基本介紹
- 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（如矽、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
相關概念,雜質引入,數學描述,
相關概念
矽的直拉法生長
高純度的半導體級多晶矽在一個坩堝（通常是由石英製成）中被加熱至熔融狀態。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矽中，這樣就可以使矽變為P型或N型矽。這個摻雜過程將改變矽的電學性質。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矽。然後，將棒緩慢地向上提拉，同時進行旋轉。如果對棒的溫度梯度、提拉速率、旋轉速率進行精確控制，那么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溫度、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。隨著技術的進步，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，必須嚴格控制工作溫度、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晶片。這也是人們不斷嘗試增大矽晶圓尺寸的原因。現在，半導體工業界正在挑戰450毫米級別的晶圓，計畫在2012年投產。矽晶圓的典型厚度在0.2至0.75毫米之間，通過拋光技術可以使表面更加平滑，這樣更適合製造積體電路。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，這將使矽（熔點：1414攝氏度）熔化。當矽完全熔化時，末端裝有晶種的棒被緩慢地下放到熔融狀態的矽中。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，近似圓柱體狀的矽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矽的數量。
在矽熔化前，可以向坩堝中添加硼、磷等材料，這樣，拉制出的矽棒就具有與純矽不同的電學性質。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矽，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矽是製造大型積體電路的基礎材料，被用於計算機、電視機、行動電話和其他各種電子設備中。
雜質引入
使用直拉法工藝製備單晶矽時，常用石英（主要成分為二氧化矽）坩堝作為器皿。這樣做的一個不可避免的結果，就是器皿本身因為高溫加熱，將發生熱分解，導致熔融狀態矽中混入氧，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，氧雜質還能夠改善矽晶圓的機械強度，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矽材料粒子探測器（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，用這樣的矽製成的輻射探測器，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，矽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。
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。
