蓝宝石生长柴氏拉晶法

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柴氏拉晶法(Czochralski method) 简称CZ法。从熔体中提拉生长晶体的方法为Czochralski于1918年,自1964年Poladino和Rotter首先应用到蓝宝石单晶的生长中,成功生长出质量较高的蓝宝石晶体,晶体生长示意图如图11所示。先将原料加热至熔点后熔温度差而形成过冷。于是熔汤开始在晶种表面凝固并生长和晶种相同晶体结构的单晶。晶种同时以极缓慢的速度往上拉升,并伴随以一定的转速旋转,随着晶种的向上拉升,熔汤逐渐凝固于晶种的液固界面上,进而形成一轴对称的单晶晶棒。每个部份都有其用意,生长晶颈主要是用来消除差排。因为长晶过程复杂,差排产生量不易支配,所以大部分的晶体生长过程,都以消除差排为主要选择。长完晶颈后,需放慢拉升速度,使晶体直径增大到所需的尺寸,此步骤为晶冠生长。当晶体直径增大到所需尺寸时,就以等速的速度来拉升,此部分的晶体直径是固定的,也就是晶身部分。此部分就是要作为工业用基板材料的部份,所以生长时,需格外小心。当晶身长完时,就要使晶棒离开熔汤,此时拉升的速度会变快,使晶棒的直径缩小,直到变成点状时,再从熔汤中分开。此步骤为晶尾生长,其目的是要避免晶棒与熔汤快速分离时,所产生的热应力,若在分离时产生热应力,此热应力将使晶棒产生差排及滑移线等问题。在现在的半导体产业中,CZ法是常见到的晶体生长法,由于能生长出较大直径之晶体,所以大约85%的半导体产业都使用CZ法来生长单晶棒。

该方法主要特点: 

1)在晶体生长过程中,可以方便的观察晶体的生长情况;

2) 晶体在自由液面生长,不受坩埚的强制作用,可降低晶体的应力;  

3) 可以方便的使用所需取向籽晶和“缩颈”工艺,有助于以比较快的速率生长较高质量的晶体,晶体完整性较好;  

4) 晶体、坩埚转动引起的强制对流和重力作用引起的自然对流相互作用,使复杂液流作用不可克服,易产生晶体问题;

5) 机械扰动在生长大直径晶体时容易使晶体产生问题。

2019年8月8日 10:52
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