Single-Crystal Silisyòm: Kwasans ak pwopriyete - Konesans

Sous:https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-48933-9_13

CZ MCZ Single crystal

Silisyòm, ki te epi yo pral kontinye yo dwe materyèl la dominan nan endistri a semi-conducteurs pou kèk tan ap vini yo [13.1], pral pote nou nan epòk la entegrasyon ultra-gwo-echèl (ULSI) ak sistèm-ona-chip (SOC) epòk la.

Kòm aparèy elektwonik yo te vin pi avanse, pèfòmans aparèy te vin pi sansib a bon jan kalite a ak pwopriyete yo nan materyèl yo itilize yo konstwi yo.

Germanium (Ge) te orijinèlman itilize kòm materyèl asemikondiktè pou aparèy solid eta elektwonik. Sepandan, bandgap etwat la (0.66 eV) nan Ge limite operasyon an nan aparèy germanium ki baze sou a tanperati ki nan apeprè 90∘C paske nan kouran yo flit konsiderab obsève nan tanperati ki pi wo. Bandgap la pi laj nan Silisyòm (1.12 eV), nan lòt men an, rezilta nan aparèy elektwonik ki kapab opere nan jiska $\approx 200^{\circ} C$ . Sepandan, gen yon pwoblèm ki pi grav pase bandgap etwat la: germanium pa fasilman bay kouch pasivasyon ki estab sou sifas la. Pou egzanp, diyoksid jèrmanyom (GeO2) se dlo-idrosolubl ak disosye nan apeprè 800∘C. Silisyòm, kontrèman ak jèrmanyom, fasilman akomode pasivasyon sifas pa fòme diyoksid Silisyòm (SiO2), ki bay yon wo degre de pwoteksyon nan aparèy la kache. SiO ki estab2kouch rezilta nan avantaj adisizif pou Silisyòm sou germanium kòm materyèl debaz semi-conducteurs yo itilize pou fabwikasyon aparèy elektwonik. Avantaj sa a mennen nan yon kantite nouvo teknoloji, ki gen ladan pwosesis pou dopan difizyon ak defini modèl konplike. Lòt avantaj nan Silisyòm yo se ke li se konplètman nontoxic, e ke silica (SiO2), materyèl la anvan tout koreksyon ki soti nan ki Silisyòm jwenn, konprann apeprè 60%nan kontni mineral nan kwout Latè. Sa a implique ke materyèl la anvan tout koreksyon ki soti nan ki Silisyòm jwenn ki disponib nan rezèv abondan nan kous la entegre (IC) endistri. Anplis, Silisyòm elektwonik-klas ka jwenn nan mwens pase yon dizyèm pri a nan germanium. Tout avantaj sa yo te lakòz Silisyòm prèske konplètman ranplase germanium nan endistri semi-conducteurs a.

Malgre ke Silisyòm se pa chwa a pi gwo pou chak aparèy elektwonik, avantaj li yo vle di ke li pral sètènman domine endistri a semi-conducteurs pou kèk tan ankò.

13.1Apèsi sou lekòl la

Trè entèraksyon anpil pitit pitit ki te fèt ant itilizatè yo ak manifaktirè yo nan materyèl semi-conducteurs depi envansyon nan tranzistò nan pwen-kontak nan 1947, lè nesesite poupafè ak pikristal te rekonèt. Konpetisyon an te souvan tankou ke bon jan kalite a kristal mande pa nouvo aparèy ta ka sèlman satisfè pa kontwole kwasans kristal lè l sèvi avèk ekipman elektwonik bati ak aparèy sa yo nouvo. Depi deplasman-gratis kristal Silisyòm yo te grandi osi bonè ke ane 1960 yo lè l sèvi avèk laTeknik priz[13.2], Semiconductor rechèch materyèl ak efò devlopman yo te konsantre sou pite materyèl, pwodiksyon an pwodiksyon, ak pwoblèm ki gen rapò ak fabrike aparèy.

