3.3.2 区熔法与区熔单晶炉

另一种晶体生长的方法是区熔法（Float Zone，FZ），它所生产的单晶硅锭的含氧量非常少。区熔法是20世纪50年代发展起来的，并且能生产出目前为止最纯的单晶硅。如图3.8所示，区熔单晶炉是指利用区熔法原理，在高真空或稀石英管有气体保护的环境下，通过多晶棒炉体一个高温的狭窄封闭区，使多晶棒局部产生一个狭窄的熔化区，移动多晶棒或炉体加热体，使熔化区移动而逐步结晶成单晶棒的工艺设备。区熔法制备单晶棒的特点在于可以使多晶棒在结晶成单晶棒的过程中提升纯度，棒料掺杂生长比较均匀[2]。

图3.7 拉晶过程的图解步骤

区熔单晶炉的类型可分为依靠表面张力的悬浮区熔单晶炉和水平区熔单晶炉两种。在实际应用中，区熔单晶炉一般采用是浮区熔炼形式。区熔单晶炉可制备高纯度的低氧单晶硅，不需要坩埚，主要用于制备高电阻率（＞20kΩ·cm）单晶硅和区熔硅的提纯，这些产品主要用于分立功率器件的制造。区熔单晶炉结构示意图如图3.9所示，区熔单晶炉由炉室、上轴与下轴（机械传动部分）、晶棒夹头、籽晶夹头、加热线圈（高频发生器）、气口（抽真空口、进气口、上出气口）等组成。在炉室结构中，内设有冷却水循环。单晶炉上轴的下端为晶棒夹头，用于夹持一根多晶棒；下轴的顶端为籽晶夹头，用于夹持籽晶。加热线圈通入高频电源，从多晶棒下端开始，使多晶棒形成一个狭窄的熔区同时通过上轴与下轴的旋转和下降，使熔区结晶成单晶。

图3.8 区熔法原理

图3.9 区熔单晶炉结构示意图

区熔单晶炉的优点是不仅可以提升制备单晶的纯度，棒料掺杂生长比较均匀，而且可对单晶棒料进行多次工艺提纯，所制备的单晶可用于电力电子器件、光敏二极管、射线探测器、红外探测器等的制造。区熔单晶炉的缺点是工艺成本较高，制备的单晶直径较小，目前能制备的单晶直径最大为200mm。另外，区熔单晶炉设备的总高度较高，内部的上轴与下轴的行程较长，可生长出较长的单晶棒料。