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藍寶石生長柴氏拉晶法

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柴氏拉晶法(Czochralski method) 簡稱CZ法。從熔體中提拉生長晶體的方法為Czochralski于1918年,自1964年Poladino和Rotter首先應用到藍寶石單晶的生長中,成功生長出質量較高的藍寶石晶體,晶體生長示意圖如圖11所示。先將原料加熱至熔點后熔溫度差而形成過冷。于是熔湯開始在晶種表面凝固并生長和晶種相同晶體結構的單晶。晶種同時以極緩慢的速度往上拉升,并伴隨以一定的轉速旋轉,隨著晶種的向上拉升,熔湯逐漸凝固于晶種的液固界面上,進而形成一軸對稱的單晶晶棒。每個部份都有其用意,生長晶頸主要是用來消除差排。因為長晶過程復雜,差排產生量不易支配,所以大部分的晶體生長過程,都以消除差排為主要選擇。長完晶頸后,需放慢拉升速度,使晶體直徑增大到所需的尺寸,此步驟為晶冠生長。當晶體直徑增大到所需尺寸時,就以等速的速度來拉升,此部分的晶體直徑是固定的,也就是晶身部分。此部分就是要作為工業用基板材料的部份,所以生長時,需格外小心。當晶身長完時,就要使晶棒離開熔湯,此時拉升的速度會變快,使晶棒的直徑縮小,直到變成點狀時,再從熔湯中分開。此步驟為晶尾生長,其目的是要避免晶棒與熔湯快速分離時,所產生的熱應力,若在分離時產生熱應力,此熱應力將使晶棒產生差排及滑移線等問題。在現在的半導體產業中,CZ法是常見到的晶體生長法,由于能生長出較大直徑之晶體,所以大約85%的半導體產業都使用CZ法來生長單晶棒。


該方法主要特點: 


1)在晶體生長過程中,可以方便的觀察晶體的生長情況;


2) 晶體在自由液面生長,不受坩堝的強制作用,可降低晶體的應力;  


3) 可以方便的使用所需取向籽晶和“縮頸”工藝,有助于以比較快的速率生長較高質量的晶體,晶體完整性較好;  


4) 晶體、坩堝轉動引起的強制對流和重力作用引起的自然對流相互作用,使復雜液流作用不可克服,易產生晶體問題;


5) 機械擾動在生長大直徑晶體時容易使晶體產生問題。


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