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柴可拉斯基法

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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

柴可拉斯基法(简称柴氏法 英语Czochralski process),又称直拉法,是一种用来获取半导体(如砷化镓等)、金属(如等)、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。

直拉法最重要的应用是晶英语Ingot晶棒英语Boule (crystal)单晶的生长。其他的半导体,例如砷化镓,也可以利用直拉法进行生长,尽管一些其他方法可以使获得单晶的晶体缺陷密度。

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。诸如原子和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。将晶种英语Seed crystal(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)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型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。[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,导致熔融状态中混入,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:偏析系数
V_0:初始体积
I_0:杂质的初始数量
C_0:熔融物中杂质的初始浓度
V_L:熔融物的体积
I_L:熔融物中杂质的数量
C_L:熔融物中杂质的浓度
V_S:固态晶体的体积
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dV被冻结,熔融物中的杂质被移除。

dI = -k_O C_L dV\;
dI = - k_O \frac{I_L}{V_O - V_S} dV
\int_{I_O}^{I_L} \frac{dI}{I_L} = -k_O \int_{0}^{V_S} \frac{dV}{V_O - V_S}
\ln \left ( \frac{I_L}{I_O} \right ) = \ln \left ( 1 - \frac{V_S}{V_O} \right )^{k_O}
I_L = I_O \left ( 1 - \frac{V_S}{V_O} \right )^{k_O}
C_S = - \frac{dI_L}{dV_S}
C_S = C_O k_O (1-f)^{k_o - 1}
f = V_S / V_O\;

参考文献[编辑]

  1. ^ J. Aleksic et al., Ann. of NY Academy of Sci. 972 (2002) 158.
  2. ^ Intel, Samsung, TSMC Reach Agreement for 450mm Wafer Manufacturing Transition. Physorg.com. 2008-05-06 [2011-12-06]. 
  3. ^ Czochralski Crystal Growth Method. Bbc.co.uk. 2003-01-30 [2011-12-06]. 
  4. ^ Li, Z.; Kraner, H.W.; Verbitskaya, E.; Eremin, V.; Ivanov, A.; Rattaggi, M.; Rancoita, P.G.; Rubinelli, F.A. et al. 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. 
  5. ^ Lindström, 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. 
  6. ^ CERN RD50 Status Report 2004, CERN-LHCC-2004-031 and LHCC-RD-005 and cited literature therein
  7. ^ Harkonen, J; Tuovinen, E; Luukka, P; Tuominen, E; Li, Z; Ivanov, A; Verbitskaya, E; Eremin, V et al. 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. 
  8. ^ 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. 
  9. ^ Eikelboom, J.A., Jansen, M.J. Characteristion of PV modules of new generations; results of tests and simulations. Report ECN-C-00-067, 18. 2000. 
  10. ^ 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]

外部链接[编辑]