(Академия информатизации образования)

В приближающемся 2002 году исполнится 50 лет со дня первой публикации В.Дж. Пфанна, посвящённой процессу зонной плавки [1].  Примерно в это же время были выданы и первые патенты на этот процесс. Изобретение зонной плавки  сразу решило многие технологические проблемы. По этой причине оно вызвало пристальный интерес в широких кругах научной общественности. Автор статьи осенью 1953 года, после окончания университета, начал работать в Физико-техническом институте АН СССР, в группе,  трудившейся над получением монокристаллов  кремния [2]. В то время твёрдо соблюдалось правило, что на еженедельном научном семинаре лаборатории, одновременно с основным докладом, делалось и небольшое сообщение по новинкам научной литературы. Почти сразу же мне было поручено рассказать содержание первой статьи по вертикальной бестигельной зонной плавке кремния [3]. Самое удивительное, что на это сообщение, также как и на другие сообщения, связанные с этой тематикой, в последующие несколько лет приходили даже сотрудники теоретического отдела, весьма далёкие от проблем металлургии и кристаллизации — такой живой интерес вызывал в это время вновь предложенный процесс. Конечно, через пару лет всё встало на свои места и на сообщения о зонной плавке стали ходить только те сотрудники, кто действительно был связан с этой проблемой. Свидетельством особого интереса к процессу зонной плавки может служить и пример, связанный с издательской деятельностью. В 50-е — 60-е годы наиболее важные иностранные статьи переводились на русский язык  и издавались в специальных сборниках переводов. Были напечатаны тематические сборники «Германий» [4], «Кремний»[5] и др. Издавались также и специальные тематические серии переводных сборников, например, сборники  серии  «Проблемы современной физики». Естественно, что такие сборники готовились разными издательствами, и тематика переводов почти никогда не согласовывалась. Тем не менее, особых «пересечений» в подборе материала для переводных сборников обычно не было. Исключение составлял только один случай, о котором я могу уверенно писать, так как сам принимал участие в переводе статей для одного из тех сборников, о которых идёт речь. Этот случай как раз связан с  зонной плавкой. Оказалось, что в двух сборниках, независимо готовившихся к печати в Москве и в Ленинграде, были переведены одни и те же статьи. Здесь интересно не то, как организационно решалась проблема исключения статей-дубликатов из одного сборника и производилась оплата переводчикам. Более интересно другое: часть совпадающих статей обоих сборников была посвящена именно зонной плавке. Это свидетельствует о  том живом интересе, который вызывал этот процесс в начальный период работы с полупроводниковыми материалами в Советском Союзе.

В послевоенные годы в связи с изобретением транзисторов полупроводники, материалы и известные, и использовавшиеся в некоторых приборах ещё в довоенные годы, приобрели первостепенный интерес. Соотественно, уже в первых работах по германию встал вопрос о глубокой очистке и управляемом легировании кристаллов. Только что завершившийся  XX век имел много названий. Его называли и веком атома, и веком космоса, и веком информации. Всё это справедливо. Однако, с не меньшим успехом XX век можно назвать и веком особо чистых веществ. Они нужны не только в полупроводниковой технологии, но и, например, в производстве ряда материалов для атомной энергетики. Не случайно в нашей стране в течение ряда лет РАН издавала даже специальный журнал «Высокочистые вещества». Глубокая очистка связана с разработкой соответствующих методов контроля. Полупроводниковые же материалы не только требовали высочайшей чистоты, но и посредством измерения их электрофизических свойств позволяли решить проблему контроля эффективности очистки. Процессы глубокой очистки, также как и процессы обогащения, очень малых концентраций вещества требуют долгих, повторяющихся процессов. Сейчас уже мало кто помнит, что для выделения первых микропорций полония супругам Кюри (им в этой работе помогал два или три дня в неделю швейцар) понадобилось проводить дробную кристаллизацию в течение долгих месяцев. То же самое можно сказать и об очистке. При очистке дробной кристаллизацией разделка слитков вызывает дополнительные загрязнения материала, ставя тем самым определённый предел достигаемой степени чистоты. Зонная плавка, которая позволяла проводить многократное повторение процесса очистки без разделки слитка, попала, что называется, на самое остриё технологического прогресса. Этим и объясняется и успех этой методики, и огромный интерес к ней.

