區熔法

區熔法又稱Fz法，即懸浮區熔法。

區熔法是利用熱能在半導體棒料的一端產生一熔區，再熔接單晶籽晶。調節溫度使熔區緩慢地向棒的另一端移動，通過整根棒料，生長成一根單晶，晶向與籽晶的相同。

基本介紹

• 中文名：區熔法
• 外文名：Zone melting
• 又稱：Fz法
• 即：懸浮區熔法
• 方式：利用熱能在半導體棒料的一端

區熔法的分類

區熔法分為兩種：水平區熔法和立式懸浮區熔法。前者主要用於鍺、GaAs等材料的提純和單晶生長。後者主要用於矽，這是由於矽的熔點高，化學性能活潑， 容易受到異物的玷污，難以找到適合的舟皿，不能採用水平區熔法。

區熔法單晶生長

如果需要生長極高純度的矽單晶，其技術選擇首先是懸浮區熔提煉，其次是直拉法。區熔法可以得到低至1011cm-1的載流子濃度。區熔生長技術的基本特點是樣品的熔化部分是完全由固體部分支撐的，不需要坩堝。柱狀的高純多晶材料固定於卡盤，一個金屬線圈沿多晶長度方向緩慢移動並通過柱狀多晶，在金屬線圈中通過高功率的射頻電流，射頻功率技法的電磁場將在多晶柱中引起渦流，產生焦耳熱，通過調整線圈功率，可以使得多晶柱線圈內部的部分熔化，線圈移過後，熔料在結晶為為單晶。另一種使晶柱局部熔化的方法是使用聚焦電子束。整個區熔生長裝置可置於真空系統中，或者有保護氣氛的封閉腔室內。

區熔法的模擬仿真

目前，區熔法的仿真，一般只有通過編程來實現，也有一些人採用通用型仿真軟體來做，例如，2001年,K.Lin、RDold等人用FIDAP有限元法對使用電阻加熱式區熔單晶爐的熱輻射進行數值模擬，但只求解了溫度場；2002年，H.Kohno, T. Tanahashi等人使用GSMAC-FEM三維數值模擬方法對直拉法和區溶法生長單晶娃時熔體對流和融化變形過程進行研究，但僅僅只求解了流場的情況；我國的龐炳遠等人對區熔單晶桂單晶生長的電磁場有所研究；2013年，浙江大學的沈文杰，利用ANSYS軟體，做了大直徑區熔矽單晶生長設備電磁場及溫度場的數值模擬與實驗研究，考慮了兩個物理場的因素。

可以看出，通用型軟體無法實現多餘2個物理場的控制因素，因涉及過於複雜的各物理場控制、耦合，工藝參數無法便利調節。世面上已經有了專用的商業軟體，德國柏林技術大學的Wünscher，利用FEMAG-FZ軟體，分析了鍺、矽單晶在區熔法生長過程中的溫度場、線圈電磁場、氬氣、氦氣與熔體的流場，還有電磁力，轉速的影響等等；比利時魯汶大學的François Dupret教授利用團隊研發的FEMAG-FZ，確定恆定直徑、最佳結晶速率所需要的坩堝旋轉速度、加熱器功率以及磁場強度等關係。

採用與直拉單晶類似的方法

為確保生長沿所要求的晶向進行，也需要使用籽晶，採用與直拉單晶類似的方法，將一個很細的籽晶快速插入熔融晶柱的頂部，先拉出一個直徑約3mm，長約10-20mm的細頸，然後放慢拉速，降低溫度放肩至較大直徑。頂部安置籽晶技術的困難在於，晶柱的熔融部分必須承受整體的重量，而直拉法則沒有這個問題，因為此時晶錠還沒有形成。這就使得該技術僅限於生產不超過幾公斤的晶錠。

無坩堝區熔法

無坩堝區熔法（crucibleless zone melting）用於單晶生長和材料的提純的一種重要的方法。先將用於製備單晶或需提純的材料燒結成棒狀，再使其自上而下地通過一段很窄的加熱區域。無坩堝區熔法生產單晶矽是在區熔爐內於真空或保護氣氛中進行的，此法能消除來自坩堝的污染源，目前用來生產更高純度的小直徑單晶。

懸浮區熔法

採用這種方法生長矽單晶時，熔區懸浮於多晶矽棒與下方生長出的單晶之間，故稱為懸浮區熔法。由於在熔化和生長矽單晶過程中，不使用石英坩堝等容器，故又稱為無坩堝區熔法。因為矽熔體密度小（2.3 g/cm）並有一定的表面張力，加上高頻電磁場的托浮作用，所以熔區易保持穩定。

懸浮區熔法除了可用於上述的單晶矽製備外，還可用於提純多晶矽。後者主要是利用矽中雜質的分凝效應和蒸發效應，獲得高純多晶矽。區熔可在保護氣氛（氬、氫）中進行，也可在真空中進行，且可反覆提純（尤其在真空中蒸發速度更快），特別適用於製備高阻矽單晶和探測器級高純矽單晶。此外，區熔法是檢驗多晶矽的純度的手段之一。

區域的溫度應略高於材料的熔點。在材料棒自上而下的移動過程中，被加熱部分經歷了熔化和結晶的過程，最終形成了一個單晶棒。在整個過程中，材料棒是架空的，不與任何容器接觸，避免了坩禍對材料的污染，可以用於製備高純度的晶體。這種方法特別適合於製備高熔點金屬或氧化物的單晶體。在用於提純時，常將上述過程重複數次，由於不同溫度下，雜質在固體中的溶解度不同，可以使固體中的雜質匯集在棒的一端。