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柴可拉斯基法
鎖定
柴可拉斯基法（簡稱柴氏法 英語：Czochralski process），又稱直拉法，是一種用來獲取半導體（如硅、鍺和砷化鎵等）、金屬（如鈀、鉑、銀、金等）、鹽、合成寶石單晶材料的晶體生長方法。這個方法得名于波蘭科學家揚·柴可拉斯基（Jan Czochralski），他在1916年研究金屬的結晶速率時，發明了這種方法。後來，演變為鋼鐵工廠的標準制程之一。
直拉法最重要的應用是晶錠、晶棒、單晶硅的生長。其他的半導體，例如砷化鎵，也可以利用直拉法進行生長，也有一些其他方法（如布里奇曼-史託巴格法）可以獲得更低的晶體缺陷密度。
- 中文名
- 柴可拉斯基法
- 外文名
- Czochralski process
- 所屬學科
- 電氣工程
- 簡 稱
- 柴氏法
- 別 名
- 直拉法
- 定 義
- 是一種用來獲取半導體（如硅、鍺和砷化鎵等）、金屬（如鈀、鉑、銀、金等）、鹽、合成寶石單晶材料的晶體生長方法
柴可拉斯基法相關概念
硅的直拉法生長
高純度的半導體級多晶硅在一個坩堝（通常是由石英制成）中被加熱至熔融狀態
[1]
。諸如硼原子和磷原子的雜質原子可以精確定量地被摻入熔融的硅中，這樣就可以使硅變為P型或N型硅。這個摻雜過程將改變硅的電學性質。將晶種（或稱“籽晶”）置於一根精確定向的棒的末端，並使末端浸入熔融狀態的硅。然後，將棒緩慢地向上提拉，同時進行旋轉。如果對棒的温度梯度、提拉速率、旋轉速率進行精確控制，那麼就可以在棒的末端得到一根較大的、圓柱體狀的單晶晶錠。通過研究晶體生長中温度、速度的影響，可以儘量避免不必要的結果。上述過程通常在惰性氣體（例如氬）氛圍中進行，並採用坩堝這種由較穩定的化學材料製成的反應室。
晶體的尺寸
為了提高半導體工業的生產效率，常常按一定標準規格來生產晶圓。早期的晶棒較小，直徑通常只有幾英寸。隨着技術的進步，高端的製造一起開始使用200毫米甚至300毫米直徑的晶圓。要準確地製造這樣尺寸的晶圓，必須嚴格控制工作温度、旋轉速度以及晶種棒的提拉速度。用於切割成晶圓的晶錠長達2米，重達幾百千克。更大的晶圓可以進一步提升製造效率，這是因為利用單個晶圓能夠製造出更多的芯片。這也是人們不斷嘗試增大硅晶圓尺寸的原因。現在，半導體工業界正在挑戰450毫米級別的晶圓，計劃在2012年投產。硅晶圓的典型厚度在0.2至0.75毫米之間，通過拋光技術可以使表面更加平滑，這樣更適合製造集成電路。此外，通過刻出特定的紋路，晶圓還可以用來製造太陽能電池。
在柴氏法中，工作腔（坩堝）被加熱到大約1500攝氏度，這將使硅（熔點：1414攝氏度）熔化。當硅完全熔化時，末端裝有晶種的棒被緩慢地下放到熔融狀態的硅中。棒以逆時針方向旋轉，坩堝以順時針方向旋轉。隨後，旋轉的棒被極慢地向上提升，這樣，近似圓柱體狀的硅晶棒就能在下方形成。通過繼續提拉，晶棒的長度可以達到1至2米，這取決於坩堝中熔融狀態硅的數量。
在硅熔化前，可以向坩堝中添加硼、磷等材料，這樣，拉制出的硅棒就具有與純硅不同的電學性質。上述添加的材料被稱為“雜質”，對應工藝過程被稱為“摻雜”，得到的材料被稱為“雜質半導體”。如果半導體材料不是硅，而是其他化合物（如砷化鎵），同樣可以使用直拉法來製備單晶材料。
通過上述直拉工藝製備的單晶硅是製造大型集成電路的基礎材料，被用於計算機、電視機、移動電話和其他各種電子設備中。
柴可拉斯基法雜質引入
使用直拉法工藝製備單晶硅時，常用石英（主要成分為二氧化硅）坩堝作為器皿
[2]
。這樣做的一個不可避免的結果，就是器皿本身因為高温加熱，將發生熱分解，導致熔融狀態硅中混入氧，其濃度的典型數量級為10cm。氧雜質將帶來一些好處。嚴格的退火工藝可以使氧沉澱下來。這些氧可以俘獲半導體材料中不必要的過渡金屬。除此之外，氧雜質還能夠改善硅晶圓的機械強度，因為它能夠固定制備流程中被引入的位錯。1990年代，高濃度氧被發現能夠在硅材料粒子探測器（例如歐洲核子研究組織中的大型強子對撞機項目）中用於輻射加固。因此，用這樣的硅製成的輻射探測器，是將來進行高能粒子實驗的理想設備。在後期的退火過程中，硅中的氧雜質也能俘獲其他不必要的雜質。
然而，氧雜質能夠在光照環境中與硼發生反應，這與太陽能電池的情況類似。這將形成電活躍的硼-氧絡合物。
柴可拉斯基法數學描述
通過考慮偏析係數，可以獲得固態晶體中的雜質濃度。
在晶體生長的過程中，熔融物的體積
被凍結，熔融物中的雜質被移除。
