Зонна плавка може проводитися в тиглі і без тигля У «тигельному» варіанті, так само як і у випадку нормальної спрямованої кристалізації, попередньо очищений матеріал завантажується в тигель, в одному кінці якого розташовується монокристалічна приманка Тигель поміщається в кварцову трубку, яка, як правило, заповнюється інертним газом Вузька рідка зона створюється за допомогою спеціального нагрівача, який, переміщуючись вздовж кварцовою трубки, забезпечує пересування зони розплаву вздовж оброблюваного злитка і, отже, зростання кристала (рис 64,а)

З точки зору процесу кристалізації метод «тигельної» зонної плавки мало чим відрізняється від методу нормальної спрямованої кристалізації з усіма його недоліками (наявність стінок тигля і вільної поверхні, що не дозволяє забезпечити повну симетризації теплового режиму) Однак є й переваги Перевагою методу «тигельної» зонної плавки в порівнянні з методом нормальної спрямованої кристалізації є те, що час, протягом якого розплав знаходиться в контакті з матеріалом тигля, в цьому випадку менше, а тому і забруднення матеріалу менш значно Крім того, використовуючи метод зонної плавки, можна регулювати ширину розплавленої зони, створювати вздовж зливка кілька окремих розплавлених зон, а також застосовувати монокристаллическую затравку

Схема установки бестигельной вертикальної зонної плавки наведена на рис 64,б У затискачах (Цанг) зміцнюється заготовка – циліндричний або плоский (спочатку) стрижень перекрісталлізуемого матеріалу – і монокристалічна приманка Розплавлення зони, як і в горизонтальній плавці, здійснюється за допомогою нагрівача Залежно від значення питомої електричного опору вихідного матеріалу формування розплавленої зони здійснюється або за допомогою високочастотного нагріву (індукційний нагрів), або за допомогою електронно-променевого нагріву, або сфокусованим випромінюванням джерела світла Такі способи нагріву не вносять забруднень в оброблюваний матеріал Індукційний нагрів більш кращий, оскільки він забезпечує ефективне перемішування розплаву і, отже, вирівнювання його складу Він найбільш часто використовується при зонної плавці Si і деяких інших напівпровідникових матеріалів Електронно-променевої нагрів використовується для тугоплавких неразлагающихся матеріалів, а радіаційний – для обробки непроводящих і диссоциирующих матеріалів в атмосфері парів і газів Спеціальні механізми забезпечують обертання верхньої і нижньої частин стрижня щодо один одного (з метою перемішування розплаву і симетризації теплового режиму) Рух зони вздовж зразка здійснюється або його переміщенням щодо джерела нагріву, або переміщенням нагрівача щодо зразка Розплав в межах зони утримується силами поверхневого натягу

До числа важливих переваг кристалізації методом вертикальної зонної плавки належить можливість вирощування кристалів без використання тиглів У цьому випадку не відбувається забруднення розплаву за рахунок розчинення в ньому матеріалу тигля, а в вирощую кристалі не виникають дефекти внаслідок відмінності коефіцієнтів лінійного розширення кристала і матеріалу тигля Метод вертикальної зонної плавки широко застосовується при вирощуванні особливо чистих монокристалів напівпровідників, а також матеріалів з високою температурою плавлення, що володіють в розплавленому стані високою реакційною здатністю, а також однорідно легованих напівпровідникових матеріалів

Принципи отримання бездислокаційних монокристалів на затравки при зонної плавці такі ж, як і при витягуванні монокристалів з розплаву, але при цьому площа перерізу кристала зазвичай має розміри, близькі до діаметру затравки

Суттєво підвищити діаметр кристала, вирощуваного бестигельной зонної плавкою, дозволяє модифікація цього методу, а саме:

Рис 65 Етапи процесу вирощування кристала бестигельной зонної плавкою, коли діаметр індуктора менше діаметра проплавлять стрижня (V1 і V2 – швидкості руху стрижня і затравки відповідно): а – Створення краплі розплаву б – Змочування затравки в – Вихід на діаметр г – Вирощування кристала постійного діаметра

використання індуктора (нагрівача), діаметр якого менше діаметра проплавлять стрижня (рис 65) Суть методу полягає в наступному Заготівлю 4, яка піддається переплавки, закріплюють у верхньому утримувачі Соосно з верхнім тримачем знизу розташовують монокристаллическую затравку 1 На нижньому кінці заготовки за допомогою індуктора 2 створюється крапля розплаву 3, яка утримується на ній за рахунок сил поверхневого натягу До утворилася краплі підводять затравку до зіткнення з розплавом і повного її змочування Далі індуктор переміщається щодо заготовки вгору, в результаті чого заготівля над індуктором розплавляється, а під індуктором розплав кристалізується на затравку, утворюючи монокристал Верхній і нижній тримачі обертаються в протилежних напрямках, що сприяє перемішуванню розплаву, симетризації теплового поля і вирощуванню кристала циліндричної форми Застосування цього методу в технології Si дозволило збільшити діаметр вирощуваних монокристалів до 100 мм Існують і інші різновиди методу зонної плавки: вирощування монокристалів з пєдесталу, метод Вернейля

Основними недоліками бестигельной зонної плавки є труднощі управління величинами температурних градієнтів поблизу фронту кристалізації і труднощі управління розподілом температур вздовж зливка, що веде до досить високої концентрації власних дефектів у вирощуваних кристалах

Джерело: І А Случинський, Основи матеріалознавства і технології напівпровідників, Москва – 2002