(ซ้าย)ฟานน์ (ซ้ายสุด) แสดงให้เห็นหลอดกลั่นแยกโซนแบบแรก จากห้องปฏิบัติการเบลล์ ปี 1953 (ขวา)การกลั่นแยกโซนแนวตั้ง ปี 1961 ขดลวด ความร้อนเหนี่ยวนำหลอมละลายแท่งโลหะส่วนหนึ่งในหลอด ขดลวดเคลื่อนที่ลงไปตามหลอดอย่างช้าๆ ทำให้โซนหลอมเหลวเคลื่อนไปยังปลายแท่งโลหะ

การตกผลึก
หลักการพื้นฐาน
คริสตัล โครงสร้างผลึก การก่อตัวของนิวเคลียส
แนวคิด
การตกผลึก การเจริญเติบโตของผลึก การตกผลึกใหม่ ผลึกเมล็ด โปรโตคริสตัลไลน์ ผลึกเดี่ยว
วิธีการและเทคโนโลยี
โบว์ล วิธี Bridgman–Stockbarger กระบวนการแวน อาร์เคล–เดอ โบเออร์ วิธี Czochralski เอพิแท็กซี วิธีฟลักซ์ การตกผลึกแบบเศษส่วน การแช่แข็งแบบเศษส่วน การสังเคราะห์ด้วยความร้อนสูง วิธี Kyropoulos การเจริญเติบโตของฐานรองด้วยความร้อนจากเลเซอร์ วิธีการของเลลี การดึงลงขนาดเล็ก กระบวนการขึ้นรูปในการเจริญเติบโตของผลึก เบ้าหลอมกะโหลก วิธี Verneuil การหลอมละลายของโซน
วี ที อี

การหลอมโซน (หรือการกลั่นโซนหรือวิธีการโซนลอยตัวหรือเทคนิคโซนลอยตัว ) เป็นกลุ่มของวิธีการที่คล้ายคลึงกันในการทำให้ผลึกบริสุทธิ์ โดยที่บริเวณแคบๆ ของผลึกจะถูกหลอม และโซนที่หลอมเหลวนี้จะถูกเคลื่อนย้ายผ่านผลึก บริเวณที่หลอมเหลวจะหลอมของแข็งที่ไม่บริสุทธิ์ที่ขอบด้านหน้า และทิ้งร่องรอยของวัสดุที่บริสุทธิ์กว่าซึ่งแข็งตัวอยู่ด้านหลังขณะที่มันเคลื่อนที่ผ่านแท่งโลหะ สิ่งเจือปนจะเข้มข้นอยู่ในส่วนที่หลอมเหลว และถูกเคลื่อนย้ายไปยังปลายด้านหนึ่งของแท่งโลหะ การกลั่นโซนถูกคิดค้นโดยJohn Desmond Bernal ^{[ 1 ]}และได้รับการพัฒนาเพิ่มเติมโดยWilliam G. Pfann ^{[ 2 ]}ในBell Labsเป็นวิธีการเตรียมวัสดุที่มีความบริสุทธิ์สูง โดยส่วนใหญ่เป็นสารกึ่งตัวนำสำหรับการผลิตทรานซิสเตอร์การใช้งานเชิงพาณิชย์ครั้งแรกคือในเจอร์มาเนียมซึ่งได้รับการกลั่นให้มีสิ่งเจือปนเพียงหนึ่งอะตอมต่อหนึ่งหมื่นล้าน^{[ 3 ]}แต่กระบวนการนี้สามารถขยายไปยัง ระบบ ตัวละลาย - ตัวทำละลาย ใดๆ ก็ได้ ที่มีความแตกต่างของความเข้มข้นระหว่างเฟสของแข็งและของเหลวที่สมดุลอย่างเห็นได้ชัด^{[ 4 ]}กระบวนการนี้ยังเป็นที่รู้จักในชื่อกระบวนการโซนลอยตัว โดยเฉพาะในการประมวลผลวัสดุเซมิคอนดักเตอร์

