Zonenschmelzen ist ein Reinigungsverfahren für Kristalle, insbesondere solche, die in Halbleitern verwendet werden, bei dem Verunreinigungen mithilfe von Wärme von der Oberseite eines Kristalls auf den Boden eines Kristalls gedrückt werden. Beim Erhitzen des Kristalls werden die Verunreinigungen zum Boden des Kristalls gezogen und der Boden wird abgeschnitten, wodurch eine gereinigte Probe zurückbleibt. Es gibt zwei Möglichkeiten, das Zonenschmelzen durchzuführen, wobei die Heizzone entweder stationär oder in Bewegung ist; beide kommen zu ähnlichen Ergebnissen. Zonenraffination ist der Prozess, bei dem der Schmelzvorgang mehrmals durchgeführt wird, bis der Kristall vollständig gereinigt ist.
Um das Zonenschmelzen zu starten, wird ein Kristall in einen zylindrischen Tiegel gegeben, wobei oben ein Impfkristall herausragt. Der Impfkristall ist der Hauptteil, der gereinigt werden muss, obwohl einige der anderen Kristalle ebenfalls gereinigt werden. Dann wird ein Ofen mit einer schmalen Wärmezone nahe der Mitte vorbereitet, und der Kristall wird langsam der Wärmezone ausgesetzt.
Es gibt zwei Hauptverfahren zum Durchführen eines Zonenschmelzverfahrens. Beim Bridgman-Verfahren bewegt sich die heiße Zone gegen den Tiegel, während der Tiegel stillsteht. Das Stockbarger-Verfahren ist das Gegenteil, bei dem sich der Tiegel durch eine Wärmezone bewegt. Obwohl es sich um völlige Gegensätze handelt, tun beide dasselbe.
Wenn der Kristall der Wärmezone ausgesetzt wird, wird er geschmolzen. Dadurch können sich Verunreinigungen im Kristall frei bewegen, und sie neigen dazu, sich in Richtung des kälteren Bereichs zu bewegen, der nicht durch die Wärmezone geleitet wird. Damit sich alle Verunreinigungen bewegen können, wird der Kristall sehr langsam erhitzt, bis die Reinheiten in den Boden des Kristalls gezogen sind. Der untere Teil des Kristalls wird abgesägt, wodurch ein gereinigter Kristall zurückbleibt.
Um sicherzustellen, dass das Zonenschmelzen erfolgreich ist, wird ein Prozess namens Zonenraffination verwendet. Dies ist dasselbe wie das Zonenschmelzen, aber der Kristall wird mehrmals gereinigt. Indem dies mehrere Male an demselben Kristall durchgeführt wird, können die Arbeiter sicher sein, dass der Kristall vollständig frei von Verunreinigungen ist.
Dieser Reinigungsprozess wird hauptsächlich an Kristallen durchgeführt, die als Halbleiter verwendet werden, aber er kann auch in anderen Anwendungen verwendet werden. Halbleiter sind in der Technik verwendete Teile, die eine Leitfähigkeit zwischen einem Leiter und einem Isolator aufweisen. Wenn Verunreinigungen im Kristall verbleiben, würden sie den Stromfluss stören und den Kristall entweder zu leitfähig oder nicht leitfähig genug machen.