Czochralski metode - Czochralski method

Krystallisering
Grundlæggende
Krystal  · Krystalstruktur  · Nukleation
Begreber
Krystallisation  · Krystalvækst Omkrystallisation  · Seed krystal Protocrystalline  · Single krystal
Metoder og teknologi
Boules Bridgman-Stockbarger Fremgangsmåde Crystal bar proces Czochralski Fremgangsmåde Epitaxy  · Flux Fremgangsmåde Fraktionskrystallisation Fractional frysning Hydrotermisk syntese Kyropoulos Fremgangsmåde Laser-heated piedestal vækst Micro-trækker nedad formningsprocesser i krystalvækst Skull digel Verneuil Fremgangsmåde Zone smeltning
v t e

Den Czochralski metode , også Czochralski teknik eller Czochralski-processen , er en metode til krystalvækst anvendes til opnåelse enkeltkrystaller af halvledere (f.eks silicium , germanium og galliumarsenid ), metaller (fx palladium , platin, sølv, guld), salte og syntetiske smykkesten . Metoden er opkaldt efter den polske videnskabsmand Jan Czochralski , der opfandt metoden i 1915, mens han undersøgte metallers krystallisationshastigheder. Han fandt denne opdagelse ved et uheld: i stedet for at dyppe sin pen i sit blækhus, dyppede han den i smeltet tin og tegnede en tinfilament, som senere viste sig at være en enkelt krystal .

Den vigtigste anvendelse kan være væksten af ​​store cylindriske barrer eller boules af enkeltkrystal silicium, der bruges i elektronikindustrien til fremstilling af halvlederanordninger som integrerede kredsløb . Andre halvledere, såsom galliumarsenid , kan også dyrkes ved denne metode, selvom lavere defektdensiteter i dette tilfælde kan opnås ved hjælp af varianter af Bridgman -Stockbarger -metoden .

Metoden er ikke begrænset til produktion af metal- eller metalloidkrystaller . For eksempel bruges det til fremstilling af krystaller af meget renhed af salte, herunder materiale med kontrolleret isotopisk sammensætning, til brug i partikelfysiske eksperimenter, med stramme kontroller (del pr. Milliard målinger) på forvirrende metalioner og vand absorberet under fremstilling.

Ansøgning

Monokrystallinsk silicium (mono-Si) dyrket ved Czochralski-metoden omtales ofte som monokrystallinsk Czochralski-silicium (Cz-Si). Det er grundmaterialet i produktionen af integrerede kredsløb, der bruges i computere, fjernsyn, mobiltelefoner og alle former for elektronisk udstyr og halvlederudstyr . Monokrystallinsk silicium bruges også i store mængder af den fotovoltaiske industri til produktion af konventionelle mono-Si solceller . Den næsten perfekte krystalstruktur giver den højeste lys-til-elektricitetskonverteringseffektivitet for silicium.

Produktion af Czochralski silicium

Krystal af Czochralski-dyrket silicium

Høj renhed, halvleder -grade silicium (kun få dele pr. Million urenheder) smeltes i en digel ved 1.425 ° C (2.597 ° F; 1.698 K), normalt lavet af kvarts . Dopant urenhedsatomer såsom bor eller fosfor kan tilsættes til det smeltede silicium i præcise mængder for at dope siliciumet og dermed ændre det til p-type eller n-type silicium med forskellige elektroniske egenskaber. En præcist orienteret stangmonteret frøkrystal dyppes i det smeltede silicium. Frøkrystallets stang trækkes langsomt opad og roteres samtidigt. Ved præcist at kontrollere temperaturgradienterne, trækhastigheden og rotationshastigheden er det muligt at ekstrahere en stor, enkeltkrystal, cylindrisk barre fra smelten. Forekomst af uønskede ustabilitet i smelten kan undgås ved at undersøge og visualisere temperatur- og hastighedsfelterne under krystalvækstprocessen. Denne proces udføres normalt i en inert atmosfære, såsom argon , i et inert kammer, såsom kvarts.

Krystal størrelser

Siliciumkrystal vokser med Czochralski -metoden i Raytheon, 1956. Induktionsopvarmningsspolen er synlig, og enden af ​​krystallen dukker lige op fra smelten. Teknikeren måler temperaturen med et optisk pyrometer . Krystallerne produceret af dette tidlige apparat, der blev brugt i et tidligt Si -anlæg, var kun en tomme i diameter.

På grund af effektiviteten af ​​skalaen bruger halvlederindustrien ofte skiver med standardiserede dimensioner eller almindelige skive -specifikationer. Tidligt var boules små, et par cm brede. Med avanceret teknologi bruger high-end enhedsproducenter 200 mm og 300 mm diameter skiver. Bredden styres ved præcis styring af temperatur, omdrejningshastigheder og den hastighed, hvormed frøholderen trækkes tilbage. Krystalstængerne, hvorfra wafers skæres, kan være op til 2 meter lange og veje flere hundrede kilo. Større wafers tillader forbedringer i fremstillingseffektiviteten, da der kan fremstilles flere chips på hver wafer, med lavere relativt tab, så der har været en stabil drivkraft for at øge siliciumplader. Det næste trin op, 450 mm, er i øjeblikket planlagt til introduktion i 2018. Siliciumplader er typisk omkring 0,2–0,75 mm tykke og kan poleres til stor fladhed til fremstilling af integrerede kredsløb eller teksturerede til fremstilling af solceller .

