材料超提纯 ( material  ultrapurification)  

对材料进行物理化学处理，使其杂质含量降低到10^-4％或更低水平的技术。是半导体材料制备的基本工序，简称提纯。

纯度概念   材料的纯度可分为目的纯度和整体纯度。目的纯度只要求把个别的杂质降到较低的含量，对其他杂质无明确的要求，如原子级石墨中的硼、金属锆中的铪等。整体纯度则要求所有的杂质均降到一定的水平。半导体材料所要求的是整体纯度，纯度多用各杂质的总含量被“1”减后用％示出的多少个“9”来表示。用一些物理参数，如电阻率、载流子浓度、剩余电阻率比值等方法可在特定的条件下表征材料的纯度，但这些方法本身无法确定杂质是哪种元素。

方法   在超提纯中使用的方法很多，可分为两大类：一类是有其他化学物质参与反应的，称为化学提纯；另一类是不改变其化学主成分而直接进行提纯的，称为物理提纯。属于化学提纯的有电解精炼法、萃取法、络合物法、吸附法、激光分解法、化合物精馏法等。属于物理提纯的有真空蒸馏法、定向结晶法、直拉单晶法、区熔提纯法等。在超提纯过程中方法的选择，一方面要考虑材料的性质和杂质的行为；另一方面优先选择的着眼点往往不放在方法的一次提纯效果上，而是在能否不打开容器可进行多次提纯使杂质不断排除的可能性上。这就是精馏法和区熔提纯法在超提纯中应用最广的原因。一种方法常常不能有效地去除所有的杂质，因此常常需要组#3t．种方法而形成材料提纯工艺流程。

原理   每一种提纯方法都基于其独自的原理，常见的提纯方法的原理见表。其中区熔法与直拉单晶法则常是超提纯的最后工序，用于实现最终超高纯度的获得，其原理为：

主要提纯方法的原理与应用

分凝与分凝系数   以A、B二元素为例，其中A为本体元素，B为杂质。当熔体凝固时(图1)其固相中B含量与熔体不同，如果以很慢的速度凝固，则：

式中Cs为固相中的杂质含量；C_L为液相中的杂质含量；Ko为平衡分凝系数，又称平衡分配系数。因分凝受到搅拌及凝固速度的影响，因此在提纯过程中的实际分凝系数要偏离平衡分凝系数，称为有效分凝系数(K_eff)，它们的关系为：

式中f为凝固界面移动速度；δ为扩散层厚度；D为扩散系数。Ko与K_eff均可简称为分凝系数或分配系数(K)。从图1可以看出，K。随B的含量变化而变化，但在半导体材料制备中，利用偏析提纯时，材料中的杂质含量已经很低，因此可认为是理想溶液，固相线与液相线均成直线，这样K。为常数，其数值可以为K。>1、Ko<1、K0=1。

区熔提纯   其原理为，即在锭条的一端熔化一个熔区，然后将熔区向另一端移动。图2内示出了对不同分凝系数K经一次区熔的杂质分配的情况，杂质分布为：

式中x为锭条的位置；C₀为原始锭条的杂质浓度；L为熔区长。经几次区熔时杂质分布为：

这两个公式都只对x=O.9以前有效，x=0.9～1之间，熔区就按正常凝固的方式分配杂质。经多次区熔后最终就达到杂质极限分布，即进入熔区的杂质量等于由熔区排出的杂质量。多次区熔与极限分配的情况见图3。影响区熔结果的参数为熔区宽度、熔区移动速度和区熔次数。另外要选择好容器材质以防止污染；选择好保护性气体，如在表面形成氧化膜，则氧化膜可吸附杂质并向熔区释放，使提纯效果降低。区熔法的优点是可多次提纯，不用打开容器，且获得高纯材料的比例大。

图2   一次区熔后不同分凝系数的杂质分配

直接单晶法   它的杂质分配原理与正常凝固(又称定向结晶)相同。它按不同分凝系数的杂质分布曲线见图4。它的杂质分布公式为：

式中x为结晶的部分。如果只结晶一次，则直拉的提纯效果比区熔好。但直拉法经一次提纯后必须切尾才能进行再一次的提纯。而切尾一方面容易造成污染，另一方面会减少高纯部分的比率。此提纯法的优点是容易清除熔体表面的氧化膜，最主要的是拉出单晶可以清除杂质在晶界的富集。

防污染措施   当纯度到达一定水平时，污染就成为进一步提高纯度的制约因素。污染可来自容器、试剂、大气、人体等各个方面。因此排除和降低污染是超提纯技术中的主要内容，而且随着纯度的提高，其重要性就变得更为突出。防止污染的措施包括：(1)配备超净环境。使用超净间、超净工作台、穿超净工作服等。(2)使用超净物质和惰性容器。包括超纯试剂、超纯水、超纯气体、高纯石英、石墨、热裂解氮化硼等容器或部件。(3)采用无污染或低污染工艺。例如悬浮区熔、以高纯物质本体作发热体的化学气相沉积等。(4)使用超净包装，防止产品的二次污染。

应用   超提纯技术已广泛应用于半导体材料的生产与研制，例如高纯元素制备、高纯化合物或合金的制备、高纯水制备、超纯锗多晶制备、硅多晶的西门子法制备、硅多晶的硅烷法制备、辐射探测器用半导体材料的制备等。