3.3.2 區(qū)熔法與區(qū)熔單晶爐

另一種晶體生長的方法是區(qū)熔法（Float Zone，F(xiàn)Z），它所生產(chǎn)的單晶硅錠的含氧量非常少。區(qū)熔法是20世紀50年代發(fā)展起來的，并且能生產(chǎn)出目前為止最純的單晶硅。如圖3.8所示，區(qū)熔單晶爐是指利用區(qū)熔法原理，在高真空或稀石英管有氣體保護的環(huán)境下，通過多晶棒爐體一個高溫的狹窄封閉區(qū)，使多晶棒局部產(chǎn)生一個狹窄的熔化區(qū)，移動多晶棒或爐體加熱體，使熔化區(qū)移動而逐步結(jié)晶成單晶棒的工藝設(shè)備。區(qū)熔法制備單晶棒的特點在于可以使多晶棒在結(jié)晶成單晶棒的過程中提升純度，棒料摻雜生長比較均勻[2]。

圖3.7 拉晶過程的圖解步驟

區(qū)熔單晶爐的類型可分為依靠表面張力的懸浮區(qū)熔單晶爐和水平區(qū)熔單晶爐兩種。在實際應(yīng)用中，區(qū)熔單晶爐一般采用是浮區(qū)熔煉形式。區(qū)熔單晶爐可制備高純度的低氧單晶硅，不需要坩堝，主要用于制備高電阻率（＞20kΩ·cm）單晶硅和區(qū)熔硅的提純，這些產(chǎn)品主要用于分立功率器件的制造。區(qū)熔單晶爐結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.9所示，區(qū)熔單晶爐由爐室、上軸與下軸（機械傳動部分）、晶棒夾頭、籽晶夾頭、加熱線圈（高頻發(fā)生器）、氣口（抽真空口、進氣口、上出氣口）等組成。在爐室結(jié)構(gòu)中，內(nèi)設(shè)有冷卻水循環(huán)。單晶爐上軸的下端為晶棒夾頭，用于夾持一根多晶棒；下軸的頂端為籽晶夾頭，用于夾持籽晶。加熱線圈通入高頻電源，從多晶棒下端開始，使多晶棒形成一個狹窄的熔區(qū)同時通過上軸與下軸的旋轉(zhuǎn)和下降，使熔區(qū)結(jié)晶成單晶。

圖3.8 區(qū)熔法原理

圖3.9 區(qū)熔單晶爐結(jié)構(gòu)示意圖

區(qū)熔單晶爐的優(yōu)點是不僅可以提升制備單晶的純度，棒料摻雜生長比較均勻，而且可對單晶棒料進行多次工藝提純，所制備的單晶可用于電力電子器件、光敏二極管、射線探測器、紅外探測器等的制造。區(qū)熔單晶爐的缺點是工藝成本較高，制備的單晶直徑較小，目前能制備的單晶直徑最大為200mm。另外，區(qū)熔單晶爐設(shè)備的總高度較高，內(nèi)部的上軸與下軸的行程較長，可生長出較長的單晶棒料。