柴可拉斯基法


柴可拉斯基法

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柴可拉斯基法【柴可拉斯基法】柴可拉斯基法(简称柴氏法 英语:Czochralski process),又称直拉法,是一种用来获取半导体(如硅、锗和砷化镓等)、金属(如钯、铂、银、金等)、盐、合成宝石单晶材料的晶体生长方法 。这个方法得名于波兰科学家扬·柴可拉斯基(Jan Czochralski),他在1916年研究金属的结晶速率时,发明了这种方法 。后来,演变为钢铁工厂的标準製程之一 。
直拉法最重要的套用是晶锭、晶棒、单晶硅的生长 。其他的半导体,例如砷化镓,也可以利用直拉法进行生长,也有一些其他方法(如布里奇曼-史托巴格法)可以获得更低的晶体缺陷密度 。
基本介绍中文名:柴可拉斯基法
外文名:Czochralski process
学科:电气工程
硅的直拉法生长高纯度的半导体级多晶硅在一个坩埚(通常是由石英製成)中被加热至熔融状态 。诸如硼原子和磷原子的杂质原子可以精确定量地被掺入熔融的硅中,这样就可以使硅变为P型或N型硅 。这个掺杂过程将改变硅的电学性质 。将晶种(或称“籽晶”)置于一根精确定向的棒的末端,并使末端浸入熔融状态的硅 。然后,将棒缓慢地向上提拉,同时进行旋转 。如果对棒的温度梯度、提拉速率、旋转速率进行精确控制,那幺就可以在棒的末端得到一根较大的、圆柱体状的单晶晶锭 。通过研究晶体生长中温度、速度的影响,可以儘量避免不必要的结果 。上述过程通常在惰性气体(例如氩)氛围中进行,并採用坩埚这种由较稳定的化学材料製成的反应室 。晶体的尺寸为了提高半导体工业的生产效率,常常按一定标準规格来生产晶圆 。早期的晶棒较小,直径通常只有几英寸 。随着技术的进步,高端的製造一起开始使用200毫米甚至300毫米直径的晶圆 。要準确地製造这样尺寸的晶圆,必须严格控制工作温度、旋转速度以及晶种棒的提拉速度 。用于切割成晶圆的晶锭长达2米,重达几百千克 。更大的晶圆可以进一步提升製造效率,这是因为利用单个晶圆能够製造出更多的晶片 。这也是人们不断尝试增大硅晶圆尺寸的原因 。现在,半导体工业界正在挑战450毫米级别的晶圆,计画在2012年投产 。硅晶圆的典型厚度在0.2至0.75毫米之间,通过抛光技术可以使表面更加平滑,这样更适合製造积体电路 。此外,通过刻出特定的纹路,晶圆还可以用来製造太阳能电池 。在柴氏法中,工作腔(坩埚)被加热到大约1500摄氏度,这将使硅(熔点:1414摄氏度)熔化 。当硅完全熔化时,末端装有晶种的棒被缓慢地下放到熔融状态的硅中 。棒以逆时针方向旋转,坩埚以顺时针方向旋转 。随后,旋转的棒被极慢地向上提升,这样,近似圆柱体状的硅晶棒就能在下方形成 。通过继续提拉,晶棒的长度可以达到1至2米,这取决于坩埚中熔融状态硅的数量 。在硅熔化前,可以向坩埚中添加硼、磷等材料,这样,拉制出的硅棒就具有与纯硅不同的电学性质 。上述添加的材料被称为“杂质”,对应工艺过程被称为“掺杂”,得到的材料被称为“杂质半导体” 。如果半导体材料不是硅,而是其他化合物(如砷化镓),同样可以使用直拉法来製备单晶材料 。通过上述直拉工艺製备的单晶硅是製造大型积体电路的基础材料,被用于计算机、电视机、行动电话和其他各种电子设备中 。其他杂质的引入使用直拉法工艺製备单晶硅时,常用石英(主要成分为二氧化硅)坩埚作为器皿 。这样做的一个不可避免的结果,就是器皿本身因为高温加热,将发生热分解,导致熔融状态硅中混入氧,其浓度的典型数量级为10cm 。氧杂质将带来一些好处 。严格的退火工艺可以使氧沉澱下来 。这些氧可以俘获半导体材料中不必要的过渡金属 。除此之外,氧杂质还能够改善硅晶圆的机械强度,因为它能够固定制备流程中被引入的位错 。1990年代,高浓度氧被发现能够在硅材料粒子探测器(例如欧洲核子研究组织中的大型强子对撞机项目)中用于辐射加固 。因此,用这样的硅製成的辐射探测器,是将来进行高能粒子实验的理想设备 。在后期的退火过程中,硅中的氧杂质也能俘获其他不必要的杂质 。然而,氧杂质能够在光照环境中与硼发生反应,这与太阳能电池的情况类似 。这将形成电活跃的硼-氧络合物 。杂质引入情况的数学描述通过考虑偏析係数,可以获得固态晶体中的杂质浓度 。