柴可拉斯基法

✍ dations ◷ 2025-04-03 11:55:40 #半导体器件制造,波兰科技

柴可拉斯基法(英语: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。后来,演变为钢铁工厂的标准制程之一。

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。

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。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。

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。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,这样更适合制造集成电路。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集成电路的基础材料,被用于计算机、电视机、移动电话和其他各种电子设备中。

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。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。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。

通过考虑偏析系数,可以获得固态晶体中的杂质浓度。

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。

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