Zona de fusão - Zone melting

Cristalização
Fundamentos
Cristal  · Estrutura cristalina  · Nucleação
Conceitos
A cristalização  · Crescimento de Cristais recristalização  · cristal semente Protocrystalline  · cristal único
Métodos e tecnologia
Método Boules Bridgman-Stockbarger Processo de barra de cristal Método Czochralski Epitaxy  · Método de fluxo Cristalização fracionada Congelamento fracionário Síntese hidrotérmica Método de Kyropoulos Crescimento de pedestal aquecido a laser Micro-pull-down Processos de modelagem em crescimento de cristal Cadinho de crânio Método Verneuil Derretimento de zona
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(à esquerda) Pfann, à esquerda, mostrando o primeiro tubo de refino de zona, Bell Labs, 1953
(à direita) Refino de zona vertical, 1961. A bobina de aquecimento por indução derrete uma seção da barra de metal no tubo. A bobina se move lentamente pelo tubo, movendo a zona fundida para o final da barra.

A fusão por zona (ou refino de zona , ou método de zona flutuante ou técnica de zona flutuante ) é um grupo de métodos semelhantes de purificação de cristais, em que uma região estreita de um cristal é fundida e esta zona fundida é movida ao longo do cristal. A região derretida se funde com um sólido impuro em sua borda dianteira e deixa um rastro de material mais puro solidificado atrás dela enquanto se move através do lingote. As impurezas se concentram no fundido e são movidas para uma das extremidades do lingote. O refino de zona foi inventado por John Desmond Bernal e posteriormente desenvolvido por William Gardner Pfann na Bell Labs como um método para preparar materiais de alta pureza, principalmente semicondutores , para a fabricação de transistores . Seu primeiro uso comercial foi em germânio , refinado a um átomo de impureza por dez bilhões, mas o processo pode ser estendido a virtualmente qualquer soluto - sistema solvente tendo uma diferença de concentração apreciável entre as fases sólida e líquida em equilíbrio. Este processo também é conhecido como processo de zona de flutuação, particularmente no processamento de materiais semicondutores.

Um diagrama do processo de refino de zona vertical usado para cultivar gelo de cristal único a partir de um material inicialmente policristalino. A convecção no banho é resultado da densidade máxima da água a 4 ° C.

Cristal de silício no início do processo de crescimento

Cristal de silício em crescimento

Um único cristal de tântalo de alta pureza ( 5N ) , feito pelo processo de zona flutuante (objeto cilíndrico no centro)

Detalhes do processo

O princípio é que o coeficiente de segregação k (a proporção de uma impureza na fase sólida para aquela na fase líquida) é geralmente menor que um. Portanto, no limite sólido / líquido, os átomos de impureza se difundirão para a região do líquido. Assim, ao passar um boule de cristal por uma seção delgada do forno muito lentamente, de modo que apenas uma pequena região do boule seja fundida a qualquer momento, as impurezas serão segregadas no final do cristal. Por causa da falta de impurezas nas regiões remanescentes que se solidificam, o boule pode crescer como um único cristal perfeito se um cristal de semente for colocado na base para iniciar uma direção escolhida de crescimento do cristal. Quando alta pureza é necessária, como na indústria de semicondutores, a extremidade impura do boule é cortada e o refino é repetido.

No refino de zona, os solutos são segregados em uma extremidade do lingote para purificar o restante ou para concentrar as impurezas. No nivelamento por zona , o objetivo é distribuir o soluto uniformemente por todo o material purificado, o que pode ser buscado na forma de um único cristal . Por exemplo, na preparação de um transistor ou semicondutor de diodo , um lingote de germânio é primeiro purificado por refino de zona. Em seguida, uma pequena quantidade de antimônio é colocada na zona fundida, que é passada através do germânio puro. Com a escolha adequada da taxa de aquecimento e outras variáveis, o antimônio pode ser espalhado uniformemente pelo germânio. Essa técnica também é usada para a preparação de silício para uso em chips de computador .

