ゾーン溶融

結晶
基礎
結晶 結晶構造 核形成
コンセプト
結晶 結晶成長 再結晶 種結晶 原結晶質 単結晶
方法と技術
ブール ブリッジマン・ストックバーガー法 ファン・アルケル・デ・ブール法 チョクラルスキー法 エピタキシー フラックス法 分別結晶化 フラクショナルフリージング 水熱合成 キロプロス法 レーザー加熱による台座成長 マイクロプルダウン 結晶成長における成形プロセス 頭蓋骨のるつぼ ベルヌーイ法 ゾーン溶融
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ゾーン溶融（ゾーン精製、浮遊ゾーン法、浮遊ゾーン技術ともいう）は、結晶を精製する類似の方法のグループであり、結晶の狭い領域を溶かし、この溶融ゾーンを結晶に沿って移動させる。溶融領域は、その前端で不純な固体を溶かし、インゴット内を移動するにつれて、その後ろに凝固したより純粋な物質の跡を残す。不純物は溶融物に集中し、インゴットの一端に移動する。ゾーン精製は、ジョン・デスモンド・バーナル^{[1]によって発明され、}ベル研究所のウィリアム・G・ファン^{[2]によって}トランジスタ製造用の高純度材料（主に半導体）を調製する方法としてさらに発展させた。最初の商業的使用はゲルマニウムで、不純物が百億あたり1原子にまで精製されたが^[3]、このプロセスは、平衡状態で固相と液相との間にかなりの濃度差があるほぼすべての溶質-溶媒系に拡張できる。^[4]このプロセスは、特に半導体材料処理においてはフロートゾーンプロセスとしても知られています。

原理は、偏析係数k (固相中の不純物と液相中の不純物の平衡比) が通常 1 未満であることです。したがって、固体/液体境界では、不純物原子は液体領域に拡散します。したがって、結晶ブールを炉の薄い部分に非常にゆっくりと通すことで、ブールの小さな領域だけが常に溶融し、不純物は結晶の端に偏析します。固化する残りの領域には不純物がないため、種結晶をベースに置いて結晶成長の選択した方向を開始すれば、ブールは完全な単結晶として成長できます。半導体産業など、高純度が要求される場合は、ブールの不純な端を切り落とし、精製を繰り返す必要があります。^[要出典]

ゾーン精製では、溶質をインゴットの一端に分離して、残りの部分を精製するか、不純物を濃縮します。ゾーンレベリングでは、精製された材料全体に溶質を均一に分散させることが目的です。この材料は、単結晶の形で求められる場合があります。たとえば、トランジスタまたはダイオード 半導体の製造では、まずゲルマニウムのインゴットをゾーン精製で精製します。次に、少量のアンチモンを溶融ゾーンに配置し、純粋なゲルマニウムに通します。加熱速度やその他の変数を適切に選択することで、アンチモンをゲルマニウム全体に均一に広げることができます。この技術は、集積回路(「チップ」)で使用するシリコンの製造にも使用されます。^{[引用が必要]}

ゾーン溶融にはさまざまなヒーターを使用できますが、最も重要な特徴は、インゴットをゆっくりと均一に移動する短い溶融ゾーンを形成できることです。誘導コイル、リング巻き抵抗ヒーター、またはガス炎が一般的な方法です。別の方法は、磁場内にあるインゴットに直接電流を流すことです。その結果生じる起磁力は、液体を浮遊状態に保つために、重量とちょうど等しくなるように注意深く設定されます。高出力のハロゲンランプまたはキセノンランプを使用した光ヒーターは、特に絶縁体の製造のために研究施設で広く使用されていますが、ランプの比較的低い出力のために産業界での使用は制限されており、この方法で生成される結晶のサイズが制限されます。ゾーン溶融はバッチプロセスとして行うことも、連続的に行うこともできます。連続的に行う場合は、一方の端から新鮮な不純な材料を継続的に追加し、もう一方の端からより純粋な材料を取り除きます。不純なゾーン溶融物は、供給原料の不純度によって決まる速度で取り除かれます。^[要出典]

間接加熱浮遊ゾーン法は、誘導加熱タングステンリングを使用してインゴットを放射加熱するものであり、従来の誘導加熱が効果のない高抵抗半導体のインゴットの場合に有効です。^[要出典]

液体領域が距離移動すると、液体中の不純物の数が変化する。不純物は溶融液体と凝固固体に取り込まれる。^{[5] [説明が必要]}${\displaystyle dx}$

${\displaystyle k_{O}}$: 分離係数

${\displaystyle L}$: ゾーンの長さ

${\displaystyle C_{O}}$: 凝固棒の初期の均一な不純物濃度

${\displaystyle C_{L}}$: 長さあたりの溶融液体中の不純物濃度

${\displaystyle I}$: 液体中の不純物の数

${\displaystyle I_{O}}$: 最初に底部に形成されたときのゾーン内の不純物の数

${\displaystyle C_{S}}$: 固体棒中の不純物の濃度

液体中の不純物の数は、溶融ゾーンの 移動中に以下の式に従って変化する。${\displaystyle dx}$

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

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

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

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

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

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

太陽電池では、成長した単結晶シリコンが望ましい特性を持つため、フロートゾーン法が特に有用である。フロートゾーンシリコンのバルク電荷キャリア寿命は、さまざまな製造プロセスの中で最も長い。フロートゾーンキャリア寿命は約 1000 マイクロ秒であるのに対し、チョクラルスキー法では 20～200 マイクロ秒、鋳造多結晶シリコンでは 1～30 マイクロ秒である。バルク寿命が長くなると、太陽電池の効率が大幅に向上する。^[要出典]

フロートゾーンシリコンベースの高出力半導体デバイスの製造に使用されます。 ^{[6] : 364}

関連するもう 1 つのプロセスはゾーン再溶解で、2 つの溶質が純粋な金属全体に分散されます。これは、反対の導電型の 2 つの溶質が使用される半導体の製造で重要です。たとえば、ゲルマニウムでは、アンチモンやヒ素などのV 族の 5 価元素は負 (n 型) の伝導を生み出し、アルミニウムやホウ素などのIII 族の 3 価元素は正 (p 型) の伝導を生み出します。このようなインゴットの一部を溶かしてゆっくりと再凍結すると、溶融領域内の溶質が分散され、目的の np 接合と pn 接合が形成されます。^{[引用が必要]}

• 分別凍結、別名凍結蒸留
• 単結晶シリコン
• ウェーハ（電子部品）

• ヘルマン・シルトクネヒト (1966)、ゾーン・メルティング、ヴァインハイム: Verlag Chemie
• ミュラー、G. (1988)。溶融物からの結晶成長。結晶。第12巻。ベルリン、ハイデルベルク：シュプリンガー・ベルリン・ハイデルベルク。ISBN 978-3-642-73210-2. 2023年11月23日閲覧。