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Cz法

直拉单晶制造法

直拉单晶制造法（Czochralski，CZ法）是把原料多晶硅块放入石英坩埚中，在单晶炉中加热融化 ，再将一根直径只有10mm的棒状晶种（称籽晶）浸入融液中。

产品概括
在合适的温度下，融液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。把晶种微微的旋转向上提升，融液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构。若整个结晶环境稳定，就可以周而复始的形成结晶，最后形成一根圆柱形的原子排列整齐的硅单晶晶体，即硅单晶锭。当结晶加快时，晶体直径会变粗，提高升速可以使直径变细，增加温度能抑制结晶速度。反之，若结晶变慢，直径变细，则通过降低拉速和降温去控制。拉晶开始，先引出一定长度，直径为3～5mm的细颈，以消除结晶位错，这个过程叫做引晶。然后放大单晶体直径至工艺要求，进入等径阶段，直至大部分硅融液都结晶成单晶锭，只剩下少量剩料。
控制直径，保证晶体等径生长是单晶制造的重要环节。硅的熔点约为1450℃，拉晶过程始终保持在高温负压的环境中进行。直径检测必须隔着观察窗在单晶炉体外部非接触式实现。拉晶过程中，固态晶体与液态融液的交界处会形成一个明亮的光环，亮度很高，称为光圈。它其实是固液交界面处的弯月面对坩埚壁亮光的反射。当晶体变粗时，光圈直径变大，反之则变小。通过对光圈直径变化的检测，可以反映出单晶直径的变化情况。自动直径检测就是基于这个原理发展起来的。
机械结构
直拉硅单晶炉机械部分主要由底座及立柱，增竭传动部件，主炉室，副炉室，籽晶旋转及升降部件，主副炉室液压升降部件，真空及充气系统等组成。
产品优点
主要有以下几个方面：
（1）可以方便地观察晶体生长过程；
（2）晶体在熔体的自由表面处生长,而不与坩锅接触,可以减少热应力；
（3）可以方便地使用定向籽晶和籽晶细颈工艺以减小晶体中的缺陷,得到所需取向的晶体；
（4）较快的生长速度和较短的生长周期。
直拉法是生产lC电路所用硅片的常用方法。熔硅放在石英增竭里面,因为石英导致氧进入熔硅，因而单晶硅有高的氧含量。直拉法又分为非磁场拉晶法和磁场拉晶法。
重要参数
晶体生长温度，最大生长速度，熔体中的对流，晶体旋转， 生长界面形状(固液界面)及液体覆盖直拉技术。
生长过程
如比利时的FEMAG，俄罗斯的CGSIM，德国的CrysMas。
一般过程如下：
几何建模：创建一个代表炉膛几何形状的数学模型；
网格生成：分解每个域(即一个单晶炉部件)成碎片(即三角形)。其中每一个近似的结果都是计算出来的，把每个局部的近似解汇集，从而获得全局近似解。
介绍晶体生长工艺参数：晶体生长技术工艺知识是成功地解决晶体生长模拟和晶体生长实验两方面不可缺少;
计算机计算：求解晶体生长过程中的热力学模型方程。这涉及到一个反复的过程,这取决于输入参数，其结果有可能快速收敛。有可能收敛速度很慢，也有可能不会收敛。
分析模拟结果：分析数值模拟结果。
其中，FEMAG软件有专业的用于直拉法的模块：FEMAG/CZ，在直拉法仿真方面具有如下的优点：
1、热传递分析：综合考虑炉内的辐射和传导、熔体对流和炉内气体流量分析
2、热应力分析：晶体位错的产生与晶体生长过程中热应力的变化有着密切的关系。该软件可以静心三维的非轴对称和各向异性温度场应力分析计算，可以提出对晶体总的剪切力预估。“位错”的产生是由于晶体生长过程中，热剪应力超越临界水平而导致的塑性变形。
3、点缺陷预报：该软件可以预知在晶体生长过程中的点缺陷（自裂缝和空缺），该仿真可以很好的预测在晶体生长过冲中点缺陷的分布。
4、动态仿真：动态仿真提供了复杂几何形状对于时间演变的预测。该预测把发生在晶体生长和冷却过程中所有瞬时的影响因素都考虑在内。为了准确地预报晶体点缺陷和氧分，动态仿真尤其是不可或缺的。
5、固液界面跟踪：在拉晶的过程中准确预测固液界面同样是一个关键问题。对于不同的坩埚旋转速度和不同的提拉高度，其固液界面是不同的。
6、加热器功率预测：利用软件动态仿真反算加热功率对于生长合格晶体也是非常必要的。
7、绘制温度梯度：通过仿真，固液交界面的温度梯度可以很方便的计算出来。这一结果对于理论缺陷的预报是非常有用的。
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