La fusión en zona libre de crisol es un método para obtener cristales a partir de un pequeño volumen de masa fundida, que es formalmente un tipo de fusión en zona que no utiliza un crisol u otro recipiente.
De hecho, la ausencia de un contenedor lleva a la necesidad de un cambio significativo en el método de suministrar energía a la zona fundida y retirarla en comparación con la zona de fusión en un contenedor, cambia radicalmente el curso de los procesos físicos en la zona y conduce a la desaparición de tensiones e impurezas introducidas por la interacción de la masa fundida y el cristal con el material del recipiente. Es decir, a pesar de la similitud formal, la fusión por zonas sin crisol es fundamentalmente diferente de la fusión por zonas en un recipiente.
También debe hacerse una distinción entre la fusión en zona sin crisol y la fusión en zona de contenedor frío ( plomo ) cuando el contenedor formado por el material sin fundir está formalmente presente.
La pieza de trabajo del material refundido y el cristal semilla en forma de varilla del diámetro apropiado se instalan coaxialmente [1] , sus extremos se funden y se ponen en contacto. Las fuerzas de tensión superficial de la masa fundida son responsables de la subsiguiente retención de la zona fundida entre la palanquilla y el cristal semilla (o parcialmente terminado).
Con una disminución en la temperatura de la zona fundida, la pieza de trabajo y el material recristalizado pueden fusionarse, seguido por la fractura del punto de soldadura y la ruptura de la zona. Cuando la zona se sobrecalienta, la masa del material fundido aumenta y es posible que la masa fundida se derrame fuera de la zona. La selección de las velocidades de tracción, la configuración de la zona y campos térmicos, la cantidad de energía suministrada para evitar la congelación o el derrame de la zona es, estrictamente hablando, una tarea nada trivial, especialmente para lingotes de gran diámetro.
En el caso de un gran diámetro del cristal final, la forma de la zona puede ser en forma de dos gotas conectadas entre sí por un delgado cuello. El elemento de calentamiento inductivo en este caso tiene una porción plana ubicada directamente sobre las regiones periféricas del monocristal alrededor del istmo.
La pieza de trabajo y el cristal semilla con el cristal terminado formado sobre él, separados por la zona fundida, se mueven lentamente hacia abajo en relación con la zona de calentamiento para que la zona fundida capture gradualmente más y más secciones nuevas de la pieza de trabajo, y el cristal terminado es poco a poco se retiró de la zona de abajo. En este caso, la pieza de trabajo se funde gradualmente y el cristal terminado crece gradualmente a partir de la masa fundida que ingresa durante la fusión de la pieza de trabajo. El cristal terminado también es una varilla de diámetro relativamente pequeño.
La orientación cristalográfica del cristal terminado se puede controlar colocando un cristal simple semilla de una orientación determinada en la parte inferior.
El dopaje del cristal se puede controlar dentro de límites relativamente estrechos introduciendo elementos de aleación en el medio gaseoso de la instalación.
En el caso general, los diámetros del lingote final y la palanquilla original pueden no coincidir. Como regla general, el diámetro de la pieza de trabajo es igual o menor que el diámetro del cristal final (las piezas de trabajo de menor diámetro son más fáciles de fundir, pero esto conduce a una disminución en la longitud del cristal final y un aumento en la altura y volumen de trabajo de la instalación).
El proceso tecnológico incluye las siguientes etapas:
1. colocación de un cristal semilla y una pieza de trabajo en el montaje de crecimiento, evacuación del montaje y, si es necesario, creación de una atmósfera protectora;
2. ingresar la parte inferior de la pieza de trabajo en la zona de calentamiento y fundirla hasta que se forme una pequeña gota;
3. introducir un cristal semilla en la zona de calentamiento y ponerlo en contacto con la gota;
4. avance inverso (hacia arriba) del cristal semilla junto con la pieza de trabajo para la penetración del cristal semilla en el área con estructura intacta;
5. suministro directo (hacia abajo) del cristal semilla junto con la pieza de trabajo durante el crecimiento gradual del cristal principal;
6. al realizar la limpieza de la zona, el paso de la zona fundida con suministro directo a lo largo del mismo cristal, el proceso de fusión de la zona se puede repetir varias veces, mientras que las impurezas se expulsan del cristal en crecimiento hacia su parte inferior ;
7. Enfriamiento y descarga del cristal de la instalación, preparación de la instalación para la próxima fusión.
El calentamiento de la zona es posible de varias maneras:
1) calentamiento por un campo de inducción: se utiliza para hacer crecer monocristales de conductores y semiconductores (por ejemplo, silicio);
2) calentamiento de fuentes ópticas (la llamada fusión de zona óptica), que se utiliza para hacer crecer cristales dieléctricos extremadamente puros, como cristales de óxido, granates, etc.;
3) calentamiento de un calentador resistivo: se usa para hacer crecer cristales de dieléctricos de bajo punto de fusión.
Hay modificaciones del método con diversos grados de desalineación entre varillas recristalizadas y no recristalizadas.
Hay una modificación del método con el llamado "fundido flotante" que aún no tiene una aplicación práctica amplia: una gota de fundido flota en el campo del inductor sin ningún recipiente, que puede recristalizarse seleccionando la configuración adecuada y la intensidad del campo. e introducir un cristal semilla. En 2008, el peso máximo de masa fundida retenida de esta forma en el campo fue de 30-40 g.
La fusión en zona libre de crisol se utiliza principalmente para obtener monocristales ultrapuros, lo que se debe a la ausencia de contacto del material que se funde con otros materiales tecnológicos. El desplazamiento de las impurezas presentes en la palanquilla en ausencia de contaminación de fuentes externas condujo al uso de la fusión por zonas sin crisol para lograr materias primas de salida de alta calidad utilizadas en la industria de los semiconductores, en particular en la producción de polisilicio .
La fusión de la zona del crisol se utiliza para hacer crecer monocristales ultrapuros de compuestos de óxido no disociados . El proceso de crecimiento puede llevarse a cabo en la atmósfera, y la energía se suministra a la zona mediante el enfoque de la radiación óptica. En este caso, el método puede denominarse "fusión de zona óptica".
Los primeros monocristales de silicio se obtuvieron por fusión zonal en 1952-1953. por Siemens y Bell Labs. [2]
En la URSS, los primeros monocristales de silicio se obtuvieron por fusión por zonas en 1963 en la planta químico-metalúrgica de Podolsk.
En el momento del colapso de la URSS, los monocristales de silicio con un diámetro de hasta 76 mm se producían industrialmente mediante el método de fusión por zonas sin crisol. Su principal productor fue la planta de titanio y magnesio de Zaporozhye .
Para 2010, la producción industrial de materiales por métodos de fusión de zona sin crisol se lleva a cabo en la región de Moscú en el Instituto de Investigación Científica "Instituto de Investigación de Materiales Altamente Puros". Asimismo, en algunos lugares se han conservado instalaciones monolaboratoriales y semi-industriales.
A partir de 2010, se producen cristales de hasta 150 mm de diámetro mediante el método de fusión por zonas sin crisol, y la producción de cristales de un diámetro aún mayor está asociada con costos excesivos de mano de obra y recursos, y la producción de cristales con un diámetro de más superior a 200 mm se considera imposible con el nivel actual de desarrollo de la tecnología de fusión por zonas sin crisol. [3]
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