Zonenschmelzen

Zonenschmelzen, auch Zone-Schmelzen genannt, ist ein Verfahren zur Reinigung und gezielten Dotierung von Festkörpern durch Verschieben einer schmalen Schmelzzone durch einen festen Stab oder Kristall. Eine Heizquelle erzeugt eine lokale Schmelze, die sich langsamer Länge entlang des Stabs bewegt. Während der Bewegung verhalten sich Verunreinigungen unterschiedlich in der flüssigen und in der festen Phase.

Das zentrale Prinzip beruht auf dem Verteilungskoeffizienten k, dem Verhältnis der Verunreinigungskonzentrationen in Festkörper und in der Flüssigkeit am Phasenübergang. Bei Materialien mit k kleiner als 1 bleiben mehr Verunreinigungen in der Flüssigkeit und werden durch das fortlaufende Verschieben der Schmelzzone aus dem bereits erstarrten Kristall herausgeschoben. Nach mehreren Durchläufen sammelt sich am Ende des Stabs eine Endzone mit der größten Verunreinigung, während der restliche Kristall immer reinere Abschnitte bildet.

Anwendungen liegen vor allem in der Halbleitertechnik: Durch Zonenschmelzen lassen sich hochreine Rohstoffe wie Silizium, Germanium und Galliumarsenid herstellen; zudem ermöglicht es gezielte Dotierungen oder die Herstellung homogener Legierungen durch kontrollierte Verteilung von Dotanden. Das Verfahren wird auch zum Trennen isotopisch ähnlicher Substanzen eingesetzt.

Vorteile sind hohe Reinheitspotenziale und feine Kontrolle der Dotierung. Einschränkungen umfassen langsame Prozessgeschwindigkeiten, hohen Energiebedarf und die Abhängigkeit vom Verteilungskoeffizienten des verwendeten Materials. Zonenschmelzen eignet sich vorwiegend für Festkörpermaterialien, deren Eigenschaften durch eine gerichtete Schmelze steuerbar sind.