Zona de fusión
La fusión por zonas (o refinación por zonas , 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 por zonas fue inventado por John Desmond Bernal [1] y desarrollado por William G. Pfann [2] 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, [3] 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. [4] Este proceso también se conoce como proceso de zona de flotación, particularmente en el procesamiento de materiales semiconductores.
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, el boule puede crecer como un monocristal perfecto si se trata de un cristal semilla.se coloca 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. [ cita requerida ]
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 por zonas , el objetivo es distribuir el soluto uniformemente en 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 una zona de refinación. 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 chips de computadora . [ cita requerida ]
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. Calefactores ópticos que utilizan lámparas halógenas o de xenón de alta potenciase utilizan ampliamente en 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, agregando continuamente material impuro fresco en un extremo y eliminando material más puro en el otro, eliminando la fusión de zona impura a la velocidad que dicte la impureza. de la materia prima. [ cita requerida ]
Los métodos de zona flotante de calentamiento indirecto utilizan un anillo de tungsteno calentado por inducción para calentar el lingote por radiación y son útiles cuando el lingote es de un semiconductor de alta resistividad en el que el calentamiento por inducción clásico no es efectivo. [ cita requerida ]
(derecha) Refinación de zona vertical, 1961. La bobina de calentamiento por inducción funde 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.
