ЗОННАЯ ПЛАВКА
зонная
перекристаллизация, кристаллофизич. метод рафинирования материалов, к-рый
состоит в перемещении узкой расплавл. зоны вдоль длинного твёрдого стержня
из рафинируемого материала. 3. п. можно подвергать почти все технически
важные металлы, полупроводники, диэлектрики, неорганич. и органич. соединения
- св. 120 веществ.
Первое упоминание о применении
3. п. относится к 1927, когда этот метод был использован для очистки железа.
Широкую известность 3. п. получила в 1952 благодаря работам В. Пфанна (США),
к-рый применил её для получения германия высокой степени чистоты в спец.
контейнере (контейнерная 3. п.).
Для осуществления контейнерной
3. п. на твёрдой загрузке, помещ. в контейнер, создаётся небольшой расплавл.
участок, наз. зоной, к-рый перемещается вдоль загрузки. При этом на одной
поверхности раздела твёрдой и жидкой фаз (фронт кристаллизации) происходит
кристаллизация материала, а на другой (фронт плавления)- подпитка зоны
исходным материалом. Контейнерная 3. п. применяется для очистки материала,
не взаимодействующего с материалом контейнера. Для очистки полупроводникового
кремния П. Кек и М. Голей (США) в 1953 предложили метод бестигельной 3.
п. вертикально располож. стержня (т. н. метод плавающей зоны). При этом
расплавл. зона удерживается в основном силами поверхностного натяжения,
поэтому бестигельная 3. п. широко применяется для тугоплавких или активных
материалов с достаточно высоким поверхностным натяжением и не очень большой
плотностью в жидком состоянии (кремний, германий, молибден, вольфрам, платина,
паладий, рений, ниобий и др.). После 1955 3. п. широко применяется в лабораторной
и заводской практике для получения чистых материалов с содержанием примесей
до 10-7-10-9% (т. н. зонная очистка), для легирования
и равномерного распределения примеси по слитку (т. н. зонное выравнивание),
а также для выращивания монокристаллов, концентрирования примесей в аналитич.
практике, создания эталонов высокой чистоты, исследования диаграмм состояния
и пр. Зонная очистка основана на том, что при равновесии между жидкой и
твёрдой фазами растворимость примесей в жидкой и твёрдой фазах различна.
Для получения чистых материалов обычно расплавл. зону перемещают по слитку
неск. раз или одновременно на слитке создают неск. перемещающихся расплавл.
зон с участками твёрдого материала между ними. Скорость перемещения расплавл.
зон обычно 0,1-10 мм/мин, число проходов 10-15 и более. Очистку
заканчивают при достижении предельного (конечного) распределения примеси,
к-рое не может быть изменено последующими перемещениями зон.
Эффективность зонной очистки
материала от примеси зависит от коэффициента распределения этой примеси
- отношения концентрации примеси в твёрдой фазе к концентрации в жидкой
фазе, от количества проходов и скорости перемещения зоны, от отношения
длины слитка к длине зоны. Зонное выравнивание заключается в том, что в
первую зону помещается легирующая добавка, к-рая при многократном перемещении
зоны по слитку равномерно распределяется по его длине. Иногда для равномерного
распределения примеси по слитку применяют попеременное движение зоны от
начала к концу слитка и обратно. 3. п. может быть использована одновременно
с очисткой и для получения монокристаллов. Для этого применяется затравочный
кристалл - монокристаллический зародыш, ориентированный в заданном кристаллографическом
направлении. В месте стыка затравочного кристалла со стержнем, подлежащим
3. п., создаётся первая расплавл. зона, причём расплавляется часть стержня
и часть затравки. На границе раздела фаз "затравка - расплав" создаются
тепловые условия, обеспечивающие при затвердевании расплава со стороны
затравки контролируемую кристаллизацию в обусловленном затравкой направлении.
Особый вид - 3. п. с температурным градиентом (метод изготовления р-п
переходов,
получения фосфидов и арсенидов галлия и индия). В этом случае между границами
жидкой зоны создаётся разность температур и концентраций. В связи с различной
растворимостью компонентов системы при различной темп-ре происходит перемещение
зоны в направлении градиента темп-р. Обычно скорости перемещения зоны 0,1-1,0
мм/ч,
температурная
разность до 80 град/мм.
В зависимости от назначения,
условий проведения процесса и производительности для 3. п. применяется
разнообразная аппаратура. По способу осуществления различают контейнерные
и бестигельные установки, к-рые в свою очередь делятся по характеру процесса
на периодич., методич. и непрерывные; по расположению плавящегося материала
- на горизонт. и вертик.; по способу перемещения зоны - на установки с
перемещающимся слитком или нагревателем; по способу нагрева зоны - на установки,
использующие нагреватели сопротивления (для материалов с темп-рой плавления
до 1500 °С), индукционный нагрев (для плавки веществ с хорошей электропроводностью
в вакууме или инертной газовой среде), электроннолучевой нагревдля плавки
в вакууме материалов с высокой темп-рой плавления), радиац. нагрев (для
материалов с низкой температурой плавления), нагрев теплопроводностью,
джоулевым теплом и пр.; по способу перемешивания зоны (конвентивное, механич.,
электромагнитное); по составу атмосферы (вакуум, инертный или защитный
газ).
Рис.1.Схемаконтейнерной зонной
плавки.
Аппаратура контейнерной 3.
п. (рис. 1) представляет собой горизонтальную трубу 1, в к-рой перемещается
контейнер 2 с очищаемой загрузкой 4. Нагреватели 3 устанавливаются
снаружи трубы и нагревают либо загрузку, либо контейнер. Зонноочищенные
слитки олова достигают 60 кг, германия - 10 кг, арсенида
галлия - 1 кг. Бестигельная 3. п. (рис. 2) осуществляется в вертикальной
трубе 1, в к-рой устанавливается подлежащий очистке стержень 2. Нагреватель
3
располагается
вокруг стержня снаружи или внутри трубы. Диаметр зонноочищенных слитков
кремния достигает 35-50 мм, бериллия, железа - 25 мм,
ванадия
- 15 мм.
Рис.2. Схема бестигельной
зонной плавки.
Контейнерная 3. п. развивается
в направлении создания установок и процессов непрерывной 3. п. (зоннопустотный,
зоннотранспортный, электродинамич. методы и др.), увеличения интенсивности
очистки, уменьшения неоднородности получаемых кристаллов, увеличения степени
их чистоты. Развитие бестигельной 3. п. осуществляется по пути увеличения
размеров монокристаллов (диаметр 55-65 мм), интенсификации процесса
очистки, достижения однородности распределения примесей и дефектов структуры.
Разработка оптимальных режимов, создание более совершенной аппаратуры,
автоматизация процесса, применение методов программирования характеризуют
общую тенденцию развития 3. п.
Лит.: Парр Н., Зонная
очистка и ее техника, пер. с англ., М., 1963; Зонная плавка сб. под ред.
В. Н. Вигдоровича, М., 1966; Романенко В. Н., Получение однородных полупроводниковых
кристаллов, М., 1966; Вигдорович В. Н., Очистка металлов и полупроводников
кристаллизацией, М., 1969; Пфанн В. Дж., Зонная плавка, пер. с англ.,
М., 1960.
К. Я. Неймарк.
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я