区熔法
区熔法的应用
区熔理论在材料提纯中的应用和实现摘要：区熔法是一种利用局部区域熔化后，通过熔区的运动进行提纯的方法。
他是一种制备高纯单晶的方法，广泛应用于硅锗等单晶的制备。
区熔法主要可分为水平区熔法和悬浮区熔法两种，两种方法生产工艺不同，适用范围也不同物质的固相和液相在密度差的驱动下，均会发生运动，因而可通过区域熔炼控制或者重新分配存在于原料纸的可溶性杂质。
同时区熔法可有效消除分凝效应，也可将所期望的杂质均匀掺入晶体中，并在一定程度上控制盒消除位错、包裹体等结构缺陷。
区熔法是利用热能在半导体棒料的一端产生一熔区，再熔接单晶耔晶。
调节温度使熔区缓慢地向棒的另一端移动，通过棒料整根棒料，生长成一根单晶，晶向与耔晶晶向相同。
区熔法适宜生长那些在熔点温度时具有非常强的溶解能力的材料，可生长熔点极高或活性较强的材料，如MgO单晶，碳化物单晶和难熔金属单晶。
按其适用范围的不同，区熔法主要分为两种，即水平区熔法和悬浮区熔法。
前者主要用于锗、GaAs等材料的提纯和单晶生长。
后者主要用于制备单晶硅，这是由于硅熔体的温度高，化学性能活泼，容易受到异物的拈污，难以找到适合的舟皿。
水平区熔提纯是只把材料锭的一小部分熔化形成熔区，并使熔区从锭条的一端移到另一端。
因为每次熔化的仅是锭条的一小部分，例如，对K<1的杂质，当熔区第二次在锭首时，由于杂质浓度较高的尾部没被熔化，所以小熔区中的杂质浓度一定比原来锭的杂质浓度要小，熔区移动后，新凝固的固相杂质浓度要比第一次小。
这样当熔区一次次通过锭条时，材料就能逐渐被提纯。
当某些半导体器件或某些特殊器件对材料的纯度要求很高时，则应进行多次区熔提纯，使中间部分纯度达到要求的程度。
区熔提纯受到熔区长度、熔区移动速度、区熔次数以及质量运输等诸多因素影响。
其中，在一次区熔时，熔区长度越长，区熔效果越好，多次区熔时则刚好相反。
熔区移动速度越慢，区熔时间越久，区熔效果越好，但生产率不高，因而必须选取一个合适的熔区移动速度。
区熔法制备单晶硅
集成电路制造工艺------区熔法制备单晶硅班级：电艺3091学号：38#姓名：赵剑指导老师：张喜凤日期：2010.04.25区熔法制备单晶硅作者：赵剑（陕西国防工业职业技术学院电艺309138 西安户县 710300）【摘要】区熔法晶体生长是在本文中介绍的技术历史上早期发展起来的几种工艺之一，仍然在特殊需要中使用。
直拉法的一个缺点是坩埚中的氧进入到晶体中，对于有些器件，高水平的氧是不能接受的。
对于这些特殊情况，晶体必须用区熔法技术来生长以获得低氧含量晶体。
【关键词】区熔法、直拉法、单晶硅1引言集成电路通常用硅制造，硅是一种非常普遍且分布广泛的元素。
石英矿就是一整块二氧化硅。
尽管硅化物储量丰富，但硅本身不会自然生长，一般用大量存在的二氧化硅作原料，经过一系列的工艺步骤就可以得到多晶硅，多晶硅经过提纯就变成了高纯度的可以制作集成电路的单晶硅。
目前制备单晶硅的常用方法有直拉法和区熔法。
本文主要介绍区熔法制备单晶硅。
2单晶硅的制备区熔法又分为两种：水平区熔法和立式悬浮区熔法。
前者主要用于锗、GaAs 等材料的提纯和单晶生长。
后者主676要用于硅，这是由于硅熔体的温度高，化学性能活泼，容易受到异物的玷污，难以找到适合的舟皿，不能采用水平区熔法。
然而硅又具有两个比锗、GaAs优越的特性：即密度低(2.33g／cm3和表面张力大(0.0072N／cm)，所以，能用无坩埚悬浮区熔法。
该法是在气氛或真空的炉室中，利用高频线圈在单晶籽晶和其上方悬挂的多晶硅棒的接触处产生熔区，然后使熔区向上移动进行单晶生长。
由于硅熔体完全依靠其表面张力和高频电磁力的支托，悬浮于多晶棒与单晶之间，故称为悬浮区熔法。
2.1区熔法制备单晶硅利用多晶锭分区熔化和结晶半导体晶体生长的一种方法。
区熔法是利用热能在半导体棒料的一端产生一熔区，再熔接单晶籽晶。
调节温度使熔区缓慢地向棒的另一端移动，通过整根棒料，生长成一根单晶，晶向与籽晶的相同。
区熔法又分为两种：水平区熔法和立式悬浮区熔法。
02章_区熔提纯解析
变化的大小与符号。
熔化时体积缩小，输运的方向与区熔的方向一致，例如 锗、硅；
熔化时体积增大，输运的方向与区熔的方向相反。
质量输运的结果，会使水平区熔的材料锭纵向截面变成
锥形，甚至引起材料外溢，造成浪费。
质量迁移
