Описание процесса зонной плавки и ее математическая модель.
Очистку полупроводниковых материалов методом зонной плавки предложил в 1952 году Пфанн. В связи с различной растворимостью примесей в твердой и жидкой фазах зонная плавка является одним из наиболее эффективных и производительных методов глубокой очистки монокристаллов. При его реализации перед началом кристаллизации расплавляется не вся твердая фаза кристалла (рис.1 ), а только узкая расплавленная зона, которую перемещают вдоль слитка.
Рисунок1 – Схема зонной плавки.
Большинство примесей обладает хорошей растворимостью в жидкой фазе по сравнению с твердой (равновесный коэффициент сегрегации k0<1), поэтому по мере продвижения зона плавления все больше насыщается примесями, которые скапливаются на конце слитка. Обычно процесс зонной плавки повторяют несколько раз, по окончании очистки загрязненный конец слитка отрезают. Для ускорения процесса очистки вдоль контейнера ставят несколько индукторов для образования ряда зон плавления. Для материалов с k0>1 очистка материалов зонной плавкой практически невозможна.
Распределение примесей после одного прохода расплавленной зоной при зонной плавке вдоль слитка представляется уравнением
(1)
где Nтв – концентрация примеси в закристаллизовавшейся фазе на расстоянии x от начала слитка;
Nо – исходная концентрация примеси в очищаемом материале;
x – текущая координата (расстояние от начала слитка);
l – длина расплавленной зоны;
ko – равновесный коэффициент распределения.
Если измерять длину слитка в длинах расплавленной зоны a = x/l, выражение (1) следует записать иначе:
(2)
Приведенные уравнения (1) и (2) , являющиеся математическим описанием процесса зонной плавки, выведены при определенных допущениях, сформулированных автором метода зонной очистки В. Пфанном при выводе этих уравнений. Эти допущения в литературе принято называть пфанновскими, их суть в следующем:
1 Процессами диффузионного перераспределения компонентов системы в объеме слитка можно пренебречь, т.е. коэффициенты диффузии компонентов в твердой фазе принимаются равными нулю ( Dтв = 0 ).
2 Диффузия компонентов системы в жидкой фазе совершенна - концентрация компонентов постоянна по объему расплава в любой момент процесса;
3 Коэффициент распределения примеси – величина постоянная и не зависит от концентрации примеси в кристаллизующемся веществе (кривые солидус и ликвидус диаграммы состояния прямолинейны);
4 Начальная концентрация компонентов в исходном материале (слитке) одинакова по всем сечениям;
5 Геометрия подвергаемого зонной плавке слитка (длина и поперечное сечение) в ходе процесса остаются постоянными, плотности твердой и жидкой фаз равны (rтв=rж=r).
6 Расплав и твердая фаза при зонной плавке не взаимодействуют с окружающей средой - атмосферой и контейнером. Другими словами, в системе нет летучих и диссоциирующих компонентов, отсутствует поглощение примесей расплавом из атмосферы, материал контейнера не растворяется в жидкой фазе.
Уравнения (1) и (2) справедливы только на участках слитка, на которых зона имеет две границы раздела фаз (постоянный объем). Когда в системе остается только кристаллизующаяся граница, распределение примеси представляется другим уравнением, соответствующим процессу нормальной направленной кристаллизации. Другими словами, если длина очищаемого слитка в длинах зон равна A= L/l, то уравнения (1) и (2) справедливы на длине a = (L - l)/l = A-1.
Смотрите также
Подгруппа углерода. Углерод
...
Основные типы химической связи
Вам известно, что атомы могут соединяться друг с
другом с образованием как простых, так и сложных веществ. При этом образуются
различного типа химические связи: ионная, ковалентная (неполярн ...
Белки, их строение и состав
БЕЛКИ — это азотсодержащие
высокомолекулярные органические вещества со сложным составом и строением молекул.
Белок можно
рассматривать как сложный полимер аминокислот.
Белки входят в
...