Aparèy semi-conducteurs ak sikwi yo fabrike lè l sèvi avèk gran varyete pwosesis mekanik, chimik, fizik ak tèmik. Dyagram aflow pou pwosesis preparasyon tipik semiconductor Silisyòm yo montre nan Fig.13.1. Preparasyon an nan Silisyòm sèl-kristal substrats ak sifas mekanikman ak chimik poli se premye etap la nan pwosesis la long ak konplèks nan fabwikasyon aparèy.

Fig. 13.1 — Figi 13.1
Dyagram koule pou pwosesis preparasyon tipik semi-conducteurs Silisyòm. (Aprè [13.1])

Jan yo note sa pi wo a, Silisyòm se dezyèm eleman ki pi abondan sou Latè; plis pase 90%nan kwout Latè a konpoze de silica ak silikat. Bay rezèv sa a san limit nan matyè premyè, pwoblèm nan se Lè sa a, transfòme Silisyòm nan eta a ka itilize pa teknoloji a semi-conducteurs. Premye ak prensipal kondisyon an se ke Silisyòm yo itilize pou aparèy elektwonik yo dwe trè pi, depi anpil ti kantite kèk enpurte gen gwo enfliyans sou karakteristik elektwonik Silisyòm yo, ak Se poutèt sa pèfòmans nan aparèy elektwonik la. Dezyèm kondisyon an se pou gwo-dyamèt kristal, depi sede chip la pou chak plat ogmante anpil ak pi gwo dyamèt, jan yo montre nan Fig.13.2pou ka DRAM [13.3], youn nan aparèy elektwonik ki pi komen yo. Anplis pite a ak dyamèt la, pri a nan pwodiksyon ak espesifikasyon yo nan materyèl la, ki gen ladan dansite la grandi-an domaj ak omojèn nan reziste, yo dwe satisfè demand aktyèl endistriyèl yo.

Fig. 13.2 — Figi 13.2
Chips pou chak wafer kòm fonksyon nan jenerasyon DRAM. (Aprè [13.3])

Nan chapit sa a, apwòch aktyèl yo nan preparasyon an nan Silisyòm– konvèti materyèl la anvan tout koreksyon nan Silisyòm sèl-cristalline (al gade Fig.13.1) - yo diskite.

13.2Kòmanse Materyèl

13.2.1Silisyòm metalurji

Materyèl la kòmanse pou segondè-pite Silisyòm kristal sèl se silica (SiO2). Premye etap la nan envantè Silisyòm se k ap fonn ak rediksyon nan silica. Sa a se akonpli pa melanje silica ak kabòn nan fòm lan nan chabon, coke oswa bato bwa ak chofaj melanj lan nan tanperati ki wo nan founo arc electrode mergmerged. Sa a rediksyon carbothermic nan silica pwodui Silisyòm kole

S i O_{2} + 2C \to Si + 2CO .

(13.1) Seri reyaksyon konplèks aktyèlman rive nan gwo fou a nan tanperati ki soti nan 1500 a 2000∘C. Boul yo nan Silisyòm jwenn nan pwosesis sa a yo rele metaliji-klas Silisyòm (MG-Si), ak pite li se sou 98-99%.

13.2.2Silisyòm polikristalin

Konpoze chimik entèmedyè

Pwochen etap la se pirifye MG-Si nan nivo a nan semi-conducteurs-klas Silisyòm (SG-Si), ki te itilize kòm materyèl la kòmanse pou Silisyòm sèl-cristalline. Konsèp debaz la se poud MG-Si reyaji avèk HCl anidrid pou fòme divès kalite konpoze klorosilan nan raktor kabann afluidize. Lè sa a, silan yo pirifye pa distilasyon ak depo vapè chimik (CVD) yo fòme SG-polysilicon.

