192830. lajstromszámú szabadalom • Elrendezés zónaolvasztásra
3 192830 4 A találmány tárgya elrendezés zónaolvasztásra, elsősorban szilárd, olvadék állapotban elektromosan vezető, célszerűen rúdalakú anyagok kristályosítására, illetve tisztítására. Kristályok, elsősorban félvezetők tisztítása fontos feladat. Valamennyi tisztítási eljárás azon a felismerésen alapul, hogy az idegen anyagok atomjainak beépülése a növekvő kristályszerkezetbe azok termodinamikai tulajdonságaitól függ, azok tulajdonságaiktól, amelyek az olvadék és a kristályos fázis közötti megoszlást szabályozzák a teljes rendszer energiatartalmának csökkentése érdekében. Célszerűen e kristályosodást úgy oldják meg, hogy a lehetőleg tökéletes kristály növekedésével együtt jöjjön létre a káros szennyezők eltávolítása. Technikailag egy megoszlási állandóval írják le a szennyezések beépülését, ill. az olvadékban való dúsulását. A folyamatok ma már a tankönyvek szintjén ismertek. Külön figyelmet kell szentelni annak, hogy az olvadék a lehető legkisebb mértékben szennyeződjék a növesztési folyamat alatt. Ez további kritériumokat szab meg a választható anyagok, módszerek körére. Közismert kristálynövesztési és egyben tisztítási eljárás a zónaolvasztás. Ennek az a lényege, hogy az előtisztított, kristályos vagy — első lépésben — csak polikristályos, rúdalakúra kialakított anyagban egy olvadt zónát hoznak létre, és ezt a zónát a hőmérsékleti egyensúlyi állapot maximális megközelítése érdekében lassan végigvonultatják a rúd mentén. A gyakorlatban a nagyfrekvenciás olvasztás terjedt el a leginkább, mivel a gyakorlati élet szempontjából zónatisztítással tisztított anyagok félvezető tulajdonságaik miatt alkalmasak a nagyfrekvenciás hevítésre, bár a tisztítási folyamat végén, azaz amikor már többször is végigvonultatták a zónát a kristályon, az elektromos vezetőképesség oly mértékben lecsökken, hogy a megolvasztás nagy teljesítményt igényel. Az olvadt állapot fenntartása már általában nem probléma, mert pl. a szilícium elektromos vezetőképessége olvadt állapotban mintegy harmincszorosa a szilárd állapotban mérhető értéknek. Nagy gyakorlati előrehaladást jelentett a függőzónás olvasztás kidolgozása (K.—Th. Wilke: Kristallzüchtung, VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin, 1973.). Ennél a módszernél azt a lehetőséget használják ki, hogy a felületi feszültség viszonylag nagy értékű lévén az olvadt anyagokban, egy függőleges rúd-elrendezésnél az olvadt korongalakú rész nem csöppen le, feltéve, hogy sikerül azt eléggé keskenynek megtartani. Például szilíciumra, annak jó hővezetőképessége miatt, egy gondos nagyfrekvenciás fűtőelektróda elrendezésnél ezt ma már széleskörű gyakorlatban el tudták érni. A függőzónás olvasztás azzal a nagy előnnyel jár, hogy a növekvő kristály csak egy gáztérrel érintkezik, amely a technika mai szintjén általában is tisztább állapotban állítható elő, mint például egy tégely, gázok esetében a szennyeződéshez vezető reakciókhoz rendelkezésre álló atomkoncentrációk is lényegesen alacsonyabbak. A zónaolvasztás a leggyakrabban alkalmazott kiviteli módjában viszonylag rossz energiahatásfokú módszer. Ezt általában tudomásul veszik, de e tény mindenképpen korlátozza a módszer alkalmazhatóságát korlátozott energiaellátású helyeken. Tudomásunk van egy módszerről (147482 sz. Cs. szabadalmi leírás, amely az energiaigényességet megszünteti. Ennek lényege, hogy egy elektromos árammal hevített hálót, \agy egy, ill. több nyílással ellátott vezető szalagot alakítanak ki, és ezt merítik be, majd vonultatják végig a zónázandó rúd alakú anyagon (1. ábra). Ennek az eljárásnak — vitathatatlan gyak orlati értéke ellenére — van egy elkerülhetetlen hátránya. Nevezetesen, olyan anyagok olvasztásánál, amelyek kémiailag, metallurgiailag aktívak, rendkívül nehéz olyan anyagot választani, amely alkalmas a háló vagy a lyukas szalag kialakítására. Különösen korlátozó lehet ez a tény, ha magasfokú tisztasági követelményeket támaszt e feladat. A találmánnyal olyan elrendezést kívánunk létrehozni zónaolvasztásra, amellyel kiküszöbölhetők az ismert megoldások hátrányai. A jelen találmány azon a felismerésen alapul, hogy elektromos árammal megolvasztható egy zónázásra alkalmas tartomány a vezető, félvezető anyagban, és ez önmagában fenntartja az energiagazdaságosságot, továbbá megfelelő mintakialakítással elkerülhető, hogy idegen anyag kerüljön kapcsolatba az olvasztandó, kristályosítandó, ill. tisztítandó anyaggal. A találmány szerinti elrendezés elsősorban szilárd, olvadék állapotban elektromosan vezető anyagok kristályosítására, ill. tisztítására alkalmas. Az elrendezésben a zónázandó, célszerűen rúd alakú anyaggal keresztirányban legalább egy áramvezető kontaktuspár érintkezik, amely áramforrásai van összekötve. A továbbiakban rajzok alapján részletesebben bemutatunk egy ismert elrendezést, valamint a találmány szerinti megoldás két kiviteli alakját. A rajzokon az 1. ábra egy ismert elrendezés vázlata, a 2. ábra a találmány szerinti elrendezés egy előnyös kiviteli alakja, hossz- és keresztmetszetben és a 3. ábra a találmány szerinti elrendezés egy másik kiviteli alakja. Az 1. ábra szerinti ismert elrendezés hőközlő szerkezetként az áramforrással összekötött 4 áramhozzávezetőkön át elektromos árammal hevített 5 hálót tartalmazza. A zónázandó rúd alakú polikristályos 1 anyagot átbocsátják a felhevített 5 hálón. Az 5 háló környezetében kialakul az olvadt 2 zóna, amely lassan végigvonul a rúd mentén. A rúdnak az olvadt 2 zóna alatti része egykristályos 3 anyagot tartalmaz. A 2. ábrán látható találmány szerinti megoldásnál a hőközlő szerkezet a zónázandó 1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 3
