直拉法的概述

直拉法的概述

直拉法又称为切克劳斯基法，它是1918年由切克劳斯基（Czochralski）建立起来的一种晶体生长方法，简称CZ法。CZ法的特点是在一个直筒型的热系统汇总，用石墨电阻加热，将装在高纯度石英坩埚中的多晶硅熔化，然后将籽晶插入熔体表面进行熔接，同时转动籽晶，再反转坩埚，籽晶缓慢向上提升，经过引晶、放大、转肩、等径生长、收尾等过程，一支硅单晶就生长出来了。

　　直拉法的典型应用：
　　用于硅、锗、锑化铟等半导体材料，以及氧化物和其他绝缘类型的大晶体的制备。
　　直拉法的优缺点

　　优点
　　1、在生产过程中可以方便的观察晶体的生长状态。
　　2、晶体在熔体表面处生长，而不与坩埚相接触，这样能显著地减小晶体的应力，并防止锅壁的寄生成核。
　　3、可以方便的使用定向籽晶和“缩颈”工艺。缩颈后面的籽晶，其位错可大大减少，这样可使放大后生长出来的晶体，其位错密度降低。
　　总之，提拉法生长的晶体，其完整性很高，而生长率和晶体尺寸也是令人满意的。例如，提拉法生长的红宝石与焰熔法生长的红宝石相比，具有较低的位错密度，较高的光学均匀性，也不存在锒嵌结构。

　　缺点
　　1、高温下，石英容器会污染熔体，造成晶体的纯度降低。
　　2、直拉法得到的单晶中杂质大体上沿纵向变化，对分凝系数小于1的杂质，在晶体中浓度不断增加，因而也就使电阻率沿整根晶棒变化，以致不能生产出电阻率均匀的单晶体。

直拉单晶制造法（Czochralski，CZ法）是把原料多硅晶块放入石英坩埚中，在单晶炉中加热融化 ，再将一根直径只有10mm的棒状晶种（称籽晶）浸入融液中（图1）。在合适的温度下，融液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。把晶种微微的旋转向上提升，融液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构。若整个结晶环境稳定，就可以周而复始的形成结晶，最后形成一根圆柱形的原子排列整齐的硅单晶晶体，即硅单晶锭。当结晶加快时，晶体直径会变粗，提高升速可以使直径变细，增加温度能抑制结晶速度。反之，若结晶变慢，直径变细，则通过降低拉速和降温去控制。拉晶开始，先引出一定长度，直径为3～5mm的细颈，以消除结晶位错，这个过程叫做引晶。然后放大单晶体直径至工艺要求，进入等径阶段，直至大部分硅融液都结晶成单晶锭，只剩下少量剩料。
控制直径，保证晶体等径生长是单晶制造的重要环节。硅的熔点约为1450℃，拉晶过程始终保持在高温负压的环境中进行。直径检测必须隔着观察窗在拉晶炉体外部非接触式实现。拉晶过程中，固态晶体与液态融液的交界处会形成一个明亮的光环，亮度很高，称为光圈。它其实是固液交界面处的弯月面对坩埚壁亮光的反射。当晶体变粗时，光圈直径变大，反之则变小。通过对光圈直径变化的检测，可以反映出单晶直径的变化情况。自动直径检测就是基于这个原理发展起来的。