柴可拉斯基法

柴可拉斯基法，也称为直拉法或直拉法，是一种晶体生长方法，用于获得半导体（如硅、锗和砷化镓）、金属（如钯、铂、银、金）、 盐和合成宝石。 该方法以波兰科学家 Jan Czochralski 的名字命名，他于 1915 年在研究金属的结晶速率时发明了该方法。 他偶然发现了这一点：他没有将钢笔浸入墨水池中，而是将其浸入熔化的锡中，并画出一根锡丝，后来证明它是单晶。

最重要的应用可能是电子工业中用于制造集成电路等半导体器件的单晶硅大圆柱锭或晶锭的生长。 其他半导体，如砷化镓，也可以通过这种方法生长，尽管在这种情况下可以使用 Bridgman–Stockbarger 方法的变体获得较低的缺陷密度。

该方法不限于生产金属或类金属晶体。 例如，它用于制造纯度非常高的盐晶体，包括同位素组成受控的材料，用于粒子物理实验，对制造过程中吸收的混杂金属离子和水进行严格控制（十亿分之一测量值）。

柴可拉斯基法生长的单晶硅（mono-Si）通常被称为单晶直拉硅（Cz-Si）。 它是生产用于计算机、电视、手机和各类电子设备和半导体器件的集成电路的基本材料。 光伏行业也大量使用单晶硅来生产传统的单晶硅太阳能电池。 近乎完美的晶体结构为硅带来了最高的光电转换效率。

高纯度半导体级硅（仅百万分之几的杂质）在 1,425 °C（2,597 °F；1,698 K）通常由石英制成的坩埚中熔化。 可以在熔融硅中精确添加硼或磷等掺杂杂质原子，对硅进行掺杂，使其变成具有不同电子特性的p型或n型硅。 将精确定向的棒装晶种浸入熔融硅中。 籽晶的杆被慢慢向上拉，同时旋转。 通过精确控制温度梯度、提拉速率和旋转速度，可以从熔体中提取大的单晶圆柱锭。 通过调查和可视化晶体生长过程中的温度和速度场，可以避免熔体中出现不必要的不稳定。 该过程通常在惰性气氛（例如氩气）中在惰性室（例如石英）中进行。

由于规模效率，半导体行业通常使用具有标准化尺寸或通用晶圆规格的晶圆。 早期，球体很小，只有几厘米宽。 凭借先进的技术，高端设备制造商使用直径为 200 毫米和 300 毫米的晶圆。 通过精确控制温度、旋转速度和种子支架的抽出速度来控制宽度。 用于切割晶圆的晶锭最长可达 2 米，重达数百公斤。 更大的晶圆可以提高制造效率，因为每个晶圆上可以制造更多的芯片，相对损耗更低，因此一直有增加硅晶圆尺寸的稳定动力。 下一步是 450 毫米，目前计划于 2018 年推出。硅晶圆的厚度通常约为 0.2-0.75 毫米，可以抛光至非常平坦以制造集成电路或制造太阳能电池。

当腔室被加热到大约 1500 摄氏度，硅熔化时，这个过程就开始了。 当硅完全熔化时，安装在旋转轴末端的小晶种会缓慢下降，直到它刚好浸入熔融硅的表面下方。

轴逆时针旋转，坩埚顺时针旋转。 然后将旋转棒非常缓慢地向上拉——在制造红宝石晶体时，速度约为每小时 25 毫米——从而形成大致圆柱形的晶锭。 晶锭可以是一到两米，具体取决于坩埚中硅的含量。

硅的电气特性是通过在硅熔化之前向硅中添加磷或硼等材料来控制的。 添加的材料称为掺杂剂，该过程称为掺杂。 这种方法也适用于硅以外的半导体材料，例如砷化镓。

当硅通过柴可拉斯基法生长时，熔体包含在二氧化硅（石英）坩埚中。