метод Чохральского

Кристаллизация
Основы
Кристалл Кристаллическая структура Нуклеация
Концепции
Кристаллизация Рост кристаллов Рекристаллизация Затравочный кристалл Протокристаллический Монокристалл
Методы и технология
Шары Метод Бриджмена – Стокбарджера Процесс Ван Аркеля – де Бура метод Чохральского Эпитаксия Флюсовый метод Фракционная кристаллизация Фракционное замораживание Гидротермальный синтез Метод Киропулоса Рост пьедестала с лазерным нагревом Микровытягивание вниз Процессы формирования при росте кристаллов Тигель черепа Метод Вернейля Зона плавления

Метод Чохральского , также метод Чохральского или процесс Чохральского , представляет собой метод выращивания кристаллов используемый для получения монокристаллов полупроводников , (например, кремния , германия и арсенида галлия ), металлов (например , палладия , платины, серебра, золота), солей и синтетических драгоценных камней. . Метод назван в честь польского учёного Яна Чохральского . который изобрел этот метод в 1915 году, исследуя скорость кристаллизации металлов. Это открытие он сделал случайно: вместо того, чтобы обмакнуть перо в чернильницу, он окунул его в расплавленное олово и нарисовал оловянную нить, которая впоследствии оказалась монокристаллом . Этот метод до сих пор используется более чем в 90 процентах всей электроники в мире, в которой используются полупроводники.

Наиболее важным применением может стать выращивание больших цилиндрических слитков или булей , монокристаллического кремния используемых в электронной промышленности для изготовления полупроводниковых устройств, таких как интегральные схемы . Другие полупроводники, например арсенид галлия , также можно выращивать этим методом, хотя меньшие плотности дефектов в этом случае можно получить, используя варианты метода Бриджмена-Стокбаргера .

Способ не ограничивается получением кристаллов металлов или металлоидов . Например, он используется для производства кристаллов солей очень высокой чистоты, включая материалы с контролируемым изотопным составом, для использования в экспериментах по физике элементарных частиц со строгим контролем (части на миллиард измерений) смешивания ионов металлов и воды, абсорбированной во время производства.

Приложение

Монокристаллический кремний (моно-Si), выращенный методом Чохральского, часто называют монокристаллическим кремнием Чохральского (Cz-Si). Это основной материал при производстве интегральных схем, используемых в компьютерах, телевизорах, мобильных телефонах и всех видах электронного оборудования и полупроводниковых приборов . Монокристаллический кремний также в больших количествах используется в фотоэлектрической промышленности для производства обычных моно-кремниевых солнечных элементов . Почти идеальная кристаллическая структура обеспечивает высочайшую эффективность преобразования света в электричество для кремния.

Производство кремния Чохральского

Кристалл кремния, выращенного Чохральским.

качества высокой чистоты Кремний полупроводникового (всего несколько частей на миллион примесей) плавится в тигле при температуре 1425 ° C (2597 ° F; 1698 К), обычно изготовленном из кварца . Атомы легирующих примесей, такие как бор или фосфор, могут быть добавлены к расплавленному кремнию в точных количествах для легирования кремния, превращая его таким образом в кремний p-типа или n-типа с различными электронными свойствами. Точно ориентированный затравочный кристалл , закрепленный на стержне , погружается в расплавленный кремний. Стержень затравочного кристалла медленно вытягивается вверх и одновременно вращается. Точно контролируя температурные градиенты, скорость вытягивания и скорость вращения, можно извлечь из расплава крупный монокристаллический цилиндрический слиток. Возникновения нежелательных нестабильностей в расплаве можно избежать, исследуя и визуализируя поля температуры и скорости в процессе роста кристаллов. Этот процесс обычно выполняется в инертной атмосфере, например аргоне , в инертной камере, например кварцевой.

Размеры кристаллов

Кристалл кремния выращивается методом Чохральского в компании Raytheon, 1956 год. Видна катушка индукционного нагрева , а конец кристалла только выходит из расплава. Техник измеряет температуру оптическим пирометром . Кристаллы, полученные с помощью этого раннего устройства, использовавшегося на первом заводе по производству кремния, имели диаметр всего один дюйм.

