区域熔炼技术

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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。
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区域熔炼技术原理
由于从熔区右端熔化面熔入的杂质大于左端凝固 面进入固相的杂质而右端又慢慢熔化，则熔区中 的杂质浓度就会随着熔区移动不断增加，相应析 出得固相杂质浓度也增加。 当熔区杂质浓度增加到Ct=Co／K时，进入熔区和 离开熔区杂质是相等的，这样区熔就进入一个浓 度均匀区，直到最后一个熔区中杂质急剧增加， 一次通过后锭料的杂质浓度分布如图2所示。
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简介
区域熔炼（zone melting technique） 由Keek 和 Golay 于1953年创立的。又称区域提纯。是用以提 纯金属、半导体。该方法在整个生长过程中的任何 时刻都只有一部分原料被熔融，熔区由表面张力支 撑，故又称“浮区法”。 通常将材料制成细棒，用高频感应加热，使一小 段固体熔融成液态。熔融区慢慢从放置材料的一端 向另一端移动。在熔融区的末端，固体重结晶，而 含杂质部分因比纯质的熔点略低，较难凝固，便富 集于前端。
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区域熔炼的影响因素
熔区间距(两熔区之间固体长度)i的选择是根据实际 经验确定的。当沿着锭条同时通过几个熔区，则 保持最小的熔区间距，在经济上是最合算的。各 熔区之间的实际距离，对于以后的杂质分布并无 影响，只需大到能在两相邻的熔区之间起一个分 隔物的作用就可以。一般i是一个熔区长度的大小， 对于热导率好的材料可以长些。 熔区通过的次数，可根据经验公式n=(1-1．5)L/l来 定，其中L是锭料长度，l是熔区长度。一般来说， 经常使用的条件L/l=10，则n最大为15，所以次数 为20左右为宜。
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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。
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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。
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硅单晶悬浮区熔炉
JN-FZ-3A型高真空悬浮区熔硅单 晶炉
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谢谢欣赏！
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区域熔炼技术原理
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区域熔炼的影响因素
区域熔炼的实际过程面临很多问题，这个方法需 要不断的熔化、凝固、分离，再熔化、再凝固、 再分离等许多重复的操作。而这些的操作既要方 便、高效，还应该避免锭料受到污染。
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区域熔炼的影响因素
在区域熔炼提纯中，主要有两种参数，一种是材 料的参量如物质的分配系数K，分配系数对于区域 熔炼是一个非常重要的参量。它的大小是与凝固 速度有关，凝固速度越快，杂质就越没有充分的 机会往溶液中扩散，于是就较多地停留在凝固的 金属中。如果凝固速度很慢，固液两相中杂质均 可以充分扩散；在所谓的平衡条件下凝固，此时， 杂质的分配系数称为平衡分配系数，用K0表示。 而在实际过程中，凝固不会很慢，即不可能达到 平衡状态，此时的分配系数称为有效分配系数， 用Keff表示。
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区域熔炼方法及设备
相关设备示例：
区熔半导体材料提纯炉
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区域熔炼方法及设备
悬浮区熔提纯： 金属锭垂直放置，不用容器盛装，锭料 两端固定，锭料加热时依靠金属表面张力保 持一个狭窄的熔区，金属以液态悬浮于金属 棒中间，熔区沿锭长自下而上移动通过锭料， 使金属得到提纯。熔区的获得可采用感应加 热或电子束轰击加热。采用电子束加热，称 为电子束悬浮区熔方法。
第五小组
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区域熔炼的影响因素
熔区温度 熔区温度不宜过低，以免产生熔化不完 全，影响杂质的扩散速度；但也不可过高，否则 将使熔区中部变细，导致线圈对细处耦合不好， 未熔金属粒落于下界面，成为新的晶核。操作过 程中应保持温度平稳，不然可能会使结晶界面产 生多晶。 熔区提纯次数 在区熔速度不变的情况下，通常， 提纯次数增加，金属的纯度提高，当杂质达到极 限分布时，再增加次数则没有意义，而且有些杂 质反而会有增多的趋势，因此必须根据具体情况 而定。
18来自百度文库
区域熔炼的影响因素
1953年伯顿(Burton)、普里(Prim)斯里奇特(Slichter) 分析讨论，推出Keff和K0的关系，即BPS公式。
在实际的区熔过程中分配系数不是恒定不变的。