1、熔化时体积缩小，输运的方向与区熔的方向一致
A
x
第一段，刚开始区熔，熔化时 A熔区体积缩小,设锭材高为1 ，熔化时体积缩小后高为x 第二段，熔化时第二个熔区B 体积缩小,第一个熔区冷凝， 由于A是从左到右局部冷凝， 而且B熔区也开始熔化，所以 A冷凝后的高度略增加，而且 从左到右缓慢上升
影响区熔提纯的主要因素
1、熔区长度
一次区熔时，由 CS=C0[1-(1-K)e-kx/L] （2-24） L→大，CS →小，提纯的效果越好，由此考虑，熔 区长度L越大越好。
极限分布的时,熔区长度越大，CS越大，提纯的效果 越差，所以从极限分布的角度来看，L →小 较好。 实际区熔时，应取最初几次用大熔区，后几次则用 小熔区的工艺条件。
区熔原理
正常凝固 将一锭条全部熔化后，使其从一端向另一端逐渐凝 固的方式称正常凝固。 由于存在分凝现象，正常凝固后锭条中的杂质分布不再均匀， 会出现三种情况： K<1的杂质，越接近尾部浓度越大，杂质向尾部集中 K>1的杂质，越接近头部浓度越大，杂质向头部集中 K≈1的杂质，基本保持原有的均匀分布的方式。
可使用一个半经验公式,计算n值 n=(1～1.5)L/l 通常取L/l=10，计算出n最大为15，通常区熔次数取 20左右。
4. 质量输运
质量输运或质量迁移：区熔时，物质会从一端缓慢地移 向另一端的现象。 产生的原因：物质熔化前后材料密度变化，对某一物质， 区熔时其质量输运的多少和输运的方向取决于熔化密度
区域熔化法的原理和方法
区域熔化法的原理和方法
区域熔化法（Zone Melting）是一种用于纯化材料的方法，其原理是利用材料在固相和液相之间的分配系数差异，通过反复熔化和凝固来逐渐纯化材料。
区域熔化法的方法包括以下几个步骤：
1. 准备材料：将待纯化的材料制备成长条状或圆柱状，并确定其初始纯度和杂质分布情况。
2. 建立电炉：根据材料的熔点和熔化温度范围，搭建一个恒温电炉，保证材料能够在适当的温度下熔化。
3. 设定熔化-凝固区域：在材料的一个区域内，升高温度使其熔化，然后控制温度降低使其凝固。
这个区域被称为“熔化-凝固区域”。
4. 移动熔化-凝固界面：通过调整电炉温度梯度，使熔化-凝固界面在材料中移动。
杂质通常会集中在此界面，当界面移动时，杂质被排除在新凝固的晶体中。
5. 反复重复：重复第3步和第4步，逐渐将杂质排除到材料的一侧，从而将材料分离成纯净的部分和富含杂质的部分。
区域熔化法的关键原理是材料的分配系数，即材料在固相和液相之间的分配情况。
通常情况下，杂质在液相中的溶解度较高，而在固相中的溶解度较低。
因此，当材料从液相凝固时，杂质会被排除到凝固的固相中，从而实现纯化的目的。
区域熔化法被广泛应用于半导体材料、金属合金和无机化合物等领域，可用于提高材料纯度、改善材料的结晶质量和控制杂质分布。
第四章 熔体中的晶体生长技术-区熔法.
4焰熔法生长宝石晶体优点缺点 焰熔法生长宝石晶体优点缺点
优点： 优点： 1不必使用高熔点的坩埚； 不必使用高熔点的坩埚； 不必使用高熔点的坩埚 2氢氧焰温度高达 氢氧焰温度高达2900摄氏度，能生长 摄氏度， 氢氧焰温度高达 摄氏度 高熔点的宝石； 高熔点的宝石； 3生长速率快，例如每小时可生长约 生长速率快， 生长速率快 10g的宝石，直径可达 ～20mm； 的宝石， 的宝石 直径可达15～ ； 4生长设备简单，适用于工业化生产 生长设备简单， 生长设备简单 适用于工业化生产。
45焰熔法生长宝石晶体工艺主要内容1焰熔生长原理与设备2焰熔法生长宝石晶体工艺过程1原料的提纯2粉料的制备2粉料的制备3晶体生长4退火处理3焰熔法生长优质宝石晶体的关键因素4焰熔法生长宝石晶体优点缺点5实例分析焰熔法生长刚玉类宝石1焰熔生长原理与设备此方法概略地说是利用氢及氧气在燃烧过程中产生高温使一种疏松的原料粉末通过氢氧焰撒下熔融并落在一个冷却的结晶杆上结成单晶体的过程
Synthesis YAG by local melted (Opaque)
Synthesis YAG by CZ melted (transparent)
五 区熔法合成宝石的鉴别
1由于没有使用坩埚，所以不存在坩 埚的杂质的污染；另外该技术能提纯晶 体，晶体中很少出现包裹体和生长纹。 2对于高质量的合成刚玉类宝石，纯 度高，内部非常洁净；荧光强于天然宝 石的荧光；分光镜下吸收光谱少于天然 宝石的谱线。
