半导体材料与工艺之单晶半导体材料制备技术方案

8.4.2 悬浮区熔生长工艺
Fz法的基本设备 Fz硅单晶，是在惰性气体保护下，用射频加热制取的，它 的基本设备由机械结构、电力供应及辅助设施构成。 机械设备包括: 晶体旋转及升降机构，高频线圈与晶棒相对移动的机构， 硅棒料的夹持机构等。 电力供应包括: 高频电源及其传送电路，各机械运行的控制电路。高频电 源的频率为2~4MHz。 辅助设施包括: 水冷系统和保护气体供应与控制系统、真空排气系统等。
区熔单晶
8.4.2 悬浮区熔生长工艺
区熔硅单晶的生长
① 原料的准备:将高质量的多晶硅棒料的表面打磨光滑， 然后将一端切磨成锥形，再将打磨好的硅料进行腐蚀 清洗，除去加工时的表面污染。
② 装炉:将腐蚀清洗后的硅棒料安装在射频线圈的上边。 将准备好的籽晶装在射频线圈的下边。
③ 关上炉门，用真空泵排除空气后，向炉内充入惰性气 体 (氮气或氢与氮的混合气等)，使炉内压力略高于大 气压力。
单晶半导体材料制备 技术
布里奇曼Bridg百度文库an法 GaAs
直拉生长Czochralski法 GaAs 单晶硅
区熔生长 单晶硅
A scientist from Kcynia Poland, Jan Czochralski, was many years ahead of his time. In 1916 he developed a method for growing single crystals, which was basically forgotten until after World War II.
What a wacky world, Bill Gates is the richest
man on earth and most people don't even
JAN CZOCHRALSKI,
know how to pronounce "Czochralski!"
BERLIN CA 1907
Czochralski apparatus (left) and Bridgman-Stockbarger furnace (right).
8.4.1 Bridgman法
水平Bridgman法（horizontal Bridgman method ）， 最早用于Ge单晶。属于正常凝固。
原料（如Ge粉）放入石英舟，石英舟前端植入籽晶（ 单晶体），推入炉内使原料熔化，籽晶不熔。石英舟 内Ge粉完全熔融并与籽晶良好润湿时，缓慢将其向外 拉出。使其顺序冷凝成晶锭。
Horizontal Bridgman Method
8.4.1 Bridgman法
在使用密封容器的时候，可以将炉子和容器都竖起来 。这就是立式布里奇曼法。
用立式布里奇曼法制备的晶锭，其截面形状与容器截 面完全一样，因而比较容易获得圆柱形晶锭或其他截 面形状的晶锭
而水平布里奇曼法由于熔体受重力的影响，晶锭截面 很难完全保持其容器截面的形状。
也有固定石英舟而移动高温炉的做法，道理同前面一 样，只是方向相反。
8.4.1 Bridgman法
除Ge外，GaAs以及其他许多半导体也都可以用这种 方法来生长晶锭。不过，在制备像GaAs这样含有高蒸 气压成分的晶体时，原料必须置于密封容器(如真空密 封的石英管）中。否则，易挥发组分在高温下挥发散 失后，无法生长出结构完美的理想晶体。
horizontal Bridgman method
8.4.1 Bridgman法
在结晶过程中，原子排列受到籽晶中原子排列的引导 而按同样的规则排列起来，并且会保持籽晶的晶向。 只要石英舟的拉出速度足够低，同一晶向将保持到熔 体全部冷凝为止。于是，当全过程终结时，即可制成 一根与石英舟具有相同截面形状的晶锭。
8.4.2 悬浮区熔生长工艺
区熔法 (Zone meltng method) 又称Fz 法 (Float-Zone method)，即悬浮区熔法，于1953 年由Keck 和Golay 两 人将此法用在生长硅单晶上。
区熔硅单晶由于在它生产过程申不使用石英坩埚，氧含 量和金属杂质含量都远小于直拉硅单晶，因此它主要被 用于制作高压元件上，如可控硅、整流器等，其区熔高 阻硅单晶 (一般电阻率为几千Ω·cm以至上万Ω·cm)用于制 作探测器件。
相比较而言，由于在卧式布里奇曼法中熔体有较 大的开放面，其应力和器壁站污问题比立式布里 奇曼法小。
8.4.1 Bridgman法
硒化镉、碲化镉和硫化锌等II-VI族化合物最初就是 用立式布里奇曼法制成的。
砷化镓和磷化镓等在凝固时体积要膨胀的III-V族化 合物材料不适合采用立式布里奇曼法，但可以用水 平布里奇曼法生长。
此外，为了保持晶体生长过程中易挥发组分的化学配 比，往往采用两段温区式的装置，即将易挥发组分的 原料置于独立温区令其挥发并保持一定的过压状态， 让与之连通的另一温区中的熔体在其饱和蒸气压下缓 慢凝结为晶体。
As
A schematic diagram of a Bridgman two-zone furnace used for melt growths of single crystal GaAs.
Today the semiconductor industry depends on the Czochralski method for manufacturing billions of dollars worth of semiconductor materials.
He was accused of being a Nazi sympathizer but was later acquitted and died in Poland in 1953.
隔热区 Vertical Bridgman Method
8.4.1 Bridgman法
布里奇曼法的主要缺点是熔体需要盛在石英舟或 其他用高温稳定材料制成的容器内。这除了导致 舟壁对生长材料的严重玷污之外，舟材料与生长 材料在热膨胀系数上的差异还会使晶锭存在很严 重的生长应力，从而使原子排列严重偏离理想状 态，产生高密度的晶格缺陷。