Zona de fusión

(izquierda) Pfann, a la izquierda, mostrando el tubo de refinación de la primera zona, Bell Labs, 1953
(derecho) Refinación de zona vertical, 1961. La bobina de calefacción de 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.

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 él a medida que se mueve a través del lingote. Las impurezas se concentran en la masa fundida y se trasladan a un extremo del lingote. El refinado de zona fue inventado por John Desmond Bernal y desarrollado por William G. Pfann en Bell Labs como un método para preparar materiales de alta pureza, principalmente semiconductores, para fabricar 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-disolvente que tenga una diferencia de concentración apreciable entre las fases sólida y líquida en equilibrio. Este proceso también se conoce como proceso de zona de flotación, particularmente en el procesamiento de materiales semiconductores.

Un diagrama del proceso de refinación de zona vertical utilizado para cultivar hielo de un solo cristal de un material inicialmente policristalino. La convección en la fundición es un resultado de la densidad máxima del agua a 4 °C.

Cristal de silicona en el comienzo del proceso de crecimiento

Cristal de silicio

Un cristal único de tanta pureza (5N), hecho por 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 inferior a uno. Por lo tanto, en el límite sólido/líquido, los átomos de impurezas se difundirán a la región líquida. Por lo tanto, al pasar una bola de cristal a través de una sección delgada del horno muy lentamente, de modo que solo se derrita una pequeña región de la bola en cualquier momento, las impurezas se segregarán al final del cristal. Debido a la falta de impurezas en las regiones sobrantes que se solidifican, la bola puede crecer como un solo cristal perfecto si se coloca un cristal semilla en la base para iniciar una dirección elegida de crecimiento del cristal. Cuando se requiere una alta pureza, como en la industria de los semiconductores, se corta el extremo impuro del boule 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 semiconductor de transistor o diodo, primero se purifica un lingote de germanio mediante un refinado por zonas. Luego se coloca una pequeña cantidad de antimonio en la zona fundida, que se pasa a través del germanio puro. Con la elección adecuada de la velocidad de calentamiento y otras variables, el antimonio puede distribuirse uniformemente a través del germanio. Esta técnica también se utiliza para la preparación de silicio para su uso en circuitos integrados ("chips").

Calentadores

Se puede usar 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 bobinado anular o las llamas de gas son métodos comunes. Otro método consiste en hacer pasar una corriente eléctrica directamente a través del lingote mientras se encuentra en un campo magnético, con la fuerza magnetomotriz resultante ajustada cuidadosamente para que sea igual al peso a fin de mantener el líquido suspendido. Los calentadores ópticos que utilizan lámparas halógenas o de xenón de alta potencia se utilizan mucho en las instalaciones de investigación, en particular para la producción de aisladores, 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 por zonas se puede realizar como un proceso por lotes, o se puede realizar de forma continua, con material impuro nuevo que se agrega continuamente en un extremo y material más puro que se elimina del otro, y la zona fundida impura se elimina a cualquier velocidad dictada por 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 de forma radiativa 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 líquida se mueve por una distancia dx{displaystyle dx}, el número de impurezas en el cambio líquido. Las impurezas se incorporan en el líquido fundido y sólido de congelación.

kO{displaystyle K_{O}: coeficiente de segregación

L{displaystyle L.: longitud de la zona

CO{displaystyle C_{O}: concentración de impureza uniforme inicial de la varilla solidificada

CL{displaystyle C_{L}: concentración de impurezas en el derretimiento líquido por longitud

I{displaystyle Yo...: número de impurezas en el líquido

IO{displaystyle Yo...: número de impurezas en zona cuando se formó por primera vez en el fondo

CS{displaystyle C_{S}: concentración de impurezas en la barra sólida

El número de impurezas en los cambios líquidos de acuerdo con la expresión siguiente durante el movimiento dx{displaystyle dx} de la zona fundida

dI=()CO− − kOCL)dx{displaystyle DI=(C_{O}-k_{O}C_{L},dx;}

CL=I/L{displaystyle C_{L}=I/L;}

∫ ∫ 0xdx=∫ ∫ IOIdICO− − kOIL{displaystyle int ¿Qué? ¿Qué? {dI}{C_{O}-{frac} {fnK}}}}}

IO=COL{displaystyle Yo...

CS=kOI/L{displaystyle C_{S}=k_{O}I/L;}

CS()x)=CO()1− − ()1− − kO)e− − kOxL){displaystyle C_{S}(x)=C_{O}left(1-(1-k_{O})e^{-{frac {k_{O}x} {}}} {}} {}}}}} {}}} {}}} {}}}}}} {}}}}}}}}} {}}}} {}} {}}} {}}} {}}} {}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}} {}}}}}}}}}}} {}}}}}}} {}}}}}}} {}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}

Aplicaciones

Células solares

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

Dispositivos de alta resistividad

Se utiliza para la producción de dispositivos semiconductores de alta potencia basados en silicio de zona flotante.

Procesos relacionados

Zona de refundición

Otro proceso relacionado es la refusión 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 conductividad opuesta. Por ejemplo, en el germanio, los elementos pentavalentes del grupo V, como el antimonio y el arsénico, producen una conducción negativa (tipo n) y los elementos trivalentes del grupo III, como el aluminio y el boro, producen una conducción positiva (tipo p). Al fundir una parte de dicho lingote y volver a congelarlo lentamente, los solutos en la región fundida se distribuyen para formar las uniones n-p y p-n deseadas.