Уильям Пфанн

Уильям Пфанн (англ. William Pfann; 27 октября 1917, Бруклин, Нью-Йорк — 12 октября 2005, Бедфорд, Массачусетс) — американский инженер-металлург и изобретатель, наиболее известный как создатель метода зонной плавки (зонной перекристаллизации), который стал ключевой технологией в производстве сверхчистых материалов, в первую очередь — полупроводникового кремния и германия.

Биография

Уильям Пфанн родился в 1917 году в Бруклине, Нью-Йорк. В 1940 году он окончил Купер-Юнион (Cooper Union) со степенью бакалавра в области химического машиностроения. В 1953 году получил степень магистра в области металлургии в Политехническом институте Бруклина (ныне — Нью-Йоркский университет Тандон).

С 1941 года и до выхода на пенсию в 1978 году Пфанн работал в Bell Laboratories (лаборатории компании Bell Telephone Laboratories, США). Именно в этой организации, занимавшейся фундаментальными и прикладными исследованиями в области электроники и связи, он совершил своё главное изобретение.

Изобретение зонной плавки

Предпосылки

В конце 1940-х — начале 1950-х годов развитие полупроводниковой электроники столкнулось с проблемой чистоты исходных материалов. Для создания транзисторов и диодов требовался германий и кремний с содержанием примесей на уровне не более одной атомной части на миллион (1 ppm) и ниже. Существовавшие методы химической очистки не позволяли достичь такого уровня.

Суть метода

Пфанн предложил процесс, основанный на различной растворимости примесей в твёрдой и жидкой фазах материала. Суть метода заключается в следующем: вдоль слитка материала (например, германия) медленно перемещается узкая расплавленная зона, создаваемая кольцевым нагревателем. При движении этой зоны от одного конца слитка к другому примеси, имеющие коэффициент сегрегации (распределения) меньше единицы, концентрируются в жидкой фазе и переносятся к концу слитка. После многократного повторения процесса (многопроходная зонная плавка) основная часть слитка становится чрезвычайно чистой, а примеси собираются на его конце, который затем отрезается.

Патент и публикация

Пфанн подал заявку на патент США № 2,739,088 «Зонная плавка» 10 июня 1952 года, патент был выдан 20 марта 1956 года. В 1952 году он также опубликовал статью «Принципы зонной плавки» в журнале Journal of Metals. В 1966 году вышла его монография «Зонная плавка» (англ. Zone Melting), ставшая классическим руководством по технологии.

Значение и влияние

Изобретение зонной плавки стало одним из важнейших технологических прорывов XX века. Оно позволило:

• Получать монокристаллы кремния и германия с уровнем чистоты до 99,9999999 % (9N — девять девяток) и выше.
• Обеспечить массовое производство стабильных и надёжных полупроводниковых приборов — транзисторов, диодов, интегральных схем.
• Создать основу для развития микроэлектроники, вычислительной техники, телекоммуникаций и солнечной энергетики.

Метод зонной плавки применяется не только в полупроводниковой промышленности, но и в металлургии (очистка металлов, например, титана, ниобия, вольфрама), в производстве оптических материалов (кварцевое стекло, фториды), а также в органической химии для разделения и очистки органических соединений.

Признание и награды

За свою работу Уильям Пфанн получил ряд престижных наград:

• Национальная медаль науки США (1967) — высшая научная награда США, вручена президентом Линдоном Джонсоном.
• Медаль Генри Альберта (1970) от Американского общества инженеров-механиков (ASME).
• Премия Джона Прайса Уэзерилла (1971) от Института Франклина.
• Медаль Перкина (1975) — высшая награда Американского химического общества за выдающиеся достижения в прикладной химии.
• Золотая медаль Американского общества металлов (1976).

В 1974 году Пфанн был избран членом Национальной инженерной академии США.

Поздние годы и наследие

После выхода на пенсию в 1978 году Пфанн продолжал консультировать промышленные компании и заниматься изобретательством. Он умер в 2005 году в возрасте 87 лет.

Сегодня имя Уильяма Пфанна прочно ассоциируется с зонной плавкой. Его изобретение остаётся стандартным промышленным процессом, без которого невозможно производство современных микросхем, процессоров, солнечных батарей и многих других высокотехнологичных устройств. Введение метода зонной плавки в массовое производство в середине 1950-х годов стало одним из ключевых факторов, обусловивших экспоненциальный рост вычислительной мощности и миниатюризацию электроники, предсказанные законом Мура.

Источники

• Pfann, W. G. (1952). Principles of Zone Melting. Journal of Metals, 4(7), 747–753.
• Pfann, W. G. (1966). Zone Melting (2nd ed.). John Wiley & Sons.
• Патент США № 2,739,088 «Zone Melting», выдан 20 марта 1956 года.
• Национальная инженерная академия США. (2006). Memorial Tributes: William G. Pfann. National Academies Press.
• Biographical Memoirs of the National Academy of Sciences (2006). William G. Pfann.