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行业新闻 >> 悬浮区熔法

 悬浮区熔法(Float Zone)是在20世纪50年代提出并很快被应用到晶体制备技术中。在悬浮区熔法中,使圆柱形硅棒固定于垂直方向,用高频感应线圈在氩气气氛中加热,使棒的底部和在其下部靠近的同轴固定的单晶籽晶间形成熔滴,这两个棒朝相反方向旋转。然后将在多晶棒与籽晶间只靠表面张力形成的熔区沿棒长逐步向上移动,将其转换成单晶。
 
悬浮区熔法制备的单晶硅氧含量和杂质含量很低,经过多次区熔提炼,可得到低氧高阻的单晶硅。如果把这种单晶硅放入核反应堆,由中子嬗变掺杂法对这种单晶硅进行掺杂,那么杂质将分布得非常均匀。这种方法制备的单晶硅的电阻率非常高,特别适合制作电力电子器件。悬浮区熔法制备的单晶硅仅占有很小市场份额。
 
悬浮带熔法是在充满氩气的密封反应室中进行的,首先将一根长度大约为50到100厘米的多晶态硅棒垂直的放置在高温反应室里,加热线圈把硅棒的末端融化,然后把籽晶晶体熔入已经熔化的区域,熔体将会藉着熔融硅的表面张力而悬浮在籽晶与多晶棒之间,然后加热线圈缓慢向上升高而把熔融硅上方部分的多晶硅棒熔化。此时靠近籽晶的一端熔融硅开始凝固,形成与籽晶晶体相同的晶向。当加热线圈扫过整个硅棒后,便能使其转变成单晶硅的晶棒。
 
采用这种方法生长硅单晶时,熔区悬浮于多晶硅棒与下方生长出的单晶之间,故称为悬浮区熔法。由于在熔化和生长硅单晶过程中,不使用石英坩埚等容器,故又称为无坩埚区熔法。因为硅熔体密度小(2.3 g/cm)并有一定的表面张力,加上高频电磁场的托浮作用,所以熔区易保持稳定。
 
悬浮区熔法除了可用于上述的单晶硅制备外,还可用于提纯多晶硅。后者主要是利用硅中杂质的分凝效应和蒸发效应,获得高纯多晶硅。区熔可在保护气氛(氩、氢)中进行,也可在真空中进行,且可反复提纯(尤其在真空中蒸发速度更快),特别适用于制备高阻硅单晶和探测器级高纯硅单晶。此外,区熔法是检验多晶硅的纯度的手段之一。
 
区域的温度应略高于材料的熔点。在材料棒自上而下的移动过程中,被加热部分经历了熔化和结晶的过程,最终形成了一个单晶棒。在整个过程中,材料棒是架空的,不与任何容器接触,避免了坩祸对材料的污染,可以用于制备高纯度的晶体。这种方法特别适合于制备高熔点金属或氧化物的单晶体。在用于提纯时,常将上述过程重复数次,由于不同温度下,杂质在固体中的溶解度不同,可以使固体中的杂质汇集在棒的一端。
 
悬浮区熔法有两个主要的缺点,其一是熔体与晶体的界面复杂,所以很难得到无层错的晶体,其二是它的成本很高,因为它需要高纯度的多晶硅棒当做原始材料。

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