La fusión por zona (o refinación por zona , o método de zona flotante , o técnica de zona flotante ) es un grupo de métodos similares de purificación de cristales, en los que se funde una región estrecha de un cristal y esta zona fundida se mueve a lo largo del cristal. La región fundida derrite el sólido impuro en su borde delantero y deja una estela de material más puro solidificado detrás de él a medida que avanza a través del lingote. Las impurezas se concentran en la masa fundida y se trasladan a un extremo del lingote. El refinado de zonas fue inventado por John Desmond Bernal [1] y desarrollado por William G. Pfann [2] en Bell Labs como un método para preparar materiales de alta pureza, principalmente semiconductores , para fabricar transistores . Su primer uso comercial fue en germanio , refinado a un átomo de impureza por cada diez mil millones, [3] pero el proceso puede extenderse a prácticamente cualquier sistema soluto - disolvente que tenga una diferencia de concentración apreciable entre las fases sólida y líquida en equilibrio. [4] Este proceso también se conoce como proceso de zona flotante, particularmente en el procesamiento de materiales semiconductores.
El principio es que el coeficiente de segregación k (la relación en equilibrio entre una impureza en la fase sólida y la en la fase líquida) suele ser menor que uno. Por lo tanto, en el límite sólido/líquido, los átomos de impureza se difundirán a la región líquida. Así, al hacer pasar una bola de cristal a través de una sección delgada del horno muy lentamente, de modo que sólo se funda una pequeña región de la bola en cualquier momento, las impurezas se segregarán en el extremo del cristal. Debido a la falta de impurezas en las regiones sobrantes que se solidifican, la bola puede crecer como un monocristal perfecto si se coloca un cristal semilla en la base para iniciar una dirección elegida de crecimiento del cristal. Cuando se requiere una alta pureza, como en la industria de los semiconductores, se corta el extremo impuro de la bola y se repite el refinado. [ cita necesaria ]
En el refinado por zonas, los solutos se segregan en un extremo del lingote para purificar el resto o concentrar las impurezas. En la nivelación de zonas , el objetivo es distribuir el soluto uniformemente por todo el material purificado, que puede buscarse en forma de un solo cristal . Por ejemplo, en la preparación de un transistor o diodo semiconductor , primero se purifica un lingote de germanio mediante refinado por zonas. Luego se coloca una pequeña cantidad de antimonio en la zona fundida, que pasa a través del germanio puro. Con la elección adecuada de la tasa de calentamiento y otras variables, el antimonio se puede distribuir uniformemente por el germanio. Esta técnica también se utiliza para la preparación de silicio para su uso en circuitos integrados ("chips"). [ cita necesaria ]
Se puede utilizar una variedad de calentadores para la fusión por zonas, siendo su característica más importante la capacidad de formar zonas fundidas cortas que se mueven lenta y uniformemente a través del lingote. Las bobinas de inducción , los calentadores de resistencia de anillo enrollado o las llamas de gas son métodos comunes. Otro método consiste en pasar una corriente eléctrica directamente a través del lingote mientras se encuentra en un campo magnético , con la fuerza magnetomotriz resultante cuidadosamente ajustada para que sea justo igual al peso para mantener el líquido suspendido. Los calentadores ópticos que utilizan lámparas halógenas o de xenón de alta potencia se utilizan ampliamente en instalaciones de investigación, especialmente para la producción de aisladores, pero su uso en la industria está limitado por la potencia relativamente baja de las lámparas, lo que limita el tamaño de los cristales producidos por este método. La fusión por zonas se puede realizar como un proceso por lotes o se puede realizar de forma continua, añadiendo continuamente material impuro fresco en un extremo y eliminando el material más puro por el otro, eliminando la fusión de zonas impuras a cualquier velocidad que dicte la impureza. de la materia prima. [ cita necesaria ]
Los métodos de zona flotante de calentamiento indirecto utilizan un anillo de tungsteno calentado por inducción para calentar el lingote de forma radiativa y son útiles cuando el lingote es de un semiconductor de alta resistividad en el que el calentamiento por inducción clásico es ineficaz. [ cita necesaria ]
Cuando la zona del líquido se mueve una distancia , la cantidad de impurezas en el líquido cambia. Las impurezas se incorporan al líquido de fusión y al sólido de congelación. [5] [ se necesita aclaración ]
El número de impurezas en el líquido cambia de acuerdo con la siguiente expresión durante el movimiento de la zona fundida.
En las células solares , el procesamiento de la zona de flotación es particularmente útil porque el silicio monocristalino cultivado tiene propiedades deseables. La vida útil del portador de carga a granel en el silicio de zona flotante es la más alta entre varios procesos de fabricación. La vida útil de los portadores de la zona flotante es de alrededor de 1000 microsegundos en comparación con los 20 a 200 microsegundos del método de Czochralski y los 1 a 30 microsegundos del silicio policristalino fundido . Una vida útil más larga aumenta significativamente la eficiencia de las células solares . [ cita necesaria ]
Se utiliza para la producción de dispositivos semiconductores de alta potencia basados en silicio de zona flotante . [6] : 364
Otro proceso relacionado es la refundición zonal , en la que dos solutos se distribuyen a través de un metal puro. Esto es importante en la fabricación de semiconductores, donde se utilizan dos solutos de tipos de conductividad opuestos. Por ejemplo, en el germanio, los elementos pentavalentes del grupo V , como el antimonio y el arsénico , producen una conducción negativa (tipo n) y los elementos trivalentes del grupo III , como el aluminio y el boro, producen una conducción positiva (tipo p). Al fundir una porción de dicho lingote y volver a congelarlo lentamente, los solutos en la región fundida se distribuyen para formar las uniones np y pn deseadas. [ cita necesaria ]