Processen begynder, når kammeret opvarmes til cirka 1500 grader Celsius, hvilket smelter silicium. Når silicium er fuldstændigt smeltet, sænkes en lille frøkrystal, der er monteret på enden af ​​en roterende aksel, langsomt, indtil den dypper lige under overfladen af ​​det smeltede silicium. Akslen roterer mod uret og digelen roterer med uret. Den roterende stang trækkes derefter meget langsomt opad - ca. 25 mm i timen, når der laves en krystal af rubin - hvilket gør det muligt at danne en groft cylindrisk boule. Boule kan være fra en til to meter, afhængigt af mængden af ​​silicium i digelen.

De elektriske egenskaber ved silicium styres ved at tilføre materiale som fosfor eller bor til silicium, før det smeltes. Det tilsatte materiale kaldes doping, og processen kaldes doping. Denne metode bruges også med andre halvledermaterialer end silicium, såsom galliumarsenid.

Indarbejde urenheder

En trækstang med frøkrystal til dyrkning af enkeltkrystal silicium efter Czochralski-metoden

Digler brugt i Czochralski -metoden

Digel efter brug

Når silicium dyrkes med Czochralski -metoden, er smelten indeholdt i en siliciumdioxid ( kvarts ). Under væksten opløses smeltedigelens vægge i smelten, og Czochralski -silicium indeholder derfor ilt ved en typisk koncentration på 10¹⁸
 cm⁻³
. Oxygenforureninger kan have gavnlige eller skadelige virkninger. Omhyggeligt udvalgte hærdningsbetingelser kan give anledning til dannelse af oxygen bundfald . Disse har den virkning, at uønskede overgangsmetal urenheder fanges i en proces kendt som gettering , hvilket forbedrer renheden af ​​omgivende silicium. Dog dannes oxygen præcipitater kan på utilsigtede steder også ødelægge elektriske strukturer. Derudover kan iltforureninger forbedre den mekaniske styrke af siliciumplader ved at immobilisere eventuelle dislokationer, der kan indføres under enhedsbehandling. Det blev eksperimentelt vist i 1990'erne, at den høje koncentration oxygen er også gavnligt for stråling hårdhed af silicium partikeldetektorer anvendes i barske stråling miljø (såsom CERN 's LHC / HL-LHC projekter). Derfor anses strålingsdetektorer fremstillet af Czochralski- og magnetisk Czochralski-silicium for at være lovende kandidater til mange fremtidige højenergifysikforsøg . Det er også blevet vist, at tilstedeværelsen af ​​ilt i silicium øger fældning af urenheder under glødningsprocesser efter implantation.

Imidlertid kan iltforureninger reagere med bor i et oplyst miljø, som solceller oplever. Dette resulterer i dannelsen af ​​et elektrisk aktivt bor -oxygen -kompleks, der forringer celleydelsen. Modulets output falder med cirka 3% i løbet af de første timer med lyseksponering.

Matematisk form

Med hensyn til et matematisk udtryk for inkorporering af urenhed fra smelte, overvej følgende.

Den urenhedskoncentration i den faste krystal, der skyldes frysning af en mængde volumen, kan opnås ved at tage hensyn til segregeringskoefficienten.

${\ displaystyle k_ {O}}$: Separationskoefficient

${\ displaystyle V_ {0}}$: Indledende lydstyrke

${\ displaystyle I_ {0}}$: Antal urenheder

${\ displaystyle C_ {0}}$: Urenhedskoncentration i smelten

${\ displaystyle V_ {L}}$: Smeltevolumen

${\ displaystyle I_ {L}}$: Antal urenheder i smelten

${\ displaystyle C_ {L}}$: Koncentration af urenheder i smelten

${\ displaystyle V_ {S}}$: Volumen af ​​fast stof

${\ displaystyle C_ {S}}$: Koncentration af urenheder i det faste stof

Under vækstprocessen fryser mængden af ​​smelte , og der er urenheder fra smelten, der fjernes. ${\ displaystyle dV}$

${\ displaystyle dI = -k_ {O} C_ {L} dV \;}$

${\ displaystyle dI = -k_ {O} {\ frac {I_ {L}} {V_ {O} -V_ {S}}} dV}$

${\ displaystyle \ int _ {I_ {O}}^{I_ {L}} {\ frac {dI} {I_ {L}}} =-k_ {O} \ int _ {0}^{V_ {S} } {\ frac {dV} {V_ {O} -V_ {S}}}}$

${\ displaystyle \ ln \ venstre ({\ frac {I_ {L}} {I_ {O}}} \ højre) = \ ln \ venstre (1-{\ frac {V_ {S}} {V_ {O}} } \ højre)^{k_ {O}}}$

${\ displaystyle I_ {L} = I_ {O} \ venstre (1-{\ frac {V_ {S}} {V_ {O}}} \ højre)^{k_ {O}}}$

${\ displaystyle C_ {S} =-{\ frac {dI_ {L}} {dV_ {S}}}}$

${\ displaystyle C_ {S} = C_ {O} k_ ​​{O} (1-f)^{k_ {o} -1}}$

${\ displaystyle f = V_ {S}/V_ {O} \;}$

Se også

• Float-zone silicium

Referencer

eksterne links

• Czochralski dopingproces
• Silicon Wafer Processing Animation på YouTube