Почти сразу же выяснилось, что зонная плавка нужна не только как способ глубокой очистки, но и как метод получения кристаллов. Кроме того, она в своём бестигельном варианте позволяла решить важные технические и технологические проблемы для материалов, обладающих огромной химической активностью в расплавленном состоянии. Во всех этих направлениях и началось активное изучение и применение процесса. Естественно, встал вопрос и о том, какие работы предваряли работу Пфанна. Пфанн и сам ссылался на труды своих предшественников [6]. Впоследствии были выявлены и ранние  работы других авторов, использовавших частичное расплавление материала и движение расплавленной зоны.  Самая старая работа, которая в этом смысле предшествовала статье Пфанна, была опубликована в 1855 году в  Poggendorf Annalen. Тем не менее, ни у кого и никогда не возникало сомнений в реальном приоритете Пфанна. Причина его успеха и признания связана с установлением им новой возможности процесса, а именно многократной глубокой очистки. История науки знает ряд примеров приоритетных споров, когда спорящим не совсем понятно, почему честь открывателя принадлежит тому, а не другому исследователю. Позволим пояснить это историческими примерами. Почему считается, что Эдисон, автор многих открытий, не нуждавшийся в чужих результатах, создал электрическую лампочку. Здесь у него было много предшественников и современников — Лодыгин, Сванн, Гебель. В действительности успех Эдисона связан не с созданием конструкции лампочки , а  с пониманием того, что сопротивление её нити  накаливания должно быть большим [7]. В этом случае лампочки можно включать параллельно и не бояться, что пергорание одной из них выведет из строя всю цепь, как при последовательном включении лампочек с малым сопротивлением, что и наблюдалось  при практической реализации конструкций многих его конкурентов. Идея одна, а возможности реализации разные. Точно также успех братьев Райт связан вовсе не с тем, что они первыми поднялись в воздух. Их успех связан с усовершенствованием летательного аппарата, тяжелее воздуха, которое обеспечивало его устойчивость при полёте [8]. Такие примеры можно легко умножить. Аналогичная ситуация связана и с именем Пфанна. Многие исследователи до него проплавляли часть образца, но только он понял и объяснил, что это является принципиальной особенностью, обеспечивающей многократное и ускоренное проведение процесса очистки.

Конечно, без некоей слабенькой дискусси по поводу оригинальности процесса не обошлось. Почти одновременно с изобретением зонной плавки Д.А. Петровым был предложен и метод подпитки расплава твёрдым компонентом [9]. Этом метод, заслуженно получивший название метода Петрова, был создан для других целей. Он и сейчас широко и успешно используется для получения  кристалов концентрированных твёрдых растворов. В то же время ясно, что с точки зрения расположения жидкой и твёрдой фаз между этим методом и методом зонной плавки различий нет, как нет этих различий у зонной плавки и метода выращивания кристаллов на пьедесталле по Дэшу, метода вытягивания слитка из висящей капли и ряда других]. Внешнее сходство и принципиальное описание процессов перераспределения состава во всех случаях одинаково [10]. Тем не менее, практические применения и ряд других, хорошо известных особенностей, позволяют говорить о том, что всё это разные процессы. Однако, на ряде советских конференций вопрос о том, что является частным случаем более общего метода: зонная плавка частный случай метода Петрова или же наоборот, прозвучал. Годы борьбы  за «приоритет российской науки» были ещё свежи в памяти. Тем не менее, по счастью, эта дискуссия быстро свернулась и впоследствии приоритет Пфанна никто и нигде не ставил под сомнение.

