구역 용해

결정화
기초
크리스털 · 결정구조 · 핵
개념
결정화 · 수정성장 재분배 · 씨 크리스털 프로토크리스탈린 · 싱글 크리스털
방법 및 기술
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구역 용해(또는 구역 정제, 또는 부유 구역 방법, 또는 부유 구역 기법)는 유사한 결정 정화 방법의 집단으로, 결정의 좁은 영역이 녹고, 이 용해 구역은 결정체를 따라 이동한다. 녹은 부위는 앞쪽 가장자리에 있는 불순물 고체를 녹이고 잉곳 사이로 이동하면서 그 뒤에 굳어진 더 순수한 물질의 흔적을 남긴다. 불순물이 용해된 곳에 농축되어 잉곳 한쪽 끝으로 이동한다. 구역정제는 존 데스몬드 베르날^[1](John Desmond Bernal)에 의해 발명되었고, 벨 연구소의 윌리엄 G. Pann^[2](William G. Pann)이 트랜지스터 제조를 위해 주로 반도체를 비롯한 고순도 물질을 준비하는 방법으로 더욱 발전시켰다. 그것의 첫 상업적 용도는 게르마늄으로, 100억분의 1의 불순물로 정제되었지만,^[3] 그 과정은 평형상태에서 고체와 액체 단계 사이에 상당한 농도 차이를 갖는 거의 모든 용해-솔루트 시스템으로 확장될 수 있다.^[4] 이 과정은 특히 반도체 재료 가공에서 플로트 존 공정이라고도 한다.

공정내역

분리계수 k(고체상 불순물과 액체상 불순물의 비율)는 대개 1보다 작다는 것이 원칙이다. 따라서 고체/액체 경계에서 불순 원자는 액체 영역으로 확산된다. 따라서 수정 대로를 아주 느리게 용광로의 얇은 구간을 통과하여 어느 때든지 작은 지역만 용해되게 함으로써 수정 끝에 불순물이 분리될 것이다. 남은 지역에 불순물이 부족하여 굳기 때문에, 수정 성장 방향을 정하기 위해 씨 크리스탈을 밑면에 두면 완벽한 단일 결정으로 성장할 수 있다. 반도체 산업 등 높은 순도가 필요할 때 대로의 불순한 끝은 끊기고, 정련은 반복된다.^{[citation needed]}

구역정제에서는 나머지 부분을 정화하거나 불순물을 농축하기 위해 잉곳 한쪽 끝에서 용액을 분리한다. 구역 평준화에서 목적은 정화 물질 전체에 솔루트를 고르게 분배하는 것이며, 단일 결정의 형태로 추구될 수 있다. 예를 들어, 트랜지스터나 다이오드 반도체의 준비에서 게르마늄의 잉곳(ingot)은 먼저 구역 정제에 의해 정화된다. 그런 다음 녹은 구역에 소량의 안티몬을 넣어 순수한 게르마늄을 통과한다. 적절한 난방률과 다른 변수들의 선택으로 안티몬은 게르마늄을 통해 고르게 퍼질 수 있다. 이 기법은 컴퓨터 칩에 사용하기 위한 실리콘 준비에도 사용된다.^{[citation needed]}

난방기

다양한 히터는 구역 용해에 사용될 수 있는데, 그들의 가장 중요한 특징은 잉거를 통해 천천히 그리고 균일하게 움직이는 짧은 용융 구역을 형성하는 능력이다. 유도 코일, 링 와운드 저항 히터 또는 가스 불꽃이 일반적인 방법이다. 또 다른 방법은 자기장에 있는 동안 잉거를 통해 직접 전류를 전달하는 것인데, 그 결과 발생하는 자전력은 조심스럽게 액체가 매달려 있는 상태를 유지하기 위해 무게와 동일한 수준으로 설정된다. 고출력 할로겐이나 제논 램프를 사용하는 광학 히터는 특히 절연체의 생산을 위해 연구시설에서 광범위하게 사용되지만, 산업에서의 사용은 램프의 전력이 상대적으로 낮아 이 방법으로 생산된 결정체의 크기를 제한한다. 구역 용해는 배치 공정으로 할 수도 있고, 또는 연속적으로 할 수도 있으며, 한쪽 끝에는 신선한 불순물이 지속적으로 첨가되고 다른 쪽 끝에는 보다 순수한 물질이 제거되며, 공급원의 불순도에 따라 어떤 비율로 불순 구역 용융이 제거된다.^{[citation needed]}

간접 가열 부동대 방법은 유도 가열 텅스텐 링을 사용하여 잉고를 복사 가열하며, 잉고가 고전적인 유도 난방이 비효율적인 고저항 반도체일 때 유용하다.^{[citation needed]}

불순물 농도의 수학적 표현

액체 영역이 d ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle dx}$ 거리만큼 이동하면 액체의 불순물 수가 변한다$.$ 불순물은 용해액과 동결 고체에 통합된다.^[5]

${\displaystyle k_{}}$ ${\displaystyle O_{}}$ ${\$: 분리 계수

${\displaystyle L}$ ${\displaystyle L}$: 구역 길이

${\displaystyle C_{}}$ ${\displaystyle O_{}}$ ${\$: 봉의 초기 균일한 불순물 농도

${\displaystyle C_{}}$ ${\displaystyle L_{}}$ ${\$: 액체의 불순물 농도

${\displaystyle I}$ ${\displaystyle I}$: 액체의 불순물 수

${\displaystyle I_{}}$ ${\displaystyle O_{}}$ ${\$: 하단에 처음 형성되었을 때의 구역 내 불순물 수

용해된 영역의$$ 이동 ${\displaystyle d}$ x ${\displaystyle dx}$ 동안 액체의 불순물 수가 아래 표현에 따라 변화함

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

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

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

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

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

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

적용들

태양전지

태양전지의 플로트 존 처리는 특히 유용하다. 왜냐하면 성장한 단일 결정 실리콘이 바람직한 성질을 가지고 있기 때문이다. 플로트존 실리콘의 대량 충전 캐리어 수명은 다양한 제조 공정 중 가장 높다. 플로트존 캐리어 수명은 Czochralski 방법의 경우 20~200마이크로초, 주조 폴리크리스탈린 실리콘의 경우 1~30마이크로초에 비해 약 1000마이크로초이다. 벌크 수명이 길수록 태양 전지의 효율이 크게 높아진다.^{[citation needed]}

관련 프로세스

구역 리멜팅

또 다른 관련 과정은 구역 리멜팅으로, 두 개의 용액이 순금속을 통해 분배된다. 이는 반도체의 제조에 있어 중요한데, 반도체의 경우 전도성이 반대인 용액 2개가 사용된다. 예를 들어 게르마늄에서는 안티몬, 비소와 같은 그룹 V의 5차 원소가 음(n형) 전도를 생성하며, 그룹 III의 3차 원소(알루미늄, 붕소)가 양의(p형) 전도를 생성한다. 그러한 잉곳 일부를 녹이고 서서히 다시 얼림으로써 용해된 부위의 용액은 원하는 n-p와 p-n 접합부를 형성하기 위해 분배된다.^{[citation needed]}

참고 항목

• 분수 동결
• 동결증류
• 웨이퍼

참조

• 헤르만 실드크네흐트(1966) 구역 멜팅, 베라크 케미.
• 게오르크 뮐러(1988) 용해 스프링거-베를라크, 사이언스 138쪽 ISBN 3-540-18603-4, ISBN 978-3-540-18603-8