Zonenschmelzverfahren
Das Zonenschmelzen (auch: „Zonenziehen“ – englisch Zone Refining) ist ein metallurgisches Verfahren (Elektrometallurgie) zur Reinigung von Metallen[1][2][3] und es kann ebenfalls zum Züchten von Einkristalleninen (z. B. von Halbleitern wie Silicium) verwendet werden.[4][5]
Andere Bezeichnungen für Zonenschmelzen sind Float-Zone-Verfahren (FZ), Fließzonenverfahren, Zonenreinigung, Zonenrandschmelzverfahren oder Zonenfloating.
Entwicklungsgeschichte
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Das Verfahren und die ersten Geräte (Anlagen) wurden Anfang der 1950er Jahre durch Bill Pfann[6] an den Bell Laboratories für Germanium und Silicium entwickelt.[7][8][9] Letzteres hat sich als wichtigstes Halbleitermaterial in der Halbleiterindustrie durchgesetzt. In Deutschland wurde das Verfahren von Hermann Schildknecht erprobt.
Funktionsprinzip
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Das Zonenschmelzverfahren beruht auf der Tatsache, dass Verunreinigungen in der Schmelze eine energetisch günstigere chemische Umgebung (niedrigeres chemisches Potential) haben als im Festkörper und darum vom Festkörper in die Schmelze wandern. Die Menge, die im Kristall eingebaut wird, ist unter anderem abhängig von der Art der Verunreinigung und der Erstarrungsgeschwindigkeit. Im Silicium beispielsweise beträgt der Verteilungskoeffizient von Bor 0,8 und der von Eisen 0,000007. Bor ist also mit diesem Verfahren kaum aus dem Silicium zu entfernen, Eisen hingegen sehr gut. Man unterscheidet horizontales Zonenschmelzen in einem langgestreckten Schiffchen und vertikales tiegelfreies Zonenschmelzen, das vor allem bei der Herstellung hochreiner Siliciumeinkristalle von Bedeutung ist.
Silicium-Einkristallherstellung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Ein schon vorbereiteter, gereinigter Stab (oder eine Säule) mit noch polykristalliner Kristallstruktur befindet sich in einer Schutzatmosphäre in einer FZ-Anlage. Durch eine Induktionsheizung wird an einem Ende eine relativ schmale Zone Material aufgeschmolzen. Damit die Zone gleichmäßig aufschmilzt, rotiert der Stab langsam. Die aufgeschmolzene Zone wird mit einem Impfkristall in Berührung gebracht und wächst unter Annahme seiner Kristallstruktur an ihm an. Diese Schmelzzone wird nun langsam durch den Stab bewegt. Die wieder erkaltende Schmelze erstarrt über die gesamte Materialbreite mit einer einheitlichen Kristallstruktur, es bildet sich also hinter der Schmelzzone der gewünschte Einkristall.
Fremdatome verbleiben weitestgehend in der Schmelzzone und lagern sich schließlich am Ende der Säule an, die nach dem Erkalten entfernt wird. Durch mehrmaliges Zonenschmelzen kann die Reinheit weiter gesteigert werden. Im Falle von Halbleitern wie Silicium kann die Dotierung durch Beigabe gasförmiger Stoffe, die dann in die Schmelze eindringen, eingestellt werden. Für besondere Anwendungen kann der Vorratsstab mit einer kleinen Menge Metall präpariert werden, das durch den meistens sehr kleinen Verteilungskoeffizienten (meistens verbleiben >99,9 % in der Schmelze) in relativ konstanter Konzentration in den Kristall eingebaut wird.
Anwendung und Grenzen
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Mit dem Zonenschmelzverfahren (FZ) können hochreine bis ultrareine Metalle hergestellt (gereinigt) werden. Die Reinigung von Siliciummetall findet großtechnisch jedoch mit dem Siemens-Verfahren statt, welches ultrareines Polysilicium liefert.