Yo te konsidere yon kantite konpoze chimik entèmedyè, tankou monosilane (SiH4), Silisyòm tetraklorid (SiCl4), triklorosilan (SiHCl3) ak dichlorosilane (SiH2Cl2). Pami sa yo, trichlorosilane se pi souvan itilize pou depozisyon polisilikon ki vin apre pou rezon sa yo:

1.
Li ka fasilman fòme pa reyaksyon an nan klori idwojèn anidrid ak MG-Si nan tanperati ki rezonab ki ba (200-400∘C).
2.
Li se likid nan tanperati chanm, se konsa pirifikasyon ka akonpli lè l sèvi avèk teknik distilasyon estanda.
3.
Li fasil pou okipe epi li ka estoke nan tank asye kabòn lè li sèk.
4.
Likid trichlorosilane se fasil vaporize, epi, lè melanje ak idwojèn, li ka transpòte nan liy asye.
5.
Li ka redwi nan presyon atmosferik nan prezans idwojèn.
6.
Depozisyon li yo ka pran plas sou Silisyòm chofe, elimine bezwen an pou kontak ak nenpòt ki sifas etranje ki ka kontamine Silisyòm nan ki kapab lakòz.
7.
Li reyaji nan tanperati ki pi ba (1000–1200∘C) ak nan pi vit pousantaj pase tetraklorid Silisyòm.

Hydrochlorination nan Silisyòm

Trichlorosilane se sentèz pa chofaj an poud MG-Si nan anviwon 300∘C nan reyaktè afluidize-kabann. Sa vle di, MG-Si konvèti nan SiHCl3selon reyaksyon sa a

Si + 3HCl \to S i H C l_{3} + H_{2} .

(13.2) Reyaksyon an trè ègzotèrmik e konsa chalè yo dwe retire yo maksimize sede a nan triklorosilane. Pandan y ap konvèti MG-Si nan SiHCl3, enpurte divès kalite tankou Fe, Al, ak B yo retire pa konvèti yo nan halogen yo (FeCl3, AlCl3, ak BCl3, respektivman), ak byproducts tankou SiCl4ak H2yo pwodwi tou.

Distilasyon ak dekonpozisyon nan Triklorosilan

Distilasyon te lajman itilize pou pirifye trichlorosilane. Triklorosilan an, ki te gen yon pwen bouyi (31.8.)∘C), se fractionne distile soti nan halid yo enpur, sa ki lakòz anpil ogmante pite, ak yon konsantrasyon enpurte elektrik aktif nan mwens pase 1 ppba. Trichlorosilane a wo-pite Lè sa a, vaporize, dilye ak idwojèn-wo pite, ak prezante nan raktor la depo. Nan raktor la, branch Silisyòm mens ki rele branch mens ki sipòte pa elektwòd grafit yo disponib pou depozisyon sifas Silisyòm selon reyaksyon an.

S i H C l_{3} + H_{2} \to Si + 3HCl .

(13.3) Anplis reyaksyon sa a, reyaksyon sa a fèt tou pandan depozisyon polysilicon, sa ki lakòz fòmasyon tetraklorid Silisyòm (pi gwo pwodui nan pwosesis la)

HCl + S i H C l_{3} \to S i C l_{4} + H_{2} .

(13.4) Tetraklorid Silisyòm sa a itilize pou pwodwi kwats ki gen anpil pite, pa egzanp.

Evidamman di, pite a nan branch yo mens dwe konparab ak sa yo ki an Silisyòm la depoze. Baton yo mens yo prechofe a apeprè 400∘C nan kòmansman pwosesis CVD Silisyòm lan. Sa a se prechofe yo mande yo nan lòd yo ogmante konduktiviti nan segondè-pite (segondè-rezistans) branch mens ase pou pèmèt pou chofaj reziste. Depoze pou 200-300 h nan alantou 1100∘C rezilta nan wo-pite baton polysilicon nan 150-200 mm an dyamèt. Baton polysilikon yo gen fòm nan divès fòm pou pwosesis kwasans kristal ki vin apre yo, tankou moso pou kwasans fonn Czochralski ak long baton silendrik pou kwasans flote-zòn. Pwosesis la pou diminye trichlorosilane sou baton Silisyòm aheated lè l sèvi avèk idwojèn te dekri nan fen ane 1950 yo ak nan kòmansman ane 1960 yo nan kèk nan patant pwosesis asiyen nan Siemens; Se poutèt sa, pwosesis sa a yo rele souvanSiemens metòd[13.4].

