區域熔煉

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普凡(圖左)示範最早的區域熔煉管。1953年攝於貝爾實驗室
垂直式的區域熔煉裝置,圖中的高頻交流電感應加熱線圈英语induction heating正緩緩由上而下往金屬棒的另一端移動,把管中的一小段金屬熔成炙熱的熔融液。比起上圖普凡的水平式裝置,垂直式的區域熔煉裝置節省了一些實驗室空間。攝於1961年
區域熔煉法概念圖
剛開始成長的矽晶
垂直區域熔煉示意圖

区域熔炼(簡稱区熔英语:zone melting,或譯帶域熔化)——又稱區精煉zone refining)或浮動區浮區法浮帶製程[1]FZ法floating zone process)——是一類纯化晶體(如金属半导体)的方法。晶體於一個狹窄的區域熔融,此熔化區是沿晶體移動(在實踐中,晶體被拉動穿過加熱器)。熔化區將不純固體在固體前邊緣熔化并將更純的物質凝固在後邊留下。重覆上述過程最終將雜質集中於晶柱的一端,其餘大部分的晶柱部分呈現成分較純的固體。區域熔煉法可以擴展到幾乎所有的有明顯的固相和液相之間的濃度平衡的溶質-溶劑系統。區域熔煉法現在已是重要的半導體製程之一。

歷史[编辑]

目前已知最早的區域熔煉法用於晶體的備製,英國的X射線晶體學家約翰·戴斯蒙·伯納英语John Desmond Bernal於1920年代末接受物理學家卡皮察的委託製備高純度的鉍,以供應卡皮察研究鉍在低溫高磁場下的電阻率[2]。區域熔煉法於1952年被貝爾實驗室威廉·加德納·普凡英语William Gardner Pfann重新發明[3],用於製備高純度晶體管材料,如高純度的[4]。隨著矽基半導體逐漸普及,Henry Theurer、Reimer Emeis等人承續普凡的成果將區域熔煉法推廣至浮帶矽英语Float-zone silicon的相關研究上。

製程細節[编辑]

區域熔煉法一般被認為有兩種功能。功能之一是1952年發展出來用於純化晶錠的精鍊法(Zone Refining),今日區域熔煉一詞多泛指此功能。功能之二是1939年發明的區域勻化法(Zone Leveling)在幾乎相同的製程設備下,區域熔煉法也可以用來均勻加熱區域的成分分布。

晶錠精煉純化[编辑]

區域熔煉法可以用來純化晶錠的原理是利用偏析係數k(特定種類雜質在固相中濃度對該雜質在液相中濃度的比值)通常小於1。因此,在固相/液相介面,雜質會往液相的區域擴散。如此一來,藉由使晶柱緩慢地通過狹窄區域的高溫爐,只有在該狹窄區域的晶柱部分會熔融,雜質不斷進入熔融的液相區,隨著熔融區的移動,雜質最後會被析出在晶柱的一端。

由於缺乏雜質減少了異質成核的機會,製備者可以選擇在缺乏雜質的區域加入晶種進行特定方向的晶粒成長,在該區域生長出完美的單晶。製備者可以選擇熔煉結束後把尚存雜質的部分裁切掉,並把切掉的部分再重複以同樣方法熔煉純化,以追求更高的純度。

區域勻化[编辑]

區域勻化的目的在於使材料固溶體的溶質分布更均勻。單晶可以因為區域勻化而使內部的雜質平均散佈,彌補早期布里奇曼-史托巴格法英语Bridgman–Stockbarger technique"長單晶"跟"溶質均勻分布"魚與熊掌難以兼得的缺點[5]。例如,早期製備電晶體或二極體半導體時,會先找來一塊純化過的鍺晶錠。然後取小量的置於熔融加熱區域,使其通透擴散至原本只含純鍺的區域。只要能夠妥善地控制加熱速率及其他操作變因,銻雜質就可以均勻地散布在鍺晶錠中,做到參雜的效果。類似的技巧今日依然被運用在置備資通訊產品所用電晶體的過程中,只是矽晶取代了過去鍺晶的地位成為主流,而製程亦有小幅的更動。

加熱器[编辑]

區域熔煉法所使用的加熱器都有一些共通的特色,它們都可以形成短小的熔融區,並緩慢且一致地游移於晶錠兩端間。感應線圈英语Induction coil環繞電熱器電子束加熱英语Electron beam furnace、瓦斯火焰等都是常見的加熱器。對晶錠加一外加磁場並對晶錠通一電流也是一種可行方式,通常會細微地控制加熱器產生的磁動勢使其等同於熔融液體的重量把熔融液體懸浮於空中。光學加熱器利用高功率的鹵素燈氙燈英语Xenon arc lamp當作熱能來源,通常只用於研究用途,尤其是製造絕緣體的時候。光學加熱器並不適合用於產業用途,因為相對於其他種類的加熱器,光學加熱器的功率還是太低了,進而限制光學加熱器能處理的晶錠大小。

參考文獻[编辑]

  1. ^ 《半導體製程概論》增訂版,第47頁。
  2. ^ Andrew Brown著,《J. D. Bernal: The Sage of Science》,第85頁
  3. ^ W. G. Pfann著,《Techniques of Zone Melting and Crystal Growing》,第425頁,"Zone melting methods, introduced in 1952, are a potent tool for jobs of this sort; and the article is largely devoted to an account of pertinent zone melting techniques.",由此可見普凡1957年寫這本書時並不知道有其他人用過這種方法了。
  4. ^ W. G. Pfann著,《Techniques of Zone Melting and Crystal Growing》,第463頁
  5. ^ W. G. Pfann著,《Techniques of Zone Melting and Crystal Growing》,第426頁。

參考書目[编辑]

  • 施敏、梅凱瑞(Gary S. May)著,林鴻志譯,原書名《Fundamentals Of Semiconductor Fabrication》,中譯名《半導體製程概論》增訂版,新竹市,國立交通大學出版社,2016年6月,ISBN 978-986-630-189-6.
  • Andrew Brown (2005),J. D. Bernal: The Sage of Science,Oxford University Press ISBN 0-19-851544-8
  • William G. Pfann (1966) Zone Melting, 2nd edition, 約翰威立
  • Hermann Schildknecht (1966) Zone Melting, Verlag Chemie.
  • Georg Müller (1988) Crystal growth from the melt Springer-Verlag, Science 138 pages ISBN 3-540-18603-4, ISBN 978-3-540-18603-8