Zona de fusión - Zone melting

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(izquierda) Pfann, a la izquierda, mostrando el tubo de refinación de la primera zona, Bell Labs, 1953
(derecha) Refinado de la zona vertical, 1961. La bobina de calentamiento por inducción derrite una sección de la barra de metal en el tubo. La bobina se mueve lentamente por el tubo, moviendo la zona fundida hasta el final de la barra.

La zona de fusión (o refinación de zona , o método de zona flotante , o técnica de zona flotante ) es un grupo de métodos similares de purificación de cristales, en los que se funde una región estrecha de un cristal y esta zona fundida se mueve a lo largo del cristal. La región fundida derrite el sólido impuro en su borde delantero y deja una estela de material más puro solidificado detrás de ella a medida que se mueve a través del lingote. Las impurezas se concentran en la masa fundida y se mueven a un extremo del lingote. El refinamiento de zonas fue inventado por John Desmond Bernal y desarrollado por William Gardner Pfann en Bell Labs como un método para preparar materiales de alta pureza, principalmente semiconductores , para la fabricación de transistores . Su primer uso comercial fue en germanio , refinado a un átomo de impureza por diez mil millones, pero el proceso puede extenderse a prácticamente cualquier sistema soluto - solvente que tenga una diferencia de concentración apreciable entre las fases sólida y líquida en equilibrio. Este proceso también se conoce como el proceso de la zona de flotación, particularmente en el procesamiento de materiales semiconductores.

Un diagrama del proceso de refinación de la zona vertical utilizado para cultivar hielo monocristalino a partir de un material inicialmente policristalino. La convección en la masa fundida es el resultado de la densidad máxima del agua a 4 ° C.

Cristal de silicio al inicio del proceso de crecimiento.

Cristal de silicio en crecimiento

Un monocristal de tantalio de alta pureza ( 5N ) , elaborado mediante el proceso de zona flotante (objeto cilíndrico en el centro)

Detalles del proceso

El principio es que el coeficiente de segregación k (la relación entre una impureza en la fase sólida y la de la fase líquida) suele ser menor que uno. Por lo tanto, en el límite sólido / líquido, los átomos de impurezas se difundirán a la región líquida. Por tanto, al hacer pasar una bola de cristal a través de una sección delgada del horno muy lentamente, de modo que sólo una pequeña región de la bola se funda en cualquier momento, las impurezas se segregarán en el extremo del cristal. Debido a la falta de impurezas en las regiones sobrantes que solidifican, la bola puede crecer como un monocristal perfecto si se coloca un cristal semilla en la base para iniciar una dirección elegida de crecimiento del cristal. Cuando se requiere alta pureza, como en la industria de semiconductores, se corta el extremo impuro de la bola y se repite el refinado.

En el refinado por zonas, los solutos se segregan en un extremo del lingote para purificar el resto o concentrar las impurezas. En la nivelación de zonas , el objetivo es distribuir el soluto uniformemente por todo el material purificado, que puede buscarse en forma de monocristal . Por ejemplo, en la preparación de un transistor o semiconductor de diodo , primero se purifica un lingote de germanio mediante refinación de zona. Luego se coloca una pequeña cantidad de antimonio en la zona fundida, que pasa a través del germanio puro. Con la elección adecuada de la velocidad de calentamiento y otras variables, el antimonio se puede esparcir uniformemente a través del germanio. Esta técnica también se utiliza para la preparación de silicio para su uso en chips de computadora .

Calentadores

Se puede utilizar una variedad de calentadores para la fusión por zonas, siendo su característica más importante la capacidad de formar zonas fundidas cortas que se mueven lenta y uniformemente a través del lingote. Las bobinas de inducción , los calentadores de resistencia de anillo enrollado o las llamas de gas son métodos comunes. Otro método es hacer pasar una corriente eléctrica directamente a través del lingote mientras está en un campo magnético , con la fuerza magnetomotriz resultante cuidadosamente ajustada para que sea exactamente igual al peso para mantener el líquido suspendido. Los calentadores ópticos que utilizan lámparas halógenas o de xenón de alta potencia se utilizan ampliamente en instalaciones de investigación, especialmente para la producción de aislantes, pero su uso en la industria está limitado por la potencia relativamente baja de las lámparas, lo que limita el tamaño de los cristales producidos por este método. La fusión de la zona se puede realizar como un proceso por lotes , o se puede hacer de forma continua, agregando continuamente material nuevo impuro en un extremo y el material más puro eliminándose del otro, con la zona fundida impura eliminada a la velocidad que dicte la impureza. de la materia prima.

Los métodos de zona flotante de calentamiento indirecto utilizan un anillo de tungsteno calentado por inducción para calentar el lingote radiativamente, y son útiles cuando el lingote es de un semiconductor de alta resistividad en el que el calentamiento por inducción clásico es ineficaz.

Expresión matemática de la concentración de impurezas.

Cuando la zona de líquido se mueve una distancia , el número de impurezas en el líquido cambia. Las impurezas se incorporan al líquido que se derrite y al sólido que se congela. ${\ displaystyle dx}$

${\ Displaystyle k_ {O}}$: coeficiente de segregación

${\ Displaystyle L}$: longitud de la zona

${\ Displaystyle C_ {O}}$: concentración inicial uniforme de impurezas de la varilla

${\ Displaystyle C_ {L}}$: concentración de impurezas en el líquido

${\ Displaystyle I}$: número de impurezas en el líquido

${\ Displaystyle I_ {O}}$: número de impurezas en la zona cuando se formaron por primera vez en la parte inferior

El número de impurezas en el líquido cambia de acuerdo con la expresión a continuación durante el movimiento de la zona fundida. ${\ displaystyle dx}$

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

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

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

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

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

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

Aplicaciones

Células solares

En las células solares, el procesamiento de la zona de flotación es particularmente útil porque el silicio monocristalino desarrollado tiene propiedades deseables. La vida útil del portador de carga a granel en el silicio de zona de flotación es la más alta entre varios procesos de fabricación. La vida útil de los portadores de la zona de flotación es de alrededor de 1000 microsegundos en comparación con los 20-200 microsegundos con el método de Czochralski y los 1-30 microsegundos con el silicio policristalino fundido . Una vida útil a granel más larga aumenta significativamente la eficiencia de las células solares .

Procesos relacionados

Refusión de zona

Otro proceso relacionado es la refundición por zonas , en la que dos solutos se distribuyen a través de un metal puro. Esto es importante en la fabricación de semiconductores, donde se utilizan dos solutos de tipo de conductividad opuesta. Por ejemplo, en el germanio, los elementos pentavalentes del grupo V como el antimonio y el arsénico producen conducción negativa (tipo n) y los elementos trivalentes del grupo III como el aluminio y el boro producen conducción positiva (tipo p). Al fundir una porción de dicho lingote y volver a congelarlo lentamente, los solutos en la región fundida se distribuyen para formar las uniones np y pn deseadas.

Ver también

• Congelación fraccionada
• Congelar destilación
• Oblea

Referencias

• William G. Pfann (1966) Zone Melting , 2da edición, John Wiley & Sons .
• Hermann Schildknecht (1966) Zona de fusión , Verlag Chemie.
• Georg Müller (1988) Crecimiento de cristales de la masa fundida Springer-Verlag, Science 138 páginas ISBN  3-540-18603-4 , ISBN  978-3-540-18603-8