หลักการคือ ค่าสัมประสิทธิ์การแยกตัวk (อัตราส่วนของสิ่งเจือปนในเฟสของแข็งต่อเฟสของเหลว ณ สภาวะสมดุล) มักจะน้อยกว่าหนึ่ง ดังนั้น ที่ขอบเขตของของแข็ง/ของเหลว อะตอมของสิ่งเจือปนจะแพร่ไปยังบริเวณของเหลว ด้วยเหตุนี้ การนำผลึกผ่านเตาหลอมแบบบางๆ อย่างช้าๆ จนมีเพียงบริเวณเล็กๆ ของผลึกเท่านั้นที่หลอมเหลวในแต่ละครั้ง จะทำให้สิ่งเจือปนแยกตัวไปอยู่ที่ปลายผลึก เนื่องจากไม่มีสิ่งเจือปนในบริเวณที่เหลือซึ่งแข็งตัว ผลึกจึงสามารถเติบโตเป็นผลึกเดี่ยว ที่สมบูรณ์แบบได้ หาก วาง ผลึกต้นแบบไว้ที่ฐานเพื่อเริ่มต้นทิศทางการเติบโตของผลึกที่เลือก เมื่อต้องการความบริสุทธิ์สูง เช่น ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ ปลายผลึกที่ไม่บริสุทธิ์จะถูกตัดออก และทำการกลั่นซ้ำอีกครั้ง

ในกระบวนการกลั่นแบบโซน (zone refining) สารละลายจะถูกแยกไว้ที่ปลายด้านหนึ่งของแท่งโลหะ เพื่อทำให้ส่วนที่เหลือบริสุทธิ์ หรือเพื่อเพิ่มความเข้มข้นของสิ่งเจือปน ส่วนในกระบวนการปรับระดับโซน (zone leveling ) มีเป้าหมายเพื่อกระจายสารละลายให้ทั่วถึงวัสดุที่บริสุทธิ์แล้ว ซึ่งอาจต้องการในรูปของผลึก เดี่ยว ตัวอย่างเช่น ในการเตรียมสารกึ่งตัวนำทรานซิสเตอร์หรือไดโอด แท่งโลหะ เจอร์มาเนียมจะถูกทำให้บริสุทธิ์ก่อนโดยกระบวนการกลั่นแบบโซน จากนั้นจะใส่ แอนติโมนีจำนวนเล็กน้อยลงในโซนหลอมเหลวที่ไหลผ่านเจอร์มาเนียมบริสุทธิ์ ด้วยการเลือกอัตราการให้ความร้อนและตัวแปรอื่นๆ ที่เหมาะสม แอนติโมนีสามารถกระจายตัวได้ทั่วถึงเจอร์มาเนียม เทคนิคนี้ยังใช้ในการเตรียมซิลิคอนสำหรับใช้ในวงจรรวม ("ชิป") ด้วย

สามารถใช้เครื่องทำความร้อนได้หลากหลายชนิดสำหรับการหลอมแบบโซน โดยคุณลักษณะที่สำคัญที่สุดคือความสามารถในการสร้างโซนหลอมเหลวขนาดสั้นที่เคลื่อนที่ช้าและสม่ำเสมอผ่านแท่งโลหะ ขดลวดเหนี่ยวนำเครื่องทำความร้อนแบบต้านทานแบบวงแหวนหรือเปลวไฟจากแก๊สเป็นวิธีการที่นิยมใช้กัน อีกวิธีหนึ่งคือการส่งกระแสไฟฟ้าผ่านแท่งโลหะโดยตรงในขณะที่อยู่ในสนามแม่เหล็กโดยแรงเคลื่อนแม่เหล็ก ที่เกิดขึ้น จะต้องถูกตั้งค่าอย่างระมัดระวังให้เท่ากับน้ำหนักเพื่อรักษาสภาพของเหลวให้ลอยอยู่ เครื่องทำความร้อนแบบออปติคอลที่ใช้หลอดฮาโลเจนหรือซีนอน กำลังสูง ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในสถานวิจัย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการผลิตฉนวน แต่การใช้งานในอุตสาหกรรมมีข้อจำกัดเนื่องจากกำลังไฟของหลอดไฟค่อนข้างต่ำ ซึ่งจำกัดขนาดของผลึกที่ผลิตได้ด้วยวิธีนี้ การหลอมแบบโซนสามารถทำได้เป็นกระบวนการแบบเป็นชุดหรือสามารถทำได้อย่างต่อเนื่อง โดยเติมวัสดุที่ไม่บริสุทธิ์ใหม่ๆ เข้าไปอย่างต่อเนื่องที่ปลายด้านหนึ่ง และนำวัสดุที่บริสุทธิ์กว่าออกทางอีกด้านหนึ่ง โดยนำส่วนที่หลอมเหลวที่ไม่บริสุทธิ์ออกในอัตราที่กำหนดโดยความไม่บริสุทธิ์ของวัตถุดิบตั้งต้น

วิธีการ ให้ความร้อนแบบลอยตัวโดยอ้อมใช้วงแหวนทังสเตนที่ให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำเพื่อให้ความร้อนแก่แท่งโลหะด้วยการแผ่รังสี และมีประโยชน์เมื่อแท่งโลหะเป็นสารกึ่งตัวนำที่มีความต้านทานสูง ซึ่งการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำแบบดั้งเดิมไม่ได้ผล