schematic graph for local melted
激光加热基座法是 该方法的一个非常 常见的实际应用。
单晶纤维的制备
三 对熔区的要求
a 熔区的长度恒定 b 固液界面稳定 c 熔化体积小； d 热梯度界限分明 因此，熔区内的温度应大于原料熔化温度。 温度的实际分布取决于：功率和热源性质、散热 装置、烧结棒的热导率、液相中溶质的含量
区域熔炼技术
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a
区域熔炼的影响因素
可见，熔区的长度要综合考虑来决定。在实际的区 熔中，最初可用大熔区，后几次用小熔区，这样的 提纯效果比用熔区不变的更好些。此外具有高熔点 和导热不良的材料，较之熔点接近室温而热导率良 好的材料，更易产生狭熔区。Chii-Hong Ho等得出 最优的熔区长度随分配系数的增加而增加，随区熔 次数的增加而减小。
20
a
区域熔炼的影响因素
熔区长度z对区域熔炼效果的影响也很显著。这从 两方面看，由一次通过的区熔提纯公式可以看出： 当K为恒定时，随着熔区长度l的增大，C的值将减 小，即提纯效果好。
在多次通过熔区时。由极限分布方程看出：K一定 时，l值增加一B值减小一A值增加一C(x)增加，因此， 熔区长度l值增加，杂质浓度C(x)也增加，此时的提 纯效果较差。
26
a
区域熔炼的设备
坩埚和容器材料的选择，在很大程度上由纯化材料 的熔点来决定，但是必须把热导率、多孔性和热膨 胀等性质考虑在内。如果在有关温度，纯化材料对 所有已知的坩埚和容器材料完全不相容，则可以考 虑使用悬浮区域技术。
垂直法进行的悬浮区域技术，是在无坩埚的情况下， 移动的熔区由表面张力、薄氧化层或电磁场的浮生 效应等因素所支持的一种方法。该方法最大的优点 就是避免了容器对材料的污染，而且有可能利用浮 力或重力除去不溶物。
28
a
区域熔炼技术的应用
就锌而言，目前7N锌主要是应用于制备HgCdTe红 外焦平面陈列的CdZnTe(CZT)衬底材料，CdZnTe作为 室温核辐射探测器的最适宜材料，近年来愈发受到 广泛关注，Cd ZnxTe单晶是红外光敏半导体材料， 可以制作核辐射探测仪、红外仪器、热成像仪，而 7N锌的制备只能通过区域熔炼来实现。 W．P．Allred等通过区熔和拉晶过程制备了AlSb化 合物。可见，区熔提纯在金属以及化合物方面应用 也很广泛。
FZ法
1.区熔法（FZ）法
区域熔化是对锭条的一部份进行熔化，熔化的部分称为熔区，当熔区从头到尾移动一次后，杂质随熔区移到尾部。
利用这种方法可以进行多次提纯，一次一次移动熔区以达到最好的提纯效果，但由于液固相转变温度高，能耗大，多次区熔提纯成本高。
区熔法有水平区熔和悬浮区熔，前者主要用于锗提纯及生长锗单晶，硅单晶的生长则主要采用悬浮区熔法，生长过程中不使用坩埚，熔区悬浮于多晶硅棒和下方生长出的单晶之间。
由于悬浮区熔时，熔区呈悬浮状态，不与任何物质接触，因而不会被沾污。
此外，由于硅中杂质的分凝效应和蒸发效应，可获得高纯单晶硅。
目前航天领域用的太阳电池所用硅片主要用这种方式生长。
2.区熔法生产单晶示意图。
区融法和直拉法
区融法和直拉法一、区融法的概念和原理1.1 什么是区融法区融法（Zone Melting）是一种用于纯化材料的方法，也被称为悬移晶体生长法。
它通过在材料中形成可移动的熔区，将杂质分离出去，从而提高材料的纯度和晶体质量。
1.2 区融法的原理区融法的原理基于材料的熔点和溶解度的差异。
通过加热材料，使其部分熔化形成熔区，然后将熔区移动，从而将杂质分离出去。
在熔区移动的过程中，杂质会被推向熔区的边缘，从而提高了材料的纯度。
二、区融法的应用2.1 区融法在半导体制备中的应用区融法在半导体制备中起着重要作用。
通过区融法可以提高半导体材料的纯度，减少杂质的含量，从而提高半导体器件的性能。
例如，区融法可以用于制备高纯度的硅材料，用于制造高性能的集成电路。
2.2 区融法在金属制备中的应用区融法也可以用于金属的制备。
通过区融法可以提高金属的纯度，并且可以控制金属的组分分布。
例如，区融法可以用于制备高纯度的铜材料，用于制造高性能的导线。
三、直拉法的概念和原理3.1 什么是直拉法直拉法（Czochralski method）是一种用于生长单晶的方法。