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区域熔炼的影响因素
另一种是仪器的参量如熔区的移动速率f、熔区长 度l、熔化次数n、熔区间距i、锭料长度L等。 在决定熔区的速率f时，必须同时从理论上和经济 上加以考虑。一般来说，大的f值可使每次通过的 时间少；但是增加f也会引起分布系数K接近于1， 因而降低熔区通过的效率。反之，小的f值可使Keff 一Ko，有利于杂质的分凝和提纯，但速度慢，会 降低生产效率。因此，为了最有效的提纯，必须 同时考虑熔化次数n和移动速率f，使得n／f的值最 小，它的意义就是：用尽可能少的次数和尽快的 速度进行区域熔炼，已达到最佳的效果。
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简介
高纯材料的制备分为物理精炼和化学精炼。 物理精炼主要有区域熔炼法、结晶法等；化学 精炼主要有电解法、真空蒸馏、离子交换法等。 化学精炼提纯法由于容器与材料中杂质的污染， 使得到的金属纯度受到一定的限制，只有用化 学方法将金属提纯到一定纯度之后，再用物理 方法如区熔提纯，才能将金属纯度提到一个新 的高度。
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区域熔炼的影响因素
熔区宽度 在悬浮区熔时，熔区宽度变化有限，对 工艺过程影响不大，一般，熔区的宽度为棒直径 的1/2～1/3为宜。 熔区的移动速度 降低熔区的移动速度，有利于杂 质的扩散，金属纯度的提高；但移动速度过慢， 会导致金属蒸发损失增加。 真空度 保持较高的真空度有利于气体杂质的排出， 但过高的真空度也会引起金属的挥发损失增加。
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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区域熔炼方法及设备
区域熔炼提纯分为两种： （1）水平区熔提纯 （2）悬浮区熔提纯
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区域熔炼方法及设备
水平区熔法实验装置如下图所示。熔区被限制在 加热器加热的狭小范围内，绝大部分的原料处于固 态。加热器从一端向另一端缓慢移动，晶体逐渐生 长。该法创始人是美国人Pfann，硅单晶生长初期的 提纯即采用此法。
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区域熔炼技术原理
对于K＜1的情况，此时析出的固相中杂质的含量 比原来的少，同时杂质在熔化区富集。这样，当 加热环均匀的移动到右端以后，杂质富集在右端。 然后将加热环放到左端再重复以上过程，如此多 次操作，则棒锭中的杂质就会被定向的“赶”到 右端，从而使棒锭金属达到提纯的目的。如下图 所示。
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区域熔炼技术原理
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区域熔炼技术原理
单熔区一次通过沿锭长的杂质分布，由瑞德方程 得出
式中：C-固体中的杂质浓度，x-从开始端算起的距 离。
除最后一个熔区长度以外，这个方程在原料所有 的地方都是有效的。不同分布系数的杂质经过一 次区熔后锭料的各部分杂质分布可以从下图看出。
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区域熔炼技术原理
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区域熔炼技术原理
一次区域提纯往往不能达到所要求的纯度，提纯 过程需要重复多次或者用一系列的加热器，在一 个锭条上产生多个熔区，让这些熔区在一次操作 中先后通过锭料。经过熔区多次通过以后，区域 纯化的效率将会越来越低，直至溶质的分布达到 一个恒稳状态或极限分布，这就表示所能获得的 最大分离。 极限分布方程可由 表示，其中A和B都是 常数 式中：Co-平均杂质浓度；L-锭长；l-熔区长度。
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区域熔炼技术原理
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区域熔炼技术原理
区域熔炼是利用杂质在金属的凝固态和熔融态中 溶解度的差别，使杂质析出或改变其分布的一种 方法。当固液共存时，杂质在固相中的浓度Co和 液相中的浓度Ct是不相同的，两者之比称为分布 系数，即K= Co／ Ct 假设锭料的初始浓度为Co，在锭料中保持一个(或 数个)熔区，并使熔区从一端缓慢移动到另一端。 在熔区从左端向右端移动过程中，左端慢慢凝固， 而凝固出来的固相杂质浓度为Cs，最左端熔区中 Ct=Co，如果K<1，则固态杂质浓度为Cs=KCt<Co， 可见，开始凝固部分的纯度有所提高。
区域熔炼技术
制作：第五小组 演讲：我是学长
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简介
区域熔炼技术的原理
区域熔炼的影响因素
区域熔炼的方法及设备
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简介
当今科学技术的飞速发展，电子工业、半导 体行业等尖端技术对材料的要求越来越高， 尤其对所使用的基本材料的纯度要求特别高。 就材料本身而言，一直认为材料的某种独特 性质是取决于杂质的含量，纯度越高的金属 往往改变材料的性质。因此为了发现有色金 属及其化合物的光、电、磁等潜在性质，也 需要更高纯度的金属。