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。
硅的直拉法生长
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] 上述过程通常在填充惰性气体(例如氩 )的環境中进行,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
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
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1018 cm-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
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
J. Aleksic et al., Ann. of NY Academy of Sci. 972 (2002) 158.
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 .
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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
外部链接