เมื่อโซนของเหลวเคลื่อนที่ไปตามระยะทางจำนวนสิ่งเจือปนในของเหลวจะเปลี่ยนแปลง สิ่งเจือปนจะถูกรวมเข้ากับของเหลวที่กำลังหลอมเหลวและของแข็งที่กำลังแข็งตัว^{[ 5 ]}${\displaystyle dx}$

${\displaystyle k_{O}}$สัมประสิทธิ์การแยกตัว

${\displaystyle L}$ความยาวของโซน

${\displaystyle C_{O}}$: ความเข้มข้นของสิ่งเจือปนที่สม่ำเสมอในเบื้องต้นของแท่งโลหะที่แข็งตัวแล้ว

${\displaystyle C_{L}}$: ความเข้มข้นของสิ่งเจือปนในของเหลวหลอมเหลวต่อความยาว

${\displaystyle I}$จำนวนสิ่งเจือปนในของเหลว

${\displaystyle I_{O}}$จำนวนสิ่งเจือปนในโซนเมื่อเริ่มก่อตัวที่ด้านล่าง

${\displaystyle C_{S}}$: ความเข้มข้นของสิ่งเจือปนในแท่งของแข็ง

ปริมาณสิ่งเจือปนในของเหลวจะเปลี่ยนแปลงไปตามสมการด้านล่างในระหว่างการเคลื่อนที่ของบริเวณหลอมเหลว ${\displaystyle dx}$

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

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

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

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

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

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

ในเซลล์แสงอาทิตย์กระบวนการผลิตแบบฟลอตโซนมีประโยชน์อย่างยิ่ง เนื่องจากซิลิคอนผลึกเดี่ยวที่ได้มีคุณสมบัติที่พึงประสงค์อายุการใช้งานของตัวนำ ประจุ ในซิลิคอนแบบฟลอตโซนนั้นสูงที่สุดในบรรดากระบวนการผลิตต่างๆ อายุการใช้งานของตัวนำประจุแบบฟลอตโซนอยู่ที่ประมาณ 1,000 ไมโครวินาที เมื่อเทียบกับ 20–200 ไมโครวินาทีด้วยวิธี Czochralskiและ 1–30 ไมโครวินาทีด้วยซิลิคอนผลึกหลายเหลี่ยมแบบ หล่อ อายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้นช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ได้อย่างมาก

การหลอมโซนใช้สำหรับการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงแบบโฟลตโซนที่ใช้ซิลิคอน^{[ 6 ] : 364}

กระบวนการที่เกี่ยวข้องอีกอย่างหนึ่งคือการหลอมใหม่แบบโซน (zone remelting ) ซึ่งเป็นการกระจายตัวของสารละลายสองชนิดผ่านโลหะบริสุทธิ์ กระบวนการนี้มีความสำคัญในการผลิตสารกึ่งตัวนำ ซึ่งใช้สารละลายสองชนิดที่มีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าตรงข้ามกัน ตัวอย่างเช่น ในเจอร์มาเนียม ธาตุที่มีวาเลนซี 5 ในหมู่ 5เช่นแอนติโมนีและอาร์เซนิกจะนำไฟฟ้าแบบลบ (n-type) และธาตุที่มีวาเลนซี 3 ในหมู่ 3เช่นอะลูมิเนียมและโบรอนจะนำไฟฟ้าแบบบวก (p-type) โดยการหลอมส่วนหนึ่งของแท่งโลหะดังกล่าวแล้วค่อยๆ แช่แข็งใหม่ สารละลายในบริเวณที่หลอมเหลวจะกระจายตัวเพื่อสร้างรอยต่อ np และ pn ที่ต้องการ

• การแช่แข็งแบบแยกส่วนหรือเรียกอีกอย่างว่า การกลั่นแบบแช่แข็ง
• ซิลิคอนผลึกเดี่ยว
• แผ่นเวเฟอร์ (อิเล็กทรอนิกส์)

• Hermann Schildknecht (1966), โซนละลาย , ไวน์ไฮม์: Verlag Chemie
• มุลเลอร์, จี. (1988). การเจริญเติบโตของผลึกจากสารหลอมเหลว. คริสตัลส์. เล่มที่ 12. เบอร์ลิน, ไฮเดลเบิร์ก: สปริงเกอร์ เบอร์ลิน ไฮเดลเบิร์ก. doi : 10.1007/978-3-642-73208-9 . ISBN 978-3-642-73210-2สืบค้นเมื่อ23 พฤศจิกายน 2023