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柴可拉斯基法, 英語, czochralski, process, 简称柴氏法, 又称直拉法或提拉法, 是一种用来获取半导体, 如硅, 锗和砷化镓等, 金属, 如钯, 金等, 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, 他在1916年研究金属的结晶速率时, 发明了这种方法, 後來, 演變為鋼鐵工廠的標準製程之一, 柴氏法示意图, 从左到右, 步骤一, 多晶硅和掺杂物的熔化, 步骤二, 向熔融物中放入晶种, 步骤三, 晶体开始生长, 步骤四, 缓慢向上提拉棒, 同时棒与下面的坩埚之间. 柴可拉斯基法 英語 Czochralski process 简称柴氏法 又称直拉法或提拉法 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 他在1916年研究金属的结晶速率时 发明了这种方法 後來 演變為鋼鐵工廠的標準製程之一 柴氏法示意图 从左到右 步骤一 多晶硅和掺杂物的熔化 步骤二 向熔融物中放入晶种 步骤三 晶体开始生长 步骤四 缓慢向上提拉棒 同时棒与下面的坩埚之间以反方向旋转 步骤五 单晶硅生长完成 矽晶棒 用於生產矽晶圓 完成拋光的矽晶圓 直拉法最重要的应用是晶锭 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 目录 1 硅的直拉法生长 2 晶体的尺寸 3 其他杂质的引入 3 1 杂质引入情况的数学描述 4 参考文献 5 相關條目 6 外部链接硅的直拉法生长 编辑 图中所示为一个通过柴氏法生长单晶硅的提拉棒 其末端 左端 为晶种 高纯度的半导体级多晶硅在一个坩埚 通常是由石英制成 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 那么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 可以尽量避免不必要的结果 1 上述过程通常在惰性气体 例如氩 氛围中进行 并采用坩埚这种由较稳定的化学材料制成的反应室 晶体的尺寸 编辑为了提高半导体工业的生产效率 常常按一定标准规格来生产晶圆 早期的晶棒较小 直径通常只有几英寸 随着技术的进步 高端的制造一起开始使用200毫米甚至300毫米直径的晶圆 要准确地制造这样尺寸的晶圆 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制造效率 这是因为利用单个晶圆能够制造出更多的芯片 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 计划在2012年投产 2 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 这样更适合制造積體電路 此外 通过刻出特定的纹路 晶圆还可以用来制造太阳能电池 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制备单晶材料 通过上述直拉工艺制备的单晶硅是制造大積體電路的基础材料 被用于计算机 电视机 移动电话和其他各种电子设备中 3 其他杂质的引入 编辑使用直拉法工艺制备单晶硅时 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1018cm 3 氧杂质将带来一些好处 严格的退火工艺可以使氧沉淀下来 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 4 5 因此 用这样的硅制成的辐射探测器 是将来进行高能粒子实验的理想设备 6 7 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 8 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 9 杂质引入情况的数学描述 编辑 通过考虑偏析系数 可以获得固态晶体中的杂质浓度 10 k O displaystyle k O 偏析系数V 0 displaystyle V 0 初始体积 I 0 displaystyle I 0 杂质的初始数量 C 0 displaystyle C 0 熔融物中杂质的初始浓度V L displaystyle V L 熔融物的体积 I L displaystyle I L 熔融物中杂质的数量 C L displaystyle C L 熔融物中杂质的浓度V S displaystyle V S 固态晶体的体积 C S displaystyle C S 固态晶体中杂质的浓度在晶体生长的过程中 熔融物的体积d V displaystyle dV 被冻结 熔融物中的杂质被移除 d I k O C L d V displaystyle dI k O C L dV d I k O I L V O V S d V displaystyle dI k O frac I L V O V S dV I O I L d I I L k O 0 V S d V V O V S displaystyle int I O I L frac dI I L k O int 0 V S frac dV V O V S ln I L I O ln 1 V S V O k O displaystyle ln left frac I L I O right ln left 1 frac V S V O right k O I L I O 1 V S V O k O displaystyle I L I O left 1 frac V S V O right k O C S d I L d V S displaystyle C S frac dI L dV S C S C O k O 1 f k o 1 displaystyle C S C O k O 1 f k o 1 f V S V O displaystyle f V S V O 参考文献 编辑 J Aleksic et al Ann of NY Academy of Sci 972 2002 158 Intel Samsung TSMC Reach Agreement for 450mm Wafer Manufacturing Transition Physorg com 2008 05 06 2011 12 06 原始内容存档于2011 06 06 Czochralski Crystal Growth Method Bbc co uk 2003 01 30 2011 12 06 原始内容存档于2010 11 26 Li Z Kraner H W Verbitskaya E Eremin V Ivanov A Rattaggi M Rancoita P G Rubinelli F A Fonash S J Investigation of the oxygen vacancy A center defect complex profile in neutron irradiated high resistivity silicon junction particle detectors IEEE Transactions on Nuclear Science 1992 39 6 1730 Bibcode 1992ITNS 39 1730L doi 10 1109 23 211360 Lindstrom G Radiation hard silicon detectors developments by the RD48 ROSE collaboration Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment 2001 466 2 308 Bibcode 2001NIMPA 466 308L doi 10 1016 S0168 9002 01 00560 5 CERN RD50 Status Report 2004 CERN LHCC 2004 031 and LHCC RD 005 and cited literature therein Harkonen J Tuovinen E Luukka P Tuominen E Li Z Ivanov A Verbitskaya E Eremin V Pirojenko A Particle detectors made of high resistivity Czochralski silicon Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment 2005 541 202 Bibcode 2005NIMPA 541 202H doi 10 1016 j nima 2005 01 057 Custer J S Polman A Van Pinxteren H M Erbium in crystal silicon Segregation and trapping during solid phase epitaxy of amorphous silicon Journal of Applied Physics 1994 75 6 2809 Bibcode 1994JAP 75 2809C doi 10 1063 1 356173 Eikelboom J A Jansen M J Characteristion of PV modules of new generations results of tests and simulations PDF Report ECN C 00 067 18 2000 2012 03 31 原始内容 PDF 存档于2012 04 24 James D Plummer Michael D Deal and Peter B Griffin Silicon VLSI Technology Prentice Hall 2000 ISBN 0 13 085037 3 pp 126 27相關條目 编辑单晶硅 英语 Monocrystalline silicon 坩堝下降法 雷射加熱基座生長法 微下拉法 浮區法外部链接 编辑Two growth techniques for mono crystalline silicon Czochralski vs Float Zone 页面存档备份 存于互联网档案馆 Czochralski doping process 页面存档备份 存于互联网档案馆 YouTube上的Silicon Wafer Processing Animation维基共享资源中相关的多媒体资源 柴可拉斯基法 取自 https zh wikipedia org w index php title 柴可拉斯基法 amp oldid 72716407, 维基百科，wiki，书籍，书籍，图书馆，