Das FZ-Verfahren ist energieintensiv und konnte sich bei der Kristallzucht nicht gegen das Czochralski-Verfahren (CZ) durchsetzen. Im Gegensatz zum CZ-Verfahren oder Tiegelziehen, wo Säulendurchmesser (Ingot) bis zu 12 Zoll (etwa 300 mm) gebräuchlich sind, lassen sich mit dem Zonenschmelzverfahren (FZ) industriell nur Säulendurchmesser bis 200 mm herstellen. Größere Durchmesser nach diesem Verfahren sind in absehbarer Zeit nicht zu erwarten, was das Verfahren zugleich für den Einsatz in der Halbleiterindustrie einschränkt, da hier teilweise bis zu 12" (300 mm) große Wafer für eine hohe Ausbeute im Produktionsprozess (Halbleitertechnik) zum Einsatz kommen.
Siehe auch
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Literatur
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- Hermann Schildknecht: Zone Melting. Verlag Chemie, Weinheim 1966 (englisch, archive.org – deutsch: Zonenschmelzen.).
- William G. Pfann: Zone Melting. 2. Auflage. Krieger, Huntington, NY 1978, ISBN 978-0-88275-541-0.
- Wolfgang Keller, Alfred Mühlbauer: Preparation and Properties of Solid State Materials. 5: Floating-Zone Silicon. Hrsg.: William R. Wilcox. Dekker, New York 1981, ISBN 978-0-8247-1167-2, doi:10.1007/978-3-642-68175-2_1 (englisch).
Einzelnachweise
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- ↑ Xiaoxin Zhang, Semiramis Friedrich, Bernd Friedrich: Production of High Purity Metals: A Review on Zone Refining Process. In: Journal of Crystallization Process and Technology. Band 08, Nr. 01, 2018, ISSN 2161-7678, S. 33–55, doi:10.4236/jcpt.2018.81003 (englisch, scirp.org [abgerufen am 6. August 2026]).
- ↑ Liang Yu et al.: Research Status of High-Purity Metals Prepared by Zone Refining. In: Materials. Band 14, Nr. 8, 20. April 2021, ISSN 1996-1944, S. 2064, doi:10.3390/ma14082064, PMID 33923946, PMC 8072940 (freier Volltext) – (englisch, mdpi.com [abgerufen am 6. August 2026]).
- ↑ Zone Refining. MDPI, 2021, archiviert vom am 8. November 2025; abgerufen am 6. August 2026 (englisch).
- ↑ Naoki Kikugawa: Recent Progress of Floating-Zone Techniques for Bulk Single-Crystal Growth. In: Crystals. Band 14, Nr. 6, 14. Juni 2024, ISSN 2073-4352, S. 552, doi:10.3390/cryst14060552 (englisch, mdpi.com [abgerufen am 6. August 2026]).
- ↑ Helge Riemann, Anke Luedge: Floating Zone Crystal Growth. In: Crystal Growth of Silicon for Solar Cells. Band 14. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2009, ISBN 978-3-642-02043-8, S. 41–53, doi:10.1007/978-3-642-02044-5_3 (englisch, springer.com [abgerufen am 6. August 2026]).
- ↑ M. Ross: Zone Refining—William G. Pfann. In: MRS Bulletin. Band 12, Nr. 1, Februar 1987, ISSN 0883-7694, S. 15–15, doi:10.1557/S0883769400068688 (springer.com [abgerufen am 23. November 2023]).
- ↑ W. G. Pfann: Principles of Zone-Melting. In: JOM. Band 4, Nr. 7, Juli 1952, ISSN 1047-4838, S. 747–753, doi:10.1007/BF03398137 (englisch, springer.com [abgerufen am 23. November 2023]).
- ↑ W. G. Pfann: Zone Melting: This technique offers unique advantages in purification and in control of composition in various substances. In: Science. Band 135, Nr. 3509, 30. März 1962, ISSN 0036-8075, S. 1101–1109, doi:10.1126/science.135.3509.1101 (englisch, science.org [abgerufen am 23. November 2023]).
- ↑ 1951: Development of Zone Refining | The Silicon Engine | Computer History Museum. In: Computer History Museum (CHM). 2026, abgerufen am 6. August 2026 (englisch).