Преимущества зонной плавки были настолько очевидны, что во всём мире начались активные работы по изучению и применению этого процесса. Первым направлением изучения было применение зонной плавки  в полупроводниковой технологии. Метод применяли не только к материалам IV группы: германию и кремнию, но и к новинке того времени соединениям типа AIII BV.  Одновременно шло активное применение процесса для глубокой очистки металлов, оптических кристаллов, органических соединений. Круг материалов, для работы с которыми применялась зонная плавка, быстро расширялся. Работа с некоторыми материалами, например с арсенидом галлия, требовала специальных конструкций установки. На западе они были описаны Греммельмайером. В России аналогичную установку независимо создал сотрудник Физико-технического института АН СССР, безвременно ушедший вскоре из жизни, Ю.М. Бурдуков, Работа с этими и другими оригинальными материалами потребовала особых конструктивных и технологических решений. В результате возникло целое направление: техника зонной плавки. Оно полностью соответствует названию соответствующей монографии Н.Парра [11]. Для расчёта распределений состава на различных стадиях процессов очистки и зонного выравнивания, вычисления предельных распределений  потребовалось проведение численных расчётов. Они были не очень сложными в чисто математическом плане, но очкень громоздкими. В связи с этим возникла так называемая «зонная математика». Появились специальные моделирующие электрические и механические интеграторы для расчёта распределений состава на разных стадиях процесса. Сейчас основные задачи этого плана решены, а появление компьютеров практически свело к нулю исследования в этой области. Кроме перечисленных, возникло новое спецефическое направление, возглавлявшееся самим Пфанном. Оно использовало различные трансформации идеи зонного, то есть частичного, движущегося участка жидкости. На этом пути самим Пфанном были предложены зонная плавка с градиентом температуры (ЗПГТ) и непрерывная зонная плавка (НЗП). Как известно, ЗПГТ является одним из важнейших процессов современной эпитаксиальной технологии [12].

Естественно, что развитие работ столь широким фронтом породило массу публикаций. Хорошо известно, что в прогрессивно развивающихся областях знаний процесс накопления информации, а значит и роста числа публикаций по теме, идёт экспоненциально. Два советских учёных, впоследствии профессора, В.Н. Вигдорович и А.Я. Нашельский проделали колоссальную работу по изучению этого моря публикаций [13,14]. По их данным за 12 лет исследований число обнаруженных статей, посвящённых чисто зонной плавке (без учёта  технических работ) было около 1000. Более того, В.Н. Вигдорович и А.Я. Нашельский исследовали ежегодное количнество публикаций, посвящённых зонной плавке, в первые годы со дня изобретения этого процесса. По их данным в этот период наблюдался экспоненицальный рост числа публикаций, что, в соответствии с представлениями наукометрии, говорит о прогрессивности этих исследований в соответствующий период времени. Как известно, ни в одной области экспоненциальный рост знаний  бесконечно продолжаться не может. Предел этому росту кладёт истощение информационного ресурса проблемы [15]. Поэтому при длительном развитиии кривая числа публикаций выходит на насыщение и приобретает S-образный вид, называемый логистой. Это и произошло с ростом числа публикаций по зонной плавке. Сейчас столь быстрого их роста, как в первые годы исследований не наблюдается. В этом можно убедиться, например, при поиске по ключевым словам zone+melting в какой-либо поиковой системе журнальных публикаций, например. в World Cat (http://www.oclc.org.home).

