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{{NoteTA
|G1=Physics
}}
[[Image:Czochralski Process.svg|thumb|right|400px|'''柴氏法示意图'''（从左到右）<br/>步骤一：多晶硅和掺杂物的熔化<br/>
步骤二：向熔融物中放入晶种<br/>
步骤三：晶体开始生长<br/>
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<br/>
步骤五：单晶硅生长完成]]
[[Image:Monokristalines Silizium für die Waferherstellung.jpg|thumb|150px|矽晶棒，用於生產矽[[晶圓]].]]
[[File:Silicon wafer with mirror finish.jpg|thumb|150px|完成[[拋光]]的矽晶圓]]

'''柴可拉斯基法'''（{{lang-en|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。

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 ==
[[File:Silicon seed crystal puller rod.jpg|thumb|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。<ref>J. Aleksic et al., Ann. of NY Academy of Sci. 972 (2002) 158.</ref>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。<ref>{{cite news|url=http://www.physorg.com/news129301282.html|title=Intel, Samsung, TSMC Reach Agreement for 450mm Wafer Manufacturing Transition|publisher=Physorg.com|date=2008-05-06|accessdate=2011-12-06|archive-date=2011-06-06|archive-url=https://web.archive.org/web/20110606091440/http://www.physorg.com/news129301282.html|dead-url=no}}</ref>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 (半导体)|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。<ref>{{cite news|url=http://www.bbc.co.uk/dna/h2g2/A912151|title=Czochralski Crystal Growth Method|publisher=Bbc.co.uk|date=2003-01-30|accessdate=2011-12-06|archive-date=2010-11-26|archive-url=https://web.archive.org/web/20101126151829/http://www.bbc.co.uk/dna/h2g2/A912151|dead-url=no}}</ref>

== 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10<sup>18</sup>cm<sup>-3</sup>。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。<ref>{{cite journal|doi=10.1109/23.211360 |title=Investigation of the oxygen-vacancy (A-center) defect complex profile in neutron irradiated high resistivity silicon junction particle detectors|year=1992|last1=Li|first1=Z.|last2=Kraner|first2=H.W.|last3=Verbitskaya|first3=E.|last4=Eremin|first4=V.|last5=Ivanov|first5=A.|last6=Rattaggi|first6=M.|last7=Rancoita|first7=P.G.|last8=Rubinelli|first8=F.A.|last9=Fonash|first9=S.J.|journal=IEEE Transactions on Nuclear Science|volume=39|issue=6|pages=1730|bibcode = 1992ITNS...39.1730L }}</ref><ref>{{cite journal|doi=10.1016/S0168-9002(01)00560-5|title=Radiation hard silicon detectors—developments by the RD48 (ROSE) collaboration|year=2001|last1=Lindström|first1=G|journal=Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:  Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment|volume=466|issue=2|pages=308|bibcode = 2001NIMPA.466..308L }}</ref>因此，用这样的硅制成的辐射探测器，是将来进行[[粒子物理学|高能粒子]]实验的理想设备。<ref>CERN RD50 Status Report 2004, CERN-LHCC-2004-031 and LHCC-RD-005 and cited literature therein</ref><ref>{{cite journal|doi=10.1016/j.nima.2005.01.057|title=Particle detectors made of high-resistivity Czochralski silicon|year=2005|last1=Harkonen|first1=J|last2=Tuovinen|first2=E|last3=Luukka|first3=P|last4=Tuominen|first4=E|last5=Li|first5=Z|last6=Ivanov|first6=A|last7=Verbitskaya|first7=E|last8=Eremin|first8=V|last9=Pirojenko|first9=A|journal=Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment|volume=541|pages=202|bibcode = 2005NIMPA.541..202H }}</ref>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。<ref>{{cite journal|doi=10.1063/1.356173|title=Erbium in crystal silicon: Segregation and trapping during solid phase epitaxy of amorphous silicon|year=1994|last1=Custer|first1=J. S.|last2=Polman|first2=A.|last3=Van Pinxteren|first3=H. M.|journal=Journal of Applied Physics|volume=75|issue=6|pages=2809|bibcode = 1994JAP....75.2809C }}</ref>

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。<ref>{{cite web|author=Eikelboom, J.A., Jansen, M.J.|year=2000|url=http://www.ecn.nl/docs/library/report/2000/c00067.pdf|title=Characteristion of PV modules of new generations; results of tests and simulations|publisher=Report ECN-C-00-067, 18|access-date=2012-03-31|archive-url=https://web.archive.org/web/20120424125944/http://www.ecn.nl/docs/library/report/2000/c00067.pdf|archive-date=2012-04-24|dead-url=yes}}</ref>

=== 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。<ref>James D. Plummer, Michael D. Deal, and Peter B. Griffin, ''Silicon VLSI Technology,'' Prentice Hall, 2000, ISBN 0-13-085037-3 pp. 126–27</ref>

:<math>k_O</math>：偏析系数

:<math>V_0</math>：初始体积
:<math>I_0</math>：杂质的初始数量
:<math>C_0</math>：熔融物中杂质的初始浓度

:<math>V_L</math>：熔融物的体积
:<math>I_L</math>：熔融物中杂质的数量
:<math>C_L</math>：熔融物中杂质的浓度

:<math>V_S</math>：固态晶体的体积
:<math>C_S</math>: 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<math>dV</math>被冻结，熔融物中的杂质被移除。

:<math>dI = -k_O C_L dV\;</math>

:<math>dI = - k_O \frac{I_L}{V_O - V_S} dV</math>

:<math>\int_{I_O}^{I_L} \frac{dI}{I_L} = -k_O \int_{0}^{V_S} \frac{dV}{V_O - V_S}</math>

:<math>\ln \left ( \frac{I_L}{I_O} \right ) = \ln \left ( 1 - \frac{V_S}{V_O} \right )^{k_O}</math>

:<math>I_L = I_O \left ( 1 - \frac{V_S}{V_O} \right )^{k_O}</math>

:<math>C_S = - \frac{dI_L}{dV_S}</math>

:<math>C_S = C_O k_O (1-f)^{k_o - 1}</math>

:<math>f = V_S / V_O\;</math>

== 参考文献 ==
{{reflist}}

== 相關條目 ==
* {{tsl|en|Monocrystalline silicon|單晶矽|-{zh-hant:單晶矽;zh-hans:单晶硅;}-}}
* [[布里奇曼-史托巴格法|坩堝下降法]]
* [[雷射加熱基座生長法]]
* [[微下拉晶體成長法|微下拉法]]
* [[區熔法|-{zh-hant:區熔法;zh-hans:浮區法;}-]]

== 外部链接 ==
* [http://meroli.web.cern.ch/meroli/Lecture_silicon_floatzone_czochralski.html Two growth techniques for mono-crystalline silicon, Czochralski vs Float Zone] {{Wayback|url=http://meroli.web.cern.ch/meroli/Lecture_silicon_floatzone_czochralski.html |date=20180321072004 }}
* [http://www.articleworld.org/index.php/Czochralski_process Czochralski doping process] {{Wayback|url=http://www.articleworld.org/index.php/Czochralski_process |date=20110928212136 }}
* {{youtube|LWfCqpJzJYM|Silicon Wafer Processing Animation}}

{{commonscat|Czochralski method}}
[[Category:半导体器件制造|C]]
[[Category:波兰发明]]
[[Category:半導體生長]]