Aquecedores

Uma variedade de aquecedores pode ser usada para fusão por zona, sendo sua característica mais importante a capacidade de formar pequenas zonas de fusão que se movem lenta e uniformemente através do lingote. Bobinas de indução , aquecedores de resistência em anel ou chamas de gás são métodos comuns. Outro método é passar uma corrente elétrica diretamente pelo lingote enquanto ele está em um campo magnético , com a força magnetomotriz resultante cuidadosamente ajustada para ser igual ao peso para manter o líquido em suspensão. Aquecedores ópticos usando lâmpadas de halogênio ou xenônio de alta potência são amplamente utilizados em instalações de pesquisa, particularmente para a produção de isoladores, mas seu uso na indústria é limitado pela potência relativamente baixa das lâmpadas, o que limita o tamanho dos cristais produzidos por este método. A fusão de zona pode ser feita como um processo em lote ou pode ser feita continuamente, com material impuro fresco sendo continuamente adicionado em uma extremidade e o material mais puro sendo removido da outra, com a fusão de zona impura sendo removida em qualquer taxa ditada pela impureza do estoque de ração.

Os métodos de zona flutuante de aquecimento indireto usam um anel de tungstênio aquecido por indução para aquecer o lingote radiativamente e são úteis quando o lingote é de um semicondutor de alta resistividade no qual o aquecimento por indução clássico é ineficaz.

Expressão matemática da concentração de impurezas

Quando a zona de líquido se move por uma distância , o número de impurezas no líquido muda. As impurezas são incorporadas no líquido de fusão e no sólido de congelamento. ${\ displaystyle dx}$

${\ displaystyle k_ {O}}$: coeficiente de segregação

${\ displaystyle L}$: comprimento da zona

${\ displaystyle C_ {O}}$: concentração inicial de impurezas uniforme da haste

${\ displaystyle C_ {L}}$: concentração de impurezas no líquido

${\ displaystyle I}$: número de impurezas no líquido

${\ displaystyle I_ {O}}$: número de impurezas na zona quando formada pela primeira vez na parte inferior

O número de impurezas no líquido muda de acordo com a expressão abaixo durante o movimento da zona de fusão ${\ displaystyle dx}$

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

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

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

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

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

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

Formulários

Células solares

Em células solares, o processamento de zona de flutuação é particularmente útil porque o silício de cristal único cultivado tem propriedades desejáveis. A vida útil do transportador de carga a granel em silício de zona flutuante é a mais alta entre os vários processos de fabricação. A vida útil do portador de zona flutuante é de cerca de 1000 microssegundos em comparação com 20–200 microssegundos com o método de Czochralski e 1–30 microssegundos com silício policristalino fundido . Uma vida útil mais longa aumenta significativamente a eficiência das células solares .

Processos relacionados

Refusão de zona

Outro processo relacionado é a refusão por zona , em que dois solutos são distribuídos através de um metal puro. Isso é importante na fabricação de semicondutores, onde dois solutos de tipo de condutividade oposta são usados. Por exemplo, no germânio, os elementos pentavalentes do grupo V , como antimônio e arsênio, produzem condução negativa (tipo n) e os elementos trivalentes do grupo III , como alumínio e boro, produzem condução positiva (tipo p). Ao derreter uma porção de tal lingote e recongelá-lo lentamente, os solutos na região fundida tornam-se distribuídos para formar as junções np e pn desejadas.

Veja também

• Congelamento fracionário
• Congelar destilação
• Bolacha

Referências

• William G. Pfann (1966) Zone Melting , 2ª edição, John Wiley & Sons .
• Hermann Schildknecht (1966) Zone Melting , Verlag Chemie.
• Georg Müller (1988) Crystal growth from the fundido Springer-Verlag, Science 138 páginas ISBN  3-540-18603-4 , ISBN  978-3-540-18603-8