Cz法

直拉單晶製造法（Czochralski，CZ法）是把原料多晶矽塊放入石英坩堝中，在單晶爐中加熱融化 ，再將一根直徑只有10mm的棒狀晶種（稱籽晶）浸入融液中。

基本介紹

• 中文名：直拉單晶製造法
• 外文名：Czochralski
• 縮寫：CZ法
• 原料：多矽晶

在合適的溫度下，融液中的矽原子會順著晶種的矽原子排列結構在固液交界面上形成規則的結晶，成為單晶體。把晶種微微的旋轉向上提升，融液中的矽原子會在前面形成的單晶體上繼續結晶，並延續其規則的原子排列結構。若整個結晶環境穩定，就可以周而復始的形成結晶，最後形成一根圓柱形的原子排列整齊的矽單晶晶體，即矽單晶錠。當結晶加快時，晶體直徑會變粗，提高升速可以使直徑變細，增加溫度能抑制結晶速度。反之，若結晶變慢，直徑變細，則通過降低拉速和降溫去控制。拉晶開始，先引出一定長度，直徑為3～5mm的細頸，以消除結晶位錯，這個過程叫做引晶。然後放大單晶體直徑至工藝要求，進入等徑階段，直至大部分矽融液都結晶成單晶錠，只剩下少量剩料。

控制直徑，保證晶體等徑生長是單晶製造的重要環節。矽的熔點約為1450℃，拉晶過程始終保持在高溫負壓的環境中進行。直徑檢測必須隔著觀察窗在單晶爐體外部非接觸式實現。拉晶過程中，固態晶體與液態融液的交界處會形成一個明亮的光環，亮度很高，稱為光圈。它其實是固液交界面處的彎月面對坩堝壁亮光的反射。當晶體變粗時，光圈直徑變大，反之則變小。通過對光圈直徑變化的檢測，可以反映出單晶直徑的變化情況。自動直徑檢測就是基於這個原理髮展起來的。

直拉法單晶爐機械結構

直拉矽單晶爐機械部分主要由底座及立柱，增竭傳動部件，主爐室，副爐室，籽晶旋轉及升降部件，主副爐室液壓升降部件，真空及充氣系統等組成。

直拉法單晶生長的優點

主要有以下幾個方面：

（1）可以方便地觀察晶體生長過程；
（2）晶體在熔體的自由表面處生長,而不與柑鍋接觸,可以減少熱應力；
（3）可以方便地使用定向籽晶和籽晶細頸工藝以減小晶體中的缺陷,得到所需取向的晶體；
（4）較快的生長速度和較短的生長周期。

直拉法是生產lC電路所用矽片的常用方法。熔矽放在石英增竭裡面,因為石英導致氧進入熔矽，因而單晶矽有高的氧含量。直拉法又分為非磁場拉晶法和磁場拉晶法。

直拉法晶體生長的重要參數

晶體生長溫度，最大生長速度，熔體中的對流，晶體旋轉， 生長界面形狀(固液界面)及液體覆蓋直拉技術。

使用數值模擬工具模擬Cz法晶體生長過程

如比利時的FEMAG，俄羅斯的CGSIM，德國的CrysMas。

一般過程如下：

幾何建模：創建一個代表爐膛幾何形狀的數學模型；

格線生成：分解每個域(即一個單晶爐部件)成碎片(即三角形)。其中每一個近似的結果都是計算出來的，把每個局部的近似解匯集，從而獲得全局近似解。

介紹晶體生長工藝參數：晶體生長技術工藝知識是成功地解決晶體生長模擬和晶體生長實驗兩方面不可缺少;
計算機計算：求解晶體生長過程中的熱力學模型方程。這涉及到一個反覆的過程,這取決於輸入參數，其結果有可能快速收斂。有可能收斂速度很慢，也有可能不會收斂。

分析模擬結果：分析數值模擬結果。

其中，FEMAG軟體有專業的用於直拉法的模組：FEMAG/CZ，在直拉法仿真方面具有如下的優點：

1、熱傳遞分析：綜合考慮爐內的輻射和傳導、熔體對流和爐內氣體流量分析

2、熱應力分析：晶體位錯的產生與晶體生長過程中熱應力的變化有著密切的關係。該軟體可以靜心三維的非軸對稱和各向異性溫度場應力分析計算，可以提出對晶體總的剪下力預估。“位錯”的產生是由於晶體生長過程中，熱剪應力超越臨界水平而導致的塑性變形。

3、點缺陷預報：該軟體可以預知在晶體生長過程中的點缺陷（自裂縫和空缺），該仿真可以很好的預測在晶體生長過沖中點缺陷的分布。

4、動態仿真：動態仿真提供了複雜幾何形狀對於時間演變的預測。該預測把發生在晶體生長和冷卻過程中所有瞬時的影響因素都考慮在內。為了準確地預報晶體點缺陷和氧分，動態仿真尤其是不可或缺的。

5、固液界面跟蹤：在拉晶的過程中準確預測固液界面同樣是一個關鍵問題。對於不同的坩堝旋轉速度和不同的提拉高度，其固液界面是不同的。

6、加熱器功率預測：利用軟體動態仿真反算加熱功率對於生長合格晶體也是非常必要的。

7、繪製溫度梯度：通過仿真，固液交界面的溫度梯度可以很方便的計算出來。這一結果對於理論缺陷的預報是非常有用的。