Российскому читателю наибоее интересно напомнить, как исследования по зонной плавке развивались в нашей стране. Надо сразу же сказать, что эти исследования велись широким фронотом и результаты их были достойны. В ряде областей, таких как широкое применение процесса для глубокой очистки металлов, теории поцесса, получении кристаллов концентрированных твёрдых растворов, как в режиме очистки, так и в режиме зонного вывравнивания в Советском Союзе было выполнено много работ, признанных во всём мире. Особо хочется отметить изучение процесса ЗПГТ в Новочеркасском политехническом институте, проводившееся под руководством проф. В.Н. Лозовского. Эта серия признанных первоклассных работ в основном публиковалась в институтских сборниках, получивших благдаря этому широчайшую известность.В.Н. Лозовским была написана, а затем переработана и переиздана уже в соавторстве известная монография [12], посвящённая ЗПГТ. Книга по теории процессов НЗП, обобщающая мировой опыт теоретических и практических исследований в этом направлении, была написана с участием  В.Н. Вигдоровича [16]. Оригинальная школа исследований процесса зонной плавки сложилась в Новосибирском научном центре АН СССР под руководством, рано ушедшего из жизни, проф. А.Н. Киргинцева. Особенности личности А.Н. Киргинцева и его манера поведения, к сожалению, вызывали незаслуженно недоброжелательное восприятие его работ многими коллегами. Автору статьи пару раз пришлось выступать в качестве нейтральной стороны длительных в спорах между А.Н. Киргинцевым и рецензентами его статей в ряде авторитетных изданий. Годы прошли и надо сказать, что, предложенный Киринцевым, оригинальный вариант процесса: зонная плавка во вращающемся контейнере [17], нашёл своё заслуженное место в современной технологии и сохранил приоритет идеи за нашей страной. Нам также приятно отметить. что именно в нашей стране стали активно развиваться исследования по применению процесса зонной плавки, также как и других процессов кристаллизации,  для анализа диаграмм состояния [18,19], а также в качестве метода обогащения проб в аналитической химии [20]. Заслуга профессоров В.Н. Вигдоровича и А.Б. Бланка в этом направлениии несомненна.

Мы несколько раз упомянли здесь имя проф. В.Н. Вигдоровича. Работая в этот период времени в Гиредмете, он сумел сгруппировать вокруг себя группу исследователей из разных лабораторий, работавших в параллельных направлениях. Благодаря этому процесс зонной очистки изучался с единых позиций и сопровождался активным изучением коэффициентов распределения примесей в различных материалах. Сам В.Н. Вигдорович проделал большую работу по организации переводных сборников, посвящённых зонной плавке, обзоров иностранной литературы и т.д.

Одновременно в том же Гиредмете под руководством таких известных специалистов, как А.Ю. Малинин, велись и технико-технологические разработки процессов глубокой очистки полупроводниковых материалов методом вертикальной бестигельной зонной плавки. В Ленинграде большая работа по созданию промышленного оборудования для вертикальной енстигельной зонной плавки кремния была выполнена во ВНИИТВЧ в лаборатории трагически погибшего Ю.Н. Недзвецкого. Из его отдела вышла и монография Д.Г. Ратникова, посвящённая теории и практике процессов высокочастотной зонной плавки кремния [21]. Большая работа по разработке технологии промышленной зонной плавки для получения высокочистого алюминия была выполнена в ВАМИ в лаборатории С.Н. Мараева. В этой работе ему активно помогал начальник вычислительного центра ВАМИ И.Н. Муниц. Горько писать, но сейчас эти активные деятели недавнего периода почти все ушли из жизни.

Может показаться, что находясь в своё время в активной зоне советских исследований, автор несколько преувеличивает их роль во всемирном призводстве знаний. Однако, имеются достаточно объективные косвенные подтверждения роли нашей науки в изучении зонной плавки. Обратимся к электронному каталогу Библиотеки Конгресса США — самой большой библиотеки мира (http://catalog.loc.gov). Проанализируем распределение монографий по ключевым словам «зонная плавка». Справочная система говорит, что  этим ключевым словам соответствует 21 единица хранения. (Речь идёт только о монографиях, сборниках и т.п. изданиях). Естественно, что такой поиск не отвечает условиям полноты, так как ключевые слова определяются только на основе заглавий. Поэтому монографии, у которых в заглавии есть термин «кристаллизация», но нету сочетания «зонная плавка», при таком поиске опускаются.  Кроме того, русскоязычная литература представлена в ккатологе с недостаточной степеньюе полносты. Тем не менее, из 21 единицы хранения, посвящённых зонной плавке, 11 изданы в СССР и странах СНГ. Иными словами, около половины монографий, посвящённых зонной плавке, изданы  на территории бывшего СССР. При несколько ином способе поиска получается, что из учтённой в библиотеке монографической литературы по зонной плавке и очистке 1/3 отпечатана на русском языке. В качестве оценочных данных такой способ определения вполне правомерен. Он говорит о том, что в получении фундаментальных данных по зонной плавке роль наших учёных действительно значительна. К сожалению, столь просто провести оценку соотношения числа журнальных публикаций невозможно. Тем не менее, можно с определённостью сказать, что показатели здесь для русскоязычной литературы, скорее всего, будут не столь высокими. В этом утверждениии мы опираемся на данные, собранные ранее в библиографическом справочнике.