Из-за эффективности масштаба полупроводниковая промышленность часто использует пластины стандартизированных размеров или общих спецификаций пластин . Раньше були были маленькими, шириной несколько сантиметров. Благодаря передовым технологиям производители высококачественных устройств используют пластины диаметром 200 и 300 мм. Ширина контролируется путем точного контроля температуры, скорости вращения и скорости выдвижения семенного держателя. Хрустальные слитки, из которых нарезают вафли, могут иметь длину до 2 метров и весить несколько сотен килограммов. Пластины большего размера позволяют повысить эффективность производства, поскольку на каждой пластине можно изготовить больше чипов с меньшими относительными потерями, поэтому наблюдается устойчивое стремление к увеличению размеров кремниевых пластин. Следующую ступеньку, 450 мм, планировалось ввести в 2018 году. Кремниевые пластины обычно имеют толщину около 0,2–0,75 мм и могут быть отполированы до идеальной плоскостности для изготовления интегральных схем или текстурированы для изготовления солнечных элементов .

Включение примесей

Стержень с затравочным кристаллом для выращивания монокристаллического кремния методом Чохральского

Тигли, используемые по методу Чохральского.

Тигель после использования

выращивании кремния методом Чохральского расплав содержится в кварцевом тигле При . Во время роста стенки тигля растворяются в расплаве, поэтому кремний Чохральского содержит кислород в типичной концентрации 10 ¹⁸
см ⁻³
. Примеси кислорода могут оказывать как благотворное, так и вредное воздействие. Тщательно выбранные условия отжига могут привести к образованию преципитатов кислорода . Они позволяют улавливать нежелательные примеси переходных металлов в процессе, известном как геттерирование , улучшая чистоту окружающего кремния. Однако образование осадков кислорода в непредусмотренных местах также может разрушить электрические конструкции. Кроме того, примеси кислорода могут улучшить механическую прочность кремниевых пластин за счет иммобилизации любых дислокаций , которые могут возникнуть во время обработки устройства. В 1990-х годах экспериментально было показано, что высокая концентрация кислорода также положительно влияет на радиационную стойкость детекторов кремниевых частиц, используемых в суровых радиационных условиях (например, проекты CERN LHC ) / HL-LHC . Поэтому детекторы излучения из кремния Чохральского и магнитного кремния Чохральского считаются перспективными кандидатами для многих будущих экспериментов по физике высоких энергий . Также было показано, что присутствие кислорода в кремнии увеличивает улавливание примесей во время процессов постимплантационного отжига.

Однако примеси кислорода могут реагировать с бором в освещенной среде, например, в солнечных элементах. Это приводит к образованию электрически активного бор-кислородного комплекса, который снижает работоспособность клеток. Выходная мощность модуля падает примерно на 3% в течение первых нескольких часов воздействия света.

Математическая форма

Что касается математического выражения включения примесей из расплава, учтите следующее.

Концентрацию примеси в твердом кристалле, возникающую в результате замораживания некоторого объема, можно получить из рассмотрения коэффициента сегрегации.

$k_{O}$: Коэффициент сегрегации

$V_{0}$: Начальная громкость

$I_{0}$: Количество примесей

$C_{0}$: Концентрация примесей в расплаве

$V_{L}$: Объем расплава

$I_{L}$: Количество примесей в расплаве

$C_{L}$: Концентрация примесей в расплаве

$V_{S}$: Объем твердого вещества

$C_{S}$: Концентрация примесей в твердом веществе

В процессе роста объем расплава $dV$ замерзает, а из расплава остаются примеси, которые удаляются.

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

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

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

$\ln \left({\frac {I_{L}}{I_{O}}}\right)=\ln \left(1-{\frac {V_{S}}{V_{O}}}\right)^{k_{O}}$

$I_{L}=I_{O}\left(1-{\frac {V_{S}}{V_{O}}}\right)^{k_{O}}$

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

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

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

См. также

• Кремний с плавающей зоной

Внешние ссылки

• Допинговый процесс Чохральского
• Анимация обработки кремниевых пластин на YouTube