它通过在熔融的材料中插入晶体种子，然后缓慢提拉晶体种子，使材料凝固形成单晶。
直拉法是一种常用的单晶生长方法，广泛应用于半导体和光电子领域。
3.2 直拉法的原理直拉法的原理基于材料的熔点和晶体的生长方向。
通过在熔融材料中引入晶体种子，然后缓慢提拉晶体种子，使材料凝固形成单晶。
在提拉的过程中，晶体的生长方向会沿着提拉的方向延伸，从而形成单晶。
四、直拉法的应用4.1 直拉法在半导体制备中的应用直拉法在半导体制备中起着重要作用。
通过直拉法可以制备高质量的半导体单晶材料，用于制造高性能的半导体器件。
例如，直拉法可以用于生长硅单晶，用于制造晶体管、太阳能电池等。
4.2 直拉法在光电子制备中的应用直拉法也可以用于光电子材料的制备。
通过直拉法可以制备高质量的光电子单晶材料，用于制造高性能的光电子器件。
区域熔融
部分单质的区熔方法
单质
Ag, Cu
Au Sn Te Ti, V, Zr Pd, Be, B Mo, Nb, Ni, Pt族， Re, Ta, U, W, Si， Co
盛料器或方法 石墨舟或坩埚
氮化硼坩埚 石英舟 水平舟 漂浮区熔 漂浮区熔 漂浮区熔
加热方式 气氛
感应 感应
氩气/氮 气
干燥氧气
电子束
区域熔融 1-固体 2-加热器 3-熔区 4-未熔固体
易溶于液相难溶于固相的杂质跟随熔融区前进， 难溶于液相的留在后面。
如杂质存在降低主材料的熔点，则熔融区前移 时更多的杂质浓集在熔融区。
环操作可以循环，或采用多个环，称区域精制 熔融区沿杆前后移动，可使杂质均匀分布于材
料中，称为区域调平。
区域提纯技术方法
a. 有盛料器：
盛料器：不污染熔体，塑料，金属、石英、难熔氧 化物（氧化铝、氧化锆等），使用温度范围不同
加热方式：电阻加热（小于500℃）；电导加热和 冷却（ -20-80 ℃）；金属和半导体材料感应加热， 可起搅拌作用；放电，难熔化金属及合金和非导体， W, Mo, Re, Ta, Nb, U, Th, Zr等的精制；辐射加热， 适合于低熔点有机物等材料；流体加热
磁悬浮区熔法：法拉第原理，通直流电的杆状材料 （导体）与正交的磁场之间产生上升力
液体支承区熔法：液体支承熔区，避免固体盛料区的 污染，支承液体与熔化固体之间不会混合，密度比熔 化物大，如在一个高熔点的熔盐（CaF2）表面支持一 个小的硅球
水平区熔提纯
区熔法(zone melting method)，是控制温度梯度使狭窄的熔区移过材料而生长出单晶的方法。
分为水平区熔法和悬浮区熔法。
制备过程为将杆晶放在料舟的一端，开始先使籽晶微熔，保持表面清洁，随着加热器向另一端移动，熔区即随之移动，移开的一端温度降低而沿籽晶取向析出晶体，随着移动而顺序使晶体生长。
晶体质量和性能取决于区熔温度、移动速率、冷却温度梯度。
悬浮区熔法不使用坩埚，其加热温度不受坩埚限制，可生长高熔点晶体。
在水平区熔法中，样品通常被制成薄杆状，长度在0.6到3米之间或更长。
样品被封闭在管内，并由一个可加热的窄环套在其周围。
加热环以极慢的速率（1～3 m/h）沿着样品移动，在样品中形成一个窄的熔融区。
随着熔融区的移动，前方的液体会形成，而固体则在后方凝固。
这种方法可以有效地分离易熔于液相而难熔于固相的杂质，从而保证晶体的成分纯净，无气、固包裹体，结构完美无缺陷。
单晶硅的制备
把高纯度晶硅原料放入高纯石英坩埚中，然后把硅料熔 化为液体硅，然后人为地用一根籽晶（单晶）进行引晶， 并通过控制温度和生长速度的方法人为的控制单晶棒直
径，来达到我们所需要的单晶棒。
生长单晶的条件比较严格，要在保护气体（一般是氩气） 下进行，对真空度有严格要求，单晶炉如果漏水或漏气 也会对拉晶造成非常严重的影响，另外拉单晶这对单晶 炉的机械性能及操作人员的技术能力有很高的要求。
引晶：引晶是整个拉晶的基础，能不能引出高质量 的单晶是能不能拉出高质量单晶的关键。引晶最关 键的是要如何找出引晶的温度并预判温度的大致变 化，学会根据引晶情况来调节温度对单晶生产来说 是至关重要的。 放肩：放肩是引晶和等径之间的一个步骤，其目的 是为了使晶体在直径上最大，达到我们的要求直径， 生产出合格的晶体。放肩通常是通过降低熔硅温度 和降低生长速度来实现的。在放肩过程中，切记不 要频繁地调节温度，以免造成液面温度的剧烈变化 而坏苞，最好在引晶过程完成后根据炉内的温度情 况一次性降温。
