半导体材料相图

第2章 区熔提纯
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区熔技术的提出
区熔-区域熔炼（zone melting）
加热环移动方向 再凝固 熔化区 固体
加热环 区域熔炼(示意图)
•半导体工业对原料纯度的要求达到 8 个 “9” (99.999999)以上
一般化学提纯方法无法满足此要求。 •区熔提纯-1952年蒲凡(W.G.Pfann)提出的一种物理提纯方法
•是制备极高纯度物质的重要方法，可以制备8个“9”以上的半
导体材料（如硅和锗）。
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区熔技术的提出
区熔提纯（zone refining）
(1917-1982)
Zone refining was developed by William Gardner Pfann in Bell Labs as a method to prepare high purity materials for manufacturing transistors.
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区熔技术的提出
1957 年，中科院物理所半导体 室 ( 现中科院半导体所 ) 获得了纯 度为7个“9”的高纯锗。采用金属 锗铸锭进行区域熔炼提纯工艺制 得。 1957 年下半年，中科院物理所 半导体室在林兰英的指导下，以 区熔提纯制备高纯锗为原料研制 出籽晶，拉制出完整的锗单晶。
中国半导体 材料之母— 林兰英
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第2章 区熔提纯
2-1 分凝现象与分凝系数 2-2 区熔原理 2-3 锗的区熔提纯
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分凝现象：将含有杂质的晶态物质熔化后再结晶 时，杂质在结晶的固体和未结晶的液体中 浓度是 浓度 不同的，这种现象称分凝现象或偏析现象。 区熔提纯：就是利用分凝现象将物料局部熔化形 局部熔化 成狭窄的熔区，并令其沿锭长从一端缓慢地移动 到另一端，重复多次使杂质尽量集中在尾部或头 部，进而达到使中部材料提纯的技术。
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2-1-1 平衡分凝系数
定义：在某一温度下，平衡状态时，杂质在固 液两相中浓度的比值： 平衡分凝系数 = K0=CS/CL 平衡分凝系数描述了固液平衡体系中杂质的分配关系
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杂质在固相中的浓度 CS 杂质在液相中的浓度 CL

二元相图靠近纯组分A一端的部分，液相线和固 相线近似看成直线。
Tm TL TS
液相线 固相线 CS CL C'
A-B二元相图
靠近纯组分A的二元相图
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Tm TL TS
Cs
C' 液相线 固相线 CS CL C'
CL
加入杂质后，纯组分A的可能： 熔点降低（a） 熔点升高（b） 熔点不变（c） CL 液相线 固相线 Cs=K0CL T
TL (a)溶质浓度(K0<1) TS Tm
CL CS (b)溶质浓度(K0>1) 固液相线位置与平衡分凝系数的关系
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(c)溶质浓度(K0=1)

Tm TL TS
Cs
C' 固相线 液相线 Cs CL C'
CL
•TL：体系平衡熔点 •Tm：纯组分A熔点 材料熔点下降 K0 = CS / CL<1 杂质向尾部集中
锭条 C0 锭条 C0 初始浓度C0
(a)溶质浓度(K0<1) TL CL 熔区 CS 熔区
Cs吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料

TL TS Tm
CL 液相线 固相线 Cs=K0CL
•TL：体系平衡熔点 •TM：纯组分A熔点 材料熔点上升 K0 = CS / CL>1
CL Cs (b)溶质浓度(K0>1) TL CL 熔区 CS 熔区
杂质向头集中
锭条 C0 锭条 C0 初始浓度C0
Cs>C0
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2-1-2 有效分凝系数
结晶以一定速度进行时的界面分析
熔区CL 已区熔部分CS K0<1 未区熔部分C0 杂质富集层 （CInterface) 熔区CL 未区熔部分C0 CS对于K0<1的杂质, CS杂质在界面附近的熔体薄层中堆积起来， 形成浓度梯度加快杂质向熔体内部的扩散, 达到动态平衡时，形成稳定的界面薄层，称杂质富集层 （或扩散层）。
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2-1-2 有效分凝系数
结晶以一定速度进行时的界面分析
熔区CL CL 未区熔部分C0 C0
贫乏层 （CInterface) K0>1 CS S CL C0 Cinterface对于K0>1的杂质，CS>CL
结晶时固相界面会多吸收界面附近熔体中的杂质， 界面附近的熔体薄层中杂质呈缺少状态， 形成浓度梯度加快杂质从熔体内部向界面的扩散， 达到动态平衡时，形成稳定的界面薄层，称杂质贫乏层
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2-1-2 有效分凝系数
CL(0) K0<1 K0>1 CS CL0 CL(0) x=δ x=0
CL0 CS x=0
杂 质 富 集 层
杂 质 贫 乏 层
x=δ
固液界面 界面附近K0<1的杂质分布
固液界面 界面附近K0>1的杂质分布
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