FloatZoneVerfahren

FloatZoneVerfahren, auch Floating-Zone-Verfahren, ist ein crucible-freies Verfahren zur Herstellung hochreiner Einkristalle. Dabei wird eine schmale, lokale Schmelzzone über einen Stab aus Festmaterial bewegt. Die schmelzende Zone erzeugt hinter sich eine neu kristallisierende Fläche; durch den Segregationsprozess verteilen sich Verunreinigungen je nach Segregationskoeffizient k unterschiedlich. Bei vielen Halbleitermaterialien bleiben Verunreinigen überwiegend in der Schmelze, wandern mit der Zone zum Kristallende und hinterlassen so einen reineren Kristallabschnitt.

Aufbau und Ablauf: Der Kristallstab wird in einer kontrollierten Atmosphäre oder im Vakuum gehalten. Die Schmelzzone wird üblicherweise durch Induktionsspulen oder Elektronenstrahlheizung erzeugt. Zwei gegenläufige Heizquellen tragen die Zone entlang des Stabs; der Stab wird langsam bewegt, sodass hinter der Zone ein Einkristall wächst. Typische Durchmesser liegen im ein- bis mehrzolligen Bereich; Wachstumsraten von wenigen Zentimetern pro Stunde sind üblich.

Materialien: Das Verfahren wird predominent zur Herstellung hochreiner Halbleiterkristalle eingesetzt. Am häufigsten kommen reines Silizium und Germanium zum Einsatz; ferner wird es auch für einige Verbindungshalbleiter wie GaAs oder bestimmte SiC-/GaN-Systeme genutzt. Isotopisch reines Silizium kann durch kontrollierte Zoneverbesserung erreicht werden.

Vorteile und Grenzen: Das crucible-freie Verfahren reduziert Kontaminationen und ermöglicht sehr hohe Reinheit sowie kontrollierte Dotier- oder Isotopenprofile. Nachteile sind langsame Wachstumsraten, begrenzter Kristallradius, aufwendige Ausrüstung und empfindlichkeit gegenüber Prozessbedingungen. Anwendungen liegen vor allem in der Forschung, der Herstellung hochreiner Halbleiterkristalle und isotopisch reinen Materialien.