Dezavantaj yo pi gwo nan metòd la Siemens yo se Silisyòm pòv li yo ak efikasite konvèsyon klò, relativman ti gwosè pakèt, ak konsomasyon pouvwa segondè. Efikasite konvèsyon pòv yo nan Silisyòm ak klò yo asosye avèk gwo volim nan tetraklorid Silisyòm ki pwodui kòm byproduct nan pwosesis CVD la. Se sèlman sou 30%nan Silisyòm yo bay la nan reyaksyon an CVD konvèti nan polisilikon-wo pite. Epitou, pri a nan pwodwi segondè-pite polisilikon ka depann sou itilite nan byproduct a, SiCl4.

Monosilane Pwosesis

Apolysilicon pwodiksyon teknoloji ki baze sou pwodiksyon an ak piroliz nan monosilane te etabli nan fen ane 1960 yo. Monosilane potansyèlman ekonomize enèji paske li depoze polysilicon nan tanperati ki pi ba epi li pwodui pi polysilicon pase pwosesis triklorosilane a; sepandan, li te diman te itilize akòz mank nan yon wout ékonomi nan monosilane ak akòz pwoblèm pwosesis nan etap la depo [13.5]. Sepandan, ak devlopman ki sot pase nan wout ékonomi silan-wo pite ak operasyon an siksè nan plant gwo-echèl, teknoloji sa a te atire atansyon a nan endistri a semi-conducteurs, ki mande pou pi wo Silisyòm pite.

Nan pwosesis aktyèl endistriyèl monosilane, mayezyòm ak MG-Si poud yo chofe a 500∘C anba atmosfè idwojèn yo nan lòd yo sentèz mayezyòm silisid (Mg2Si), ki se Lè sa a, te fè nan reyaji avèk klori amonyòm (NH4Cl) nan amonyak likid (NH3) anba a 0∘C yo fòme monosilane (SiH4). High-pite polysilicon se Lè sa a, pwodwi atravè piroliz nan monosilane a sou filaman polysilicon reziste chofe nan 700-800∘C. Nan pwosesis jenerasyon monosilane a, pi fò nan enpurte bor yo retire nan silan atravè reyaksyon chimik ak NH3. Aboron kontni de 0.01-0.02 ppba nan polysilicon te reyalize lè l sèvi avèk pwosesis amonosilane. Konsantrasyon sa a trè ba konpare ak sa yo obsève nan polisilikon ki prepare nan triklorosilan. Anplis, polysilikon ki lakòz la mwens kontamine ak metal ki ranmase nan pwosesis transpò chimik paske dekonpozisyon monosilan pa lakòz okenn pwoblèm korozyon.

Granulaire Depozisyon Polysilicon

Pwosesis endiferan diferan, ki itilize dekonpozisyon monosilane nan reaktè depozisyon afluidize-kabann yo pwodwi gratis-ap koule tankou dlo granules polysilicon, ki te devlope [13.5]. Ti patikil Silisyòm grenn yo fluidize nan amonosilane ∕ melanj idwojèn, ak polysilicon depoze yo fòme gratis-ap koule tankou dlo patikil esferik ki se yon mwayèn de 700 μm an dyamèt ak distribisyon asize nan 100-1500 μm. Grenn fluidize-kabann yo te orijinèlman fèt pa fanm k'ap pile SG-Si nan moulen abal oswa mato ak lesivaj pwodwi a ak asid, oksijene idwojèn ak dlo. Pwosesis sa a te pran anpil tan ak koute chè, ak tandans prezante enpurte endezirab nan sistèm lan nan Meleus yo metal. Sepandan, nan yon metòd nouvo, gwo patikil SG-Si yo te tire youn ak lòt pa gwo vitès kouran nan gaz sa ki lakòz yo kraze nan patikil nan gwosè apwopriye pou kabann lan fluidize. Pwosesis sa a pa entwodui okenn materyèl etranje epi li pa bezwen lesivaj.