转肩：转肩的过程与放肩的过程有点相反，它是晶体直 径达到一定要求后，通过人为地提升拉速和升温来限制 晶体直径的继续长大，达到我们所要求的直径。转肩的 关键是转肩技术提升多少速度？升多少温度？直径如何 恰到好处？都是比较关键的技术。 等径：等径是拉晶的一部分，我们是拉晶的主体，我们 所做的一切工作都是为了拉出符合直径要求的晶棒，也 就是等径部分才是我们的主要产品。在等径过程中，要 时刻观察炉内直径的变化情况和晶体的生长情况，以免 意外发生。在等径过程中，最常发生的事故是直径失控 和温度突变，最常见的是掉苞。如果发生掉苞，要根据 实际情况处理。如果已拉出的晶棒已经很长，可以有一 定的产量产出，就要视情况把晶棒取出，余料再拉一根 单晶。如果坏苞时已拉出的晶体很小或根本不能出产量， 就回熔。总之掉苞的情况各种各样、问题不一，处理办 法也不是千篇一律。
熔体生长法-布里奇曼法和区熔法
铱 磨沙的二氧化硅 石墨粉 涂的碳或石墨的二氧化硅 厚壁二氧化硅 耐热玻璃 聚四氟乙烯 涂石蜡的不锈刚 聚脂薄膜
以碲锌镉为例介绍垂直布里奇曼法 垂直布里奇曼法
优点：
• 获得化学计量比控制的单晶，成分易控制 • 晶体外形尺寸可控 • 减少污染
缺点：
• 不能生长体积变大的材料 • 晶体和坩锅接触易产生应力和多晶核生长 • 坩锅对材料沾污 • 生长速度慢，周期长 (一个月左右) • 生长过程不能直接观察，晶体缺陷难控制
• 原因：
➢ 在高温下，石英管中的杂质容易扩散到晶体中 ➢ CZT中的Cd在高温下会与石英发生反应，生成硅酸镉
（Cd2SiO4），导致晶体与石英管的粘连，不利于从坩埚中取出
晶体；当晶体的收缩比坩埚大时，二者之间的连接就产生大的应 力，导致位错的增加 ➢ 在晶体生长时引入形核中心，造成径向的形核与生长，严重影响 晶体生长的质量，还可能会引起石英管的开裂
✓凸界面：有利于晶粒的淘汰,使杂质与缺陷向晶体壁 面扩散和延伸
✓凹界面：边缘部分先生长，易形成多晶，杂质易聚集 在晶体内部，对晶体的均匀性和完整性不利，也易产 生内应力
影响固液界面形状的因素
•材料的热导率和结晶潜热是两个主要内因
•坩锅下降速度和温度梯度是两个外因 ；下降速度越 大，固液界面越凸向固体；温度梯度越大，固液界面
开始高，低温炉同时升至615℃；然后将低温炉温炉恒 温于615℃，高温端升至1250 ℃恒温；
• 稼的熔点为29.8 ℃，它在砷化稼熔点的高温区，呈液 态，与低温区提供的砷蒸汽发生发应
• 将砷端的温度控制在使系统中的砷压达到离解压
（0.936个大气压，非常重要），使砷原子溶入液相砷
化稼中，使液相砷化稼，含砷的百分比增加到50％
水平区熔法
水平区熔法水平区熔法是一种常用于炼钢过程中的冶炼技术，它通过在特定的水平区域内对炼钢炉炉料进行加热和熔化，以实现钢铁的制造。
本文将介绍水平区熔法的工作原理、优势和应用领域。
一、水平区熔法的工作原理水平区熔法是通过将炉料在水平的炉膛内进行加热和熔化，使其逐渐转化为熔融状态的钢水。
该技术的核心是利用高温燃烧的火焰对炉料进行加热，使其达到熔点并熔化。
在水平区熔法中，火焰和炉料之间通过喷嘴进行接触，火焰的高温能量被传递到炉料中，使其逐渐升温、熔化。
1. 温度控制精确：水平区熔法采用喷嘴对火焰和炉料进行接触，可以实现对炉料的精确加热。
通过调节火焰的温度和喷嘴的位置，可以精确控制炉料的温度，以达到最佳的熔化效果。
2. 熔化效率高：由于水平区熔法可以对炉料进行精确加热，使其逐渐熔化，因此可以提高炉料的熔化效率。
相比传统的炉料加热方式，水平区熔法可以更快速地将炉料熔化，节省时间和能源。
3. 操作简便：水平区熔法的操作相对简便，只需要控制火焰的温度和喷嘴的位置即可。
操作人员可以根据实际需求进行调整，以实现最佳的加热效果。
4. 适用范围广：水平区熔法适用于各种不同类型的炼钢炉，可以处理各种不同种类的炉料。
无论是废钢、废铁还是生铁等，都可以通过水平区熔法进行加热和熔化。
三、水平区熔法的应用领域1. 钢铁制造：水平区熔法是炼钢过程中常用的一种冶炼技术，广泛应用于钢铁制造行业。
通过水平区熔法，可以将各种不同种类的炉料进行加热和熔化，制造出高质量的钢铁产品。
2. 废品回收：水平区熔法也可以用于废品回收领域。
通过将废旧金属等废品进行加热和熔化，可以将其中有用的金属成分提取出来，实现废品的再利用。
