegung der Schmelzzone gemäß der unten stehenden Gleichung.${\displaystyle dx}$

${\displaystyle dI=(C_{O}-k_{O}C_{L})\,dx\;}$

${\displaystyle C_{L}=I/L\;}$

${\displaystyle \int _{0}^{x}dx=\int _{I_{O}}^{I}{\frac {dI}{C_{O}-{\frac {k_{O}I}{L}}}}}$

${\displaystyle I_{O}=C_{O}L\;}$

${\displaystyle C_{S}=k_{O}I/L\;}$

${\displaystyle C_{S}(x)=C_{O}\left(1-(1-k_{O})e^{-{\frac {k_{O}x}{L}}}\right)}$

Bei Solarzellen ist das Zonenschmelzverfahren besonders vorteilhaft, da das so erzeugte einkristalline Silizium wünschenswerte Eigenschaften aufweist. Die Lebensdauer der Ladungsträger im Volumen von Zonenschmelz-Silizium ist im Vergleich zu anderen Herstellungsverfahren am höchsten. Sie liegt bei etwa 1000 Mikrosekunden, verglichen mit 20–200 Mikrosekunden beim Czochralski-Verfahren und 1–30 Mikrosekunden bei gegossenem polykristallinem Silizium . Eine längere Lebensdauer im Volumen erhöht den Wirkungsgrad von Solarzellen signifikant.

Das Zonenschmelzverfahren wird zur Herstellung von Silizium -basierten Hochleistungshalbleiterbauelementen im Float-Zone- Verfahren eingesetzt. ^{[ 6 ] : 364}

Ein weiteres verwandtes Verfahren ist das Zonenumschmelzen , bei dem zwei gelöste Stoffe in einem reinen Metall verteilt werden. Dies ist wichtig für die Herstellung von Halbleitern, wo zwei gelöste Stoffe mit entgegengesetzter Leitfähigkeit verwendet werden. Beispielsweise erzeugen in Germanium fünfwertige Elemente der Gruppe V wie Antimon und Arsen negative (n-leitende) Eigenschaften, während dreiwertige Elemente der Gruppe III wie Aluminium und Bor positive (p-leitende) Eigenschaften erzeugen. Durch das Schmelzen eines Teils eines solchen Blocks und das anschließende langsame Wiedereinfrieren verteilen sich die gelösten Stoffe in der Schmelze und bilden die gewünschten np- und pn-Übergänge.

• Fraktioniertes Einfrieren, auch Gefrierdestillation genannt
• Monokristallines Silizium
• Wafer (Elektronik)

• Hermann Schildknecht (1966), Zonenschmelzen , Weinheim: Verlag Chemie
• Müller, G. (1988). Kristallwachstum aus der Schmelze . Kristalle. Band 12. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. doi : 10.1007/978-3-642-73208-9 . ISBN 978-3-642-73210-2Abgerufen am 23.11.2023 .