Paske nan zòn nan sifas pi gran nan polysilicon granulaire, reyaktè fluidize-kabann yo pi efikas pase tradisyonèl Siemens-kalite baton réacteurs. Bon jan kalite a nan polisilikon likidize-kabann yo te montre yo dwe ekivalan a polisilikon ki te pwodwi pa metòd la Siemens plis konvansyonèl yo. Anplis, granulaire polysilicon nan fòm afree-ap koule tankou dlo ak dansite segondè esansyèl pèmèt kiltivatè kristal jwenn pi plis la nan chak kouri pwodiksyon an. Sa vle di, nan pwosesis kwasans kristal Czochralski a (al gade seksyon sa a), kreze yo ka byen vit epi fasil pou ranpli chaj inifòm ki tipikman depase sa ki nan owaza anpile moso polysilikon ki te pwodwi pa metòd Siemens lan. Si nou konsidere tou potansyèl de teknik la pou avanse pou pi soti nan operasyon pakèt rale kontinyèl (diskite pita), nou ka wè ke gratis-ap koule tankou dlo granules polysilicon ta ka bay wout la avantaje nan manje inifòm nan fonn eta-konstan. Pwodwi sa a parèt tankou yon materyèl ki kòmanse nan gwo pwomès pou kwasans kristal Silisyòm.

13.3Single-Crystal Kwasans

Malgre ke divès teknik yo te itilize pou konvèti polysilicon nan kristal sèl nan Silisyòm, de teknik yo te domine pwodiksyon an nan yo pou elektwonik paske yo satisfè kondisyon ki nan endistri aparèy la mikwoelektronik. Youn nan se metòd azone-k ap fonn souvan yo relek ap flote-zòn (FZ) metòd, ak lòt la se metòd apulling tradisyonèlman rele aCzochralski (CZ) metòd, byenke li ta dwe aktyèlman ap rele aTeal – Little metòd. Prensip ki dèyè de metòd kwasans kristal sa yo montre nan Fig.13.3. Nan metòd FZ la, zòn amolten pase nan baton apolisilikon pou konvèti li nan yon sèl ingot kristal; nan metòd la CZ, se kristal asingle grandi pa rale soti nan amelt genyen nan yo nan creuset aquartz. Nan tou de ka yokristal grennjwe yon wòl enpòtan anpil pou jwenn yon sèl kristal ak yon oryantasyon kristalografik adezif.

Fig. 13.3a,b — Figi 13.3a, b
Prensip kwasans sèl-kristal pa (a) k ap flote-zòn metòd ak (b) Czochralski metòd. (Aprè [13.1])

Li estime ke sou 95%nan tout Silisyòm sèl-kristal ki te pwodwi pa metòd la CZ ak rès la sitou pa metòd la FZ. Endistri a semi-conducteurs Silisyòm mande pou segondè pite ak konsantrasyon defo minimòm nan kristal Silisyòm yo nan optimize pwodiksyon fabrikasyon aparèy ak pèfòmans operasyonèl yo. Kondisyon sa yo ap vin de pli zan pli sevè kòm teknoloji a chanje soti nan LSI VLSI ∕ ULSI ak Lè sa a, SOC. Anplis bon jan kalite a oswa pèfeksyon nan kristal Silisyòm, kristal dyamèt te tou te piti piti ogmante yo nan lòd yo satisfè demand yo nan manifaktirè aparèy. Depi bato mikwoelektronik yo pwodwi atravè yonsistèm pakèt, dyamèt yo nan gato Silisyòm yo itilize pou fabrike aparèy siyifikativman afekte pwodiktivite a (jan yo montre nan Fig.13.2), ak nan vire pri pwodiksyon an.

