**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**（英語：），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
-------

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。上述过程通常在惰性气体（例如氩）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
-----

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。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"，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。

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。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。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。

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。

### 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。

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
----

1. ↑  J. Aleksic et al. Ann. of NY Academy of Sci. 972 (2002) 158.
2. ↑ . Physorg.com. 2008-05-06  [2011-12-06]. （原始内容存档于2011-06-06）.
3. ↑ . Bbc.co.uk. 2003-01-30  [2011-12-06]. （原始内容存档于2010-11-26）.
4. ↑  Li, Z.; Kraner, H.W.; Verbitskaya, E.; Eremin, V.; Ivanov, A.; Rattaggi, M.; Rancoita, P.G.; Rubinelli, F.A.; Fonash, S.J.. IEEE Transactions on Nuclear Science. 1992, **39** (6): 1730. Bibcode:1992ITNS...39.1730L. doi:10.1109/23.211360.
5. ↑  Lindström, G.. 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; Pirojenko, A.. 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.. Journal of Applied Physics. 1994, **75** (6): 2809. Bibcode:1994JAP....75.2809C. doi:10.1063/1.356173.
9. ↑  Eikelboom, J.A. Jansen, M.J.  (PDF). Report ECN-C-00-067, 18. 2000  [2012-03-31]. （原始内容 (PDF)存档于2012-04-24）.
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
----

* （英语：）
* 坩堝下降法
* 雷射加熱基座生長法
* 微下拉法
*

外部链接
----

* Two growth techniques for mono-crystalline silicon, Czochralski vs Float Zone （页面存档备份，存于）
* Czochralski doping process （页面存档备份，存于）
* YouTube上的Silicon Wafer Processing Animation

|  |  |
| --- | --- |
|  | 维基共享资源中相关的多媒体资源：**柴可拉斯基法** |