3. 冶金研究：水平区熔法在冶金研究领域也有广泛的应用。
研究人员可以利用水平区熔法对不同的炉料进行加热和熔化，以研究其中的物理和化学性质，为冶金工艺的改进和创新提供依据。
水平区熔法是一种高效、精确的冶炼技术，具有温度控制精确、熔化效率高、操作简便和适用范围广的优势。
区域熔炼技术
区域熔炼技术原理
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区域熔炼技术原理
对于k＞1的情况，杂志由固相向液相迁移。在熔 区向右移动过程中，熔区左侧金属凝固，熔区内 的杂质在固相中富集，由于杂质在固相内不能随 熔区右移，也不能向次左侧凝固区迁移，因此熔 区通过棒锭一次后，相当于把棒锭最右侧L（熔区 宽）长度内杂质均匀分布在左侧x-L长度内范围内。 进行一次提纯后，提纯区域为最右侧L长度范围， 进行两次提纯后，提纯区域为最右侧L+θ（θ＜L） 长度范围，进行三次提纯后，提纯区域为最右侧 2L+θ’ (θ’＜L)长度范围，依次类推，因此至少被提 纯S/L次才能将杂质富集于最左端。
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区域熔炼的影响因素
熔区长度z对区域熔炼效果的影响也很显著。这从 两方面看，由一次通过的区熔提纯公式可以看出： 当K为恒定时，随着熔区长度l的增大，C的值将减 小，即提纯效果好。 在多次通过熔区时。由极限分布方程看出：K一定 时，l值增加一B值减小一A值增加一C(x)增加，因此， 熔区长度l值增加，杂质浓度C(x)也增加，此时的提 纯效果较差。
4
简介
此法可制取纯度达99.999%的材料，一次 区域熔炼往往不能满足所要求的纯度，通常 须经多次重复操作，或在一次操作中沿细棒 的长度依次形成几个熔融区。此法设备与操 作简单，且可自动化，但生产效率低。 经过50多年的发展，区域熔炼已经发展成 为制备高纯材料的重要方法。目前1／3的元 素和数百种无机、有机化合物都能通过区域 熔炼提纯到很高的纯度。
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区域熔炼方法及设备
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区域熔炼方法及设备
制造硅单晶垂直悬 浮区熔法(简称FZ法) 先从上、下两轴用夹 具精确地垂直固定棒 状多晶锭。用电子轰 击、高频感应或光学 聚焦法将一段区域溶 化。移动样品或加热 器使熔区移动。
区域熔融法净化磷酸的初步研究
第４ ２卷 第 ７期
２１ ０ ０年 ７月
无 机 盐 工 业
Ｉ Ｎ０ＲＧＡＮＩ Ｃ ＣＨＥＭＩ ＣＡＬＳ Ｉ ＮＤＵＳ ＴＲＹ ２ ３
区域 熔 融法 净 化 磷 酸 的初 步 研 究
周 骏宏 李 ， 军 任 永胜 ，
（ ． 南 民族 师 范 学 院化 学 系 ， 州 都 匀 ５ ８０ ； ． １黔 贵 ５０ ０ ２ 四川 大学 化工 学 院 ）
ａ ｄ ｍｏ ｎ ｐ ｅ ｆｍｅ ｔｎ ｏ ｎ ｐｕ ｆｃ ｔｏ ｆｉｉｎｃ ｒ ｒ ｌｍ ｉａ ｌ ｔ ｄｉｄ． ｐ ｒｍｅ ｔｌｒ ｓ ｌｓｉ ｄ ｃ ｔ ｄ ａ ｅ ｎ ｖｉｇ ｓ ｅ ｄ ｏ ｌｉ ｇ ｚ ｎｅ ｏ ｒｉ ａｉ ｎ ｅｆｃ ｅ ｙ ｗｅ ｅ ｐ ｅ ｉ ｎ ｒ ｙ ｓｕ ｅ Ｅｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｅ ｕｔ ｎ ｉ ａｅ ｒ — ｉ ｉ ｓ
摘
要： 尝试采用区域熔融 的方法进行磷酸 的提纯 ， 研究砷 、 、 、 铁 钙 镁等 杂质的分离 效果 ， 重点研究砷 的分离 。
初步研究 了区熔次数 、 区移动速度等操作条件对提纯效果 的影 响。实验结 果表 明 ， 熔 磷酸 中砷 、 、 、 铁 钙 镁杂质随着 熔 区移动 的方 向往末端积 累 ， 过一 次 区熔 操 作后磷 酸 杂质 砷就 发生 明显 的分 离 ， 经 末端 与始 端砷 含量 之 比达 到 １５ ， ．２ 随着 区熔次数增加该 比值 升高 ， 当累积 ５次 区熔后末端与始端砷含量之 比达 到最 大值 ３ ３ ； ． ３ 降低熔 区移动速
区域熔融法