Nan seksyon sa yo, nou premye diskite sou metòd la FZ ak Lè sa a, deplase sou metòd la CZ. Lèt la pral diskite an plis detay akòz enpòtans ekstrèm li nan endistri mikwoelektronik la.

13.3.1K ap flote-Zòn Metòd

Remak Jeneral

Metòd la FZ soti nan zòn k ap fonn, ki te itilize rafine alyaj binè [13.6] e li te envante paTheuerer[13.7]. Reyaktivite nan Silisyòm likid ak materyèl yo itilize pou kriz la mennen nan devlopman nan metòd la FZ [13.8], ki pèmèt kristalizasyon nan Silisyòm san yo pa bezwen an pou nenpòt ki kontak ak materyèl la kriz, ki nesesè pou kapab grandi kristal nan pite a semi-conducteurs yo mande yo.

Plan Pwosesis la

Nan pwosesis FZ la, apolysilicon baton konvèti nan yon sèl-kristal ingot pa pase zòn amolten chofe pa bobin aneedle-je soti nan yon bout nan baton nan lòt la, jan yo montre nan Fig.13.3yon. Premyèman, pwent an nan baton an polysilicon kontakte ak kole ak kristal aseed ak oryantasyon an kristal vle. Pwosè sa a relesimen. Se zòn nan fonn grenn pase nan baton an polysilicon pa ansanm deplase grenn nan kristal sèl desann baton an. Lè zòn nan fonn nan Silisyòm solidifye, polysilicon konvèti nan Silisyòm sèl-cristalline avèk èd nan kristal la pitit pitit. Kòm zòn nan vwayaje ansanm baton an polysilicon, Silisyòm sèl-kristal jele nan fen li yo ak ap grandi kòm yon ekstansyon nan kristal la pitit pitit.

Apre plantasyon, athin kou sou 2 oswa 3 mm an dyamèt ak 10-20 mm long ki te fòme. Pwosè sa a relekou. Ap grandi aneck elimine debwatman ki ka prezante nan ki fèk grandi Silisyòm sèl-kristal pandan operasyon an plantasyon akòz chòk tèmik. Pwosesis sa a necking, yo releTeknik priz[13.2], Se poutèt sa se fondamantal nan ap grandi kristal debwatman-gratis epi li se itilize inivèsèl nan tou de metòd yo FZ ak CZ. Yon topografi radyografi nan pitit pitit la, kou ak pati kon nan asilikon sèl-kristal grandi pa metòd la FZ yo montre nan Fig.13.4. Li aparan ke dislokasyon ki te pwodwi nan kontak la fonn yo konplètman elimine pa necking. Apre yo fin pati a konik ki te fòme, se kò a prensipal ak dyamèt la sib plen grandi. Pandan tout pwosesis kwasans FZ la, yo detèmine fòm zòn fonn lan ak dyamèt ingot la pa ajiste pouvwa a nan bobin lan ak pousantaj vwayaj la, tou de kote yo anba kontwòl òdinatè. Teknik la pi souvan itilize otomatikman kontwole dyamèt la nan tou de metòd yo FZ ak CZ anplwaye yon Capteur enfrawouj konsantre sou menisk la. Fòm nan menisk la sou kristal agrowing depann sou ang kontak li yo nan fwontyè a twa-faz, dyamèt la kristal, ak grandè a nan tansyon an sifas yo. Chanjman nan ang menisk (ak Se poutèt sa kristal dyamèt) se kèk, ak enfòmasyon an manje tounen yo nan lòd yo otomatikman ajiste kondisyon yo kwasans.

