晶体生长

半导体晶圆是从大块半导体材料切割而来的。那些半导体材料，或叫做晶棒，是从大块的具有多晶结构和未掺杂本征材料生长得来的。把多晶块转变成一个大单晶，给予正确的定向和适量的N型或P型掺杂，叫做晶体生长。
使用三种不同的方法来生长单晶：直拉法、液体掩盖直拉法、区溶法。

直拉法（CZ）

大部分的单晶是通过直拉法生长的（图3.7）。设备有一个石英坩埚，由负载高频波的环绕线圈来加热，或由电流加热器来加热。坩埚装载半导体材料多晶块和少量掺杂物。选择掺杂材料来产生N型或P型材料。开始在1415°C把多晶和搀杂物加热到液体状态，接下来籽晶安置到刚接触到液面（叫做熔融物）。籽晶是具有和所需晶体相同晶向的小晶体，籽晶可由化学气相的技术制造。在实际应用中，它们是一片片以前生长的单晶并重复使用。
当籽晶从熔融物中慢慢上升时，晶体生长开始了。籽晶和熔融物间的表面张力致使一层熔融物的薄膜附着到籽晶上然后冷却。在冷却过程中，在熔化的半导体材料的原子定向到籽晶一样的晶体结构。实际结果是籽晶的定向在生长的晶体中传播。在熔融物中的搀杂原子进入生长的晶体中，生成N型或P型晶体。
为了实现均匀掺杂、完美晶体和直径控制，籽晶和坩埚（伴随着拉速）在整个晶体生长过程中是以相反的方向旋转的。工艺控制需要一套复杂的反馈系统，综合转速、拉速及熔融物温度参数。
拉晶分三段，开始放肩形成一薄层头部，接着是等径生长，最后是收尾。直拉法能够生成几英尺长和直径大到十二英寸或更多的晶体。200毫米晶圆的晶体将会重达450磅，需要花费三天时间生长。



液体掩盖直拉法（LEC）

液体掩盖直拉法2用来生长砷化镓晶体。实质上它和标准的直拉法（CZ）一样，但为砷化镓做了重要改进。由于熔融物里砷的挥发性，改进是必须的。在晶体生长的温度条件下，镓和砷起反应，砷会挥发出来造成不均匀的晶体。
对这个问题有两个解决办法。一个是给单晶炉加压来抑制砷的挥发，另一个是液体掩盖直拉法工艺（图3.9）。液体掩盖直拉法使用一层氧化硼（B2O3）漂浮在熔融物上面来抑制砷的挥发。在这个方法中，单晶炉里需要大约一个大气压。



区熔法

区熔法晶体生长2是在本文中介绍的技术历史上早期发展起来的几种工艺之一，仍然在特殊需要中使用。直拉法的一个缺点是坩埚中的氧进入到晶体中，对于有些器件，高水平的氧是不能接受的。对于这些特殊情况，晶体必须用区熔法技术来生长以获得低氧含量晶体。
区熔法晶体生长（图3.10）需要一根多晶棒和浇铸在模子里的掺杂物。籽晶熔合到棒的一端。夹持器装在单晶炉里。当高频线圈加热多晶棒和籽晶的界面时，多晶到单晶的转变开始了。线圈沿着多晶棒的轴移动，一点点把多晶棒加热到液相点。在每一个熔化的区域，原子排列成末端籽晶的方向。这样整个棒以开始籽晶的定向转变成一个单晶。
区熔法晶体生长不能够象直拉法那样生长大直径的单晶，并且晶体有较高的位错密度，但不需用石英坩埚会生长出低氧含量的高纯晶体。低氧晶体可以使用在高功率的晶闸管和整流器。这两种方法比较如图3.11。