Was ist Zonenschmelze?
Das Zonenschmelzen ist ein Reinigungsverfahren für Kristalle, insbesondere für solche, die in Halbleitern verwendet werden. Dabei wird Wärme verwendet, um Verunreinigungen von der Oberseite eines Kristalls auf den Boden eines Kristalls zu drücken. Wenn der Kristall erhitzt wird, werden die Verunreinigungen zum Boden des Kristalls gezogen und der Boden wird abgeschnitten, wobei eine gereinigte Probe zurückbleibt. Es gibt zwei Möglichkeiten, ein Zonenschmelzen durchzuführen, wobei die Wärmezone entweder stationär ist oder sich bewegt; beide kommen zu ähnlichen Ergebnissen. Das Zonenraffinieren ist der Vorgang des mehrmaligen Durchführens des Schmelzvorgangs, bis der Kristall vollständig gereinigt ist.
Um das Zonenschmelzen zu starten, wird ein Kristall in einen zylindrischen Tiegel gegeben, wobei ein Impfkristall von oben herausragt. Der Impfkristall ist der Hauptteil, der gereinigt werden muss, obwohl auch ein Teil des anderen Kristalls gereinigt werden muss. Dann wird ein Ofen mit einer engen Wärmezone nahe dem Zentrum hergestellt und der Kristall wird langsam der Wärmezone ausgesetzt.
Es gibt zwei Hauptmethoden zum Durchführen eines Zonenschmelzprozesses. Bei der Bridgman-Methode bewegt sich die heiße Zone gegen den Tiegel, während der Tiegel stationär ist. Die Stockbarger-Methode ist das Gegenteil: Der Tiegel bewegt sich durch eine Wärmezone. Während vollständige Gegensätze, beide das gleiche tun.
Wenn der Kristall der Wärmezone ausgesetzt wird, wird er geschmolzen. Dadurch können sich die Verunreinigungen im Kristall frei bewegen, und sie tendieren dazu, sich in Richtung des kälteren Teils zu bewegen, der nicht durch die Heizzone geleitet wird. Damit sich alle Verunreinigungen bewegen können, wird der Kristall sehr langsam erhitzt, bis die Reinheiten in die Basis des Kristalls gezogen sind. Der Bodenbereich des Kristalls wird abgesägt, wobei ein gereinigter Kristall zurückbleibt.
Um sicherzustellen, dass das Zonenschmelzen erfolgreich ist, wird ein Prozess namens Zonenveredelung verwendet. Dies entspricht dem Schmelzen der Zone, jedoch wird der Kristall mehrmals gereinigt. Wenn derselbe Kristall mehrmals bearbeitet wird, können die Arbeiter sicher sein, dass der Kristall völlig frei von Verunreinigungen ist.
Dieser Reinigungsprozess wird hauptsächlich an Kristallen durchgeführt, die als Halbleiter verwendet werden, er kann jedoch auch in anderen Anwendungen verwendet werden. Halbleiter sind in der Technik verwendete Teile, die eine Leitfähigkeit zwischen einem Leiter und einem Isolator aufweisen. Wenn Verunreinigungen im Kristall verbleiben, würden sie den Stromfluss stören und den Kristall entweder zu leitend oder nicht leitend genug machen.