В настоящее время, как мы уже говорили, принципиально новых исследований процесса зонной плавки не ведётся. В то же время хорошо известно, что он широко используется при очистке и получении монокристаллов многих практически важных материалов, в первую очередь, материалов электронной техники. В нескольких странах налажено широкое производство устройисв для прмышленной зонной плавки. Особенно хорошо известны различные промышленные установкидля вертикальной бестигельной зонной плавки кремния с высокочастотной плавкой и плавко электронным лучом. Промышленный процесс зонной плавки  прекрасно автоматизирован. Идеи самого метода хорошо известны широкой общественности. Статьи о процессах зонной плавки и зонной очистки имеются в популярных технических справочниках и раздичных авторитетных энциклопедиях широкого профиля. Так например, в электронной версии  Encyclopedia Britannica на CD-дисках [22]  имеется 5 статей, посвящённых зонной плавке и зонной очистке. Имеется соотетчствующая статья и в последнем издании Большой советской энциклопедии. Сами же идеи анализа миграции фазовых включений, развитые в теории зонной плавки, применяются и в физике твёрдого тела [23], и в геологии и в других, достаточно далёких друг от друга областях науки и техники. Так, в уже упоминавшейся Encyclopedia Britannica в той или иной мере упоминание схожих процессов имеется в 91 статье.

Скажем ещё несколько слов о научной судьбе первосоздателя процесса В.Дж. Пфанна. Свою жизнь он посвятил разработке идей применения зонного плавления для самых разных задач. В своё время проф. Д.С. Каменецкая, занимавшаяся, в частности,  зонной очисткой железа, говорила о том, что книги и вся деятельность Пфанна напоминают ей зонтичное растение с патентами вместо листьев. Она имела ввиду то обстоятельство, что Пфанн старался оформить патентами все мыслимые технические варианты и режимы процесса зонной плавки. В этом плане можно только восхищаться неистощимостью его изобретательсктого таланта. Пфанном написана одна книга, посвящённая зонной плавке. На английском языке книга издавалась три раза. Два первых её издания были переведены на русский язык.

Если взять любое учебное пособие по росту кристаллов, то мы встретим там много имён. Известны методы Бриджмена и Кирополуса, Чохральского, Петрова, Степанова. Однако тщетно мы будем искать в таких пособиях  особый «метод Пфанна». Его нет. Вопрос этот относится не к признанию авторитета автора или значимости самого изобретения. Он, скорее всего, относится к мало исследованной области психологии массового восприятия. Действительно, многие известные уравнения, методы, формулы именно, благодаря своей известности, как бы теряют авторство. Мы ведь не удивляемся, когда вместо термина «константа Клапейрона» говорим «универсальная газовая постоянная». Число примеров можно легко увеличить. Во всяком случае процесс зонной плавки известен, распространён и полезен, а его автор — В.Дж. Пфанн достоин того, чтобы его вспомнили через 50 лет после того, как им было сделано это замечательное технологическое предложение.  Отмечая этот юбилей, приятно ещё раз вспомнить, какую большую роль сыграли советские учёные в становлении техники и развитии теории этого процесса. В заключение отметим, что здесь приводятся только некоторые иллюстративные литературные ссылки. Никакой полноты или особой упорядоченности в прилагаемом к статье списке литературы нет.