区域熔融法，又被称为“区域熔炼”或“浮区法”，是一种常用于制备高纯金属、半导体单晶（如硅和锗）、无机晶体、感光药品（如卤化银）和有机试剂的方法。
其工作原理是在惰性气氛下，使狭窄的熔区沿着试样连续移动，利用杂质在固体物质（未熔部分）和熔融物质中溶解度的差异将杂质分离，从而达到提纯物质的目的。
这种方法的特点是在任何时刻，原料只有一部分或者一端处于熔融状态。
通过移动加热线圈或移动原料棒使熔融区向另一部分或另一端推进，完成单晶生长。
此外，重熔再结晶的反复操作可以确保晶体的成分纯净，不含气、固包裹体，结构完美无缺陷。
值得注意的是，区熔法有两种主要形式：水平区熔法和立式悬浮区熔法。
前者主要用于锗、GaAs等材料的提纯和单晶生长，而后者则主要用于硅的提纯和单晶生长，这主要是因为硅的熔点高，化学性能活泼，容易受到异物的玷污，难以找到适合的舟皿。
硅提纯的区熔法的原理
硅提纯的区熔法的原理硅的提纯是指将原料中杂质含量降低到非常低的水平，从而得到高纯度的硅材料。
区熔法是硅的一种常用提纯方法，也是一种重要的半导体材料生产技术。
以下是关于区熔法原理的详细解释。
区熔法的原理基于硅在高温环境下的材料迁移性，即硅在高温时可以在晶体内发生扩散。
区熔法将硅材料置于一个特定温度梯度之间，使其局部区域达到熔点，从而产生一个熔化区。
该熔化区会沿着硅材料的长度方向移动，并且带走杂质，以实现硅的提纯。
在区熔法中，通常采用的硅材料是多晶硅棒或硅坯。
这样的硅材料中含有大量的杂质原子，如磷、硼、铝等，这些杂质会影响硅的电学性能和晶体的纯化。
区熔法的过程可以分为三个主要步骤：预熔、区熔和凝固。
首先，需要进行预熔。
多晶硅棒或硅坯在高温炉中加热，使硅材料部分熔化形成液相区域。
在预熔阶段，杂质原子会溶解到液相区域中。
此时，硅材料表面会出现一个液滴，这是硅材料预熔的标志。
接下来是区熔阶段。
硅材料在预熔后继续加热，使液滴在硅材料中沿着长度方向移动。
液滴的移动速度通常控制在几毫米到几十毫米每小时之间。
在液滴移动的过程中，杂质原子会从晶体中向液滴迁移，并逐渐净化硅材料。
这是因为液相区域的组成是由原始硅材料中杂质向液相区域的溶解和偏聚作用导致的。
最后是凝固阶段。
通过继续加热硅材料，液滴会沿着硅材料继续移动，直到达到材料的末端。
在冷却过程中，硅材料逐渐凝固，形成高纯度的硅材料晶体。
此时，杂质原子会分布在硅的晶体中与晶格相结合。
区熔法的核心原理在于利用了硅在熔化和凝固过程中的物理化学特性，即液相区域的移动和液滴的迁移性。
通过调控熔化区域的温度梯度和控制液滴移动速度，可以实现硅材料中杂质的净化和提纯。
需要注意的是，区熔法虽然可以使硅材料得到高纯度，但不是完全去除所有杂质的方法。
最终的纯度取决于原始硅材料的质量以及区熔过程中的处理参数。
为了进一步提高硅材料的纯度，还需要采用其他纯化方法，如气相外延、溅射和离子注入等。
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区熔法制备单晶硅
摘要：利用区熔法制备单晶硅。
区熔法是利用热能在半导体棒料的一端产生一熔区，再熔接单
晶籽晶。
调节温度使熔区缓慢地向棒的另一端移动，通过整根棒料，生长成一根单晶，晶向与籽晶的相同。
区熔法又分为两种：水平区熔法和立式悬浮区熔法。
关键词：区熔法单晶硅
1引言
区熔法又分为两种：水平区熔法和立式悬浮区熔法。
前者主要用于锗、GaAs等材料的提纯和单晶生长。
后者主676要用于硅，这是由于硅熔体的温度高，化学性能活泼，容易受到异物的玷污，难以找到适合的舟皿，不能采用水平区熔法。
然而硅又具有两个比锗、GaAs 优越的特性：即密度低(2.33g／cm3和表面张力大(0.0072N／cm)，所以，能用无坩埚悬浮区熔法。
该法是在气氛或真空的炉室中，利用高频线圈在单晶籽晶和其上方悬挂的多晶硅棒的接触处产生熔区，然后使熔区向上移动进行单晶生长。
由于硅熔体完全依靠其表面张力和高频电磁力的支托，悬浮于多晶棒与单晶之间，故称为悬浮区熔法。
2正文
2.1区荣法制单晶硅
如果需要生长及高纯度的硅单晶，其技术选择是悬浮区熔提炼，该项技术一般不
用于GaAs。
区熔法可以得到低至1011cm-1的载流子浓度。
区熔生长技术的基本特点是
样品的熔化部分是完全由固体部分支撑的，不需要坩埚。
柱状的高纯多晶材料固定于
