直拉法晶体生长（Czochralski，硅晶圆）
从熔体中缓慢拉出一根巨大的硅单晶
Czochralski 法（读作“切克劳斯基”）制造出一块巨大的硅单晶：一整块固体，其中每个原子都处在同样完美的晶格里。把一小块籽晶浸入熔融的硅中，再非常缓慢地向上提拉，硅就凝固在它上面。这些晶体切成称为晶圆的薄片后，就是几乎所有计算机芯片和许多太阳能电池的基础。
工作原理
熔化硅。 超高纯度的硅块在石英坩埚（耐热的碗）中于约 1,420 °C 熔化。同时加入定量的少许硼或磷（掺杂剂，决定硅如何导电），并用氩气把空气挡在熔体之外。
浸入籽晶。 一小块籽晶，切割时使其原子晶格指向选定的方向，被放低到刚好接触熔体。硅原子凝固在它上面，并复制它的晶格。
拉出细颈。 籽晶先快速向上提拉，形成只有几毫米宽的细颈。缺陷（位错，即原子晶格中的瑕疵）会顺着细颈长出去，而不会扩散进晶体。
生长肩部和等径部分。 拉速减慢，晶体扩宽成一个锥形（肩部），然后以完整直径生长，通常为 200 或 300 mm。籽晶和坩埚反向旋转，使熔体均匀，晶体以大约每分钟一毫米的速度上升。
收尾并冷却。 最后，直径收窄成锥形，使晶体离开熔体时不受热冲击（会损伤其晶格的骤然温度变化）。完成的晶体称为晶锭，被提起并缓慢冷却。
磨圆并切片。 晶锭被磨成精确的圆柱，并开一个缺口标记晶体方向。用金刚石涂层的线把它切成厚度不到 1 mm 的晶圆，再抛光到镜面。
关键数据
- 材料
- 主要是硅；也有锗和一些用于激光与光学的氧化物晶体
- 典型零件
- 圆柱形晶锭（也叫晶棒），切成晶圆
- 零件尺寸
- 直径通常 200–300 mm，长度最长约 2 m，重达几百公斤
- 精度
- 一个连续的、没有位错的原子晶格；研磨前直径控制在约一毫米之内；成品晶圆平整度约一微米（千分之一毫米）
- 表面质量
- 生长态：闪亮的金属灰色，沿长度方向有淡淡的棱纹；成品晶圆经镜面抛光
- 适合的批量
- 大规模生产：每台拉晶机一次长一根晶锭，昼夜不停
- 模具与设备成本
- 一台拉晶机价格约一百万美元量级；石英坩埚是耗材，用一根或几根晶锭后就要更换
- 速度
- 晶体每分钟约长 1 mm，所以一根晶锭要一天或更久
优点与局限
优点
- 巨大、近乎完美的单晶
- 精确的掺杂决定电学特性
- 工艺成熟、高度自动化，晶圆最大可达 300 mm
- 芯片和许多太阳能电池的标准起点
局限
- 石英坩埚中的氧会溶入硅中
- 慢：一根晶锭可能要几天
- 能耗很大，还要消耗坩埚
- 掺杂浓度从晶锭的一端到另一端会有漂移
应用领域
- 电子处理器和存储芯片，做在 300 mm 晶圆上
- 太阳能单晶太阳能电池
- 功率电子充电器、汽车和列车中的功率晶体管和二极管
- 传感器与 MEMS（蚀刻在硅上的微型机器）手机摄像头图像传感器、运动传感器（加速度计）
- 光学与激光用于红外光学的锗，Nd:YAG 等激光晶体
如何识别
- 大多数时候你看不到。 晶体最终隐藏在每颗芯片里：从晶圆上切下的一小块方片，封在手机或笔记本电脑电路板上的黑色封装中。
- 太阳能电池板。 单晶电池看起来颜色均匀深暗，没有碎片状的花纹，而且常常有略微切掉的角：它们是从圆形晶锭上切成方形的。
- 裸晶圆。 一片镜面般的灰色圆盘，边缘通常有一个小缺口或平边，标记晶体方向。
- 整根晶锭，在工厂照片或博物馆里，看起来像巨大的灰色子弹，表面有淡淡的直棱纹，显示出晶体内部的晶格。
对比
观看
Linton Crystal Technologies · 籽晶接触、缩颈和拉晶，在拉晶机内部的动画
Intel · 晶锭在从沙子到成品芯片的路径中处于什么位置
Linton Crystal Technologies · 工厂里真实的拉晶机和成品晶锭
Linton Crystal Technologies · 晶锭如何被切成晶圆
查看实拍照片
- 维基百科：直拉法 — 工艺示意图和硅晶锭的照片
- 维基共享资源图片搜索
记住
- 从熔融硅中缓慢拉出的籽晶，长成一根长达约 2 m 的完美单晶。
- 细颈、缓慢提拉、反向旋转和氩气，使这根晶体保持完美而洁净。
- 几乎每颗芯片和许多太阳能电池，都始于这样一根晶锭的切片。