卡盘，一个金属线圈沿多晶长度方向缓慢移动并通过柱状多晶，在金属线圈中通过高
功率的射频电流，射频功率技法的电磁场将在多晶柱中引起涡流，产生焦耳热，通过
调整线圈功率，可以使得多晶柱紧邻线圈的部分熔化，线圈移过后，熔料在结晶为为
单晶。
另一种使晶柱局部熔化的方法是使用聚焦电子束。
整个区熔生长装置可置于真
空系统中，或者有保护气氛的封闭腔室内。
2.2采用与直拉单晶类似的方法
为确保生长沿所要求的晶向进行，也需要使用籽晶，采用与直拉单晶类似的方法，将一个很细的籽晶快速插入熔融晶柱的顶部，先拉出一个直径约3mm，长约10-20mm的细颈，然后放慢拉速，降低温度放肩至较大直径。
顶部安置籽晶技术的困难在于，晶柱的熔融部分必须承受整体的重量，而直拉法则没有这个问题，因为此时晶定还没有形成。
这就使得该技术仅限于生产不超过几公斤的晶锭
用区熔法单晶生长技术制备的半导体硅材料，是重要的硅单晶产品。
由于硅熔体与坩埚容器起化学作用，而且利用硅表面张力大的特点，故采用悬浮区熔法，简称FZ法或FZ单晶。
特点和应用由于不用坩埚，避免了来自坩埚的污染，而且还可以利用悬浮区熔进行多次提纯，所以单晶的纯度高。
用于制作电力电子器件、光敏二极管、射线探测器、红外探测器等。
Fz单晶的氧含量比直拉硅单晶(见半导体硅材料)的氧含量低2～3个数量级，这一方面不会产生由氧形成的施主与沉积物，但其机械强度却不如直拉单晶硅，在器件制备过程中容易产生翘曲和缺陷。
在Fz单晶中掺入氮可提高其强度。
工艺特点大直径生长，比直拉硅单晶困难得多，要克服的主要问题是熔区的稳定性。
这可用“针眼技术”解决，在FZ法中这是一项重大成就。
另一项重大成就是中子嬗变掺杂。
它使电力电子器件得到飞跃发展。
Fz技术无法控制熔体对流和晶／熔边界层厚度，因而电阻率的波动比cZ单晶大。
高的电阻率不均匀性限制了大功率整流器和晶闸管的反向击穿电压。
利用中子嬗变掺杂可获得掺杂浓度很均匀的区熔硅(简称NTD硅)，从而促进了大功率电力电子器件的发展与应用。
区熔硅的常规掺杂方法有硅芯掺杂、表面涂敷掺杂、气相掺杂等，以气相掺杂最为常用。
晶体缺陷区熔硅中的晶体缺陷有位错和漩涡缺陷。
中子嬗变晶体还有辐照缺陷，在纯氢或氩一氢混合气氛中区熔时，常引起氢致缺陷。
其中漩涡缺陷有A、B、C 和D四种，其特性及易出现的主要条件列于表1。
漩涡缺陷有害，它使载流子寿命下降，进而导致器件特性劣化。
在器件工艺中它可转化为位错、层错及形成局部沉淀，从而造成微等离子击穿或使PN结反向电流增大。
这种缺陷不仅使高压大功率器件性能恶化，而且使CCD产生暗电流尖峰。
在单晶制备过程中减少漩涡缺陷的措施有尽量降低碳含量、提高拉晶速度等。
’ 90年代的水平90年代以来达到的是：区熔硅单晶的最大直径为150mm，并已商品化，直径200mm的产品正在试验中。
晶向一般为<111)和<100>。
(1)气相掺杂区熔硅单晶。
N型掺磷、P型掺硼。
无位错、无漩涡缺陷。
碳浓度[C。
]<2×10“at／cm3，典型的可<5×1015at／cm3。
氧浓度<1×1016at／cm3。
电阻率范围和偏差列于表2，少子寿命值列于表3。
(2)中子嬗变掺杂(NTD)硅单晶。
N型掺杂元素磷，无位错、无漩涡缺陷。
碳浓度[C。
]<2×1016at／cm3，典型的可<5×1015at／cm3，氧浓度<1×1016at／cm3，电阻率范围和偏差及少子寿命值列于表4。
展望：
单晶硅是电力工业的粮食。
基于区熔硅片的电力电子技术的飞速发展被称为“硅片引起的第二次革命”。
近年来，区熔硅单晶开始进入绿色能源领域。
国际上利用区熔单晶硅制作太阳能电池技术逐渐成熟，使用区熔硅制作太阳能电池，其光电转换效率达到20%，其综合性价比超过直拉单晶硅太阳能电池（光电转换效率为12%）和多晶硅太阳能电池（光电转换效率为10%）。
这个用途将极大地扩展区熔硅单晶的市场空间，这是区熔单晶硅最大的新兴市场。
最近，区熔硅单晶更是进入了信息、通讯领域，被用来制造射频集成电路、微波单片集成电路（MMIC）和光电探测器等高端微电子器件。
磁场直拉硅单晶（MCZ）是指利用磁场拉晶装置模仿空间微重力环境制备的单晶硅。
MCZ硅普遍用来制作集成电路和分立器件。
重要的是，MCZ硅单晶的原料可以使用区熔单晶的头尾料以及不合格单晶，这样就可以充分、有效地利用宝贵的原料资源，同时增加产值和利润。