Fig. 13.4 — Figi 13.4
X-ray topografi nan pitit pitit, kou ak pati konik nan k ap flote-zòn Silisyòm. (Koutwazi Doktè T. Abe)

Kontrèman ak kwasans kristal CZ, nan ki se kristal la pitit pitit tranpe l 'nan fonn nan Silisyòm ak kristal la ap grandi rale anwo, nan metòd la FZ kristal la grenn mens soutni kristal la ap grandi, menm jan fè baton an polysilicon soti nan pati anba a (Fig.13.3). Kòm rezilta, se baton an balanse delika sou grenn lan mens ak kou pandan tout pwosesis kwasans lan. Grenn lan ak kou ka sipòte akrystal ki rive jiska a20 kg toutotan sant gravite kristal k ap grandi a rete nan sant sistèm kwasans lan. Si sant la nan gravite deplase lwen liy lan sant, pitit pitit la ap fasil ka zo kase kay. Pakonsekan, li te nesesè yo envante Acrystal estabilize ak sipò teknik anvan long ak lou kristal Silisyòm FZ ta ka grandi. Pou kristal gwo, li nesesè sipòte kristal la ap grandi nan fason yo montre nan Fig.13.5[13.9], patikilyèman nan ka a nan kristal ki sot pase FZ ak dyamèt gwo (150-200 mm), depi pwa yo fasil depase 20 kg.

Fig. 13.5 — Figi 13.5
Sipò pou sistèm pou flote-zòn kristal Silisyòm. (Aprè [13.9])

Dopaj

Yo nan lòd yo jwenn n- oswa p-kalite Silisyòm sèl-kristal nan rezistivite yo egzije a, swa polysilicon la oswa kristal la ap grandi dwe dope ak donatè ki apwopriye a oswa enpurte aksepte, respektivman. Pou kwasans Silisyòm FZ, byenke plizyè teknik dopan yo te eseye, kristal yo tipikman dope pa mouche gaz adoptan tankou fosfin (PH3) pou Silisyòm n-tip oswa diborane (B2H6) pou p-kalite Silisyòm sou zòn nan fonn. Gaz dopan an anjeneral dilye ak gaz acarrier, tankou Agon. Avantaj nan gwo nan metòd sa a se ke manifakti a kristal Silisyòm pa bezwen magazen sous polysilicon ak rezistivite diferan.

Depi segregasyon an (diskite nan pwochen seksyon an) nan dopan elemantè pou Silisyòm n-tip se anpil mwens pase inite, kristal FZ doped pa metòd tradisyonèl la gen gradyan dopan radial. Anplis, depi vitès la kristalizasyon varye nan direksyon radial la sou echèl la mikwoskopik, konsantrasyon yo dopan distribye siklik epi bay monte nan sa yo releestrikti dopan, sa ki lakòz inomojinite rezistivite radial. Yo nan lòd yo jwenn plis omojene doped n-kalite Silisyòm, neutron transmutasyon dopan (NTD) te aplike nan kristal Silisyòm FZ [13.10]. Pwosedi sa a enplike nan transmutasyon nikleyè a nan Silisyòm fosfò pa bonbade kristal la ak netwon tèmik dapre reyaksyon an.

^{30} S i (n, γ) \to^{31} S i \overset{2.6 h}{\to}^{31} P + β .

(13.5) Izotòp radyoaktif la31Si fòme lè30Si kaptire aneutron ak Lè sa a, pouri nan izotòp la ki estab31P (atòm donatè), ki gen distribisyon pa depann sou paramèt kwasans kristal. Touswit apre yo fin iradyasyon kristal yo montre rezistans segondè, ki se atribiye a gwo kantite domaj lasi ki rive nan domaj radyasyon. Kristal la iradyasyon, Se poutèt sa, yo dwe rkwit nan yon anbyen inaktif nan tanperati ki nan alantou 700∘C yo nan lòd yo detwi domaj yo ak retabli rezistivite nan sa ki sòti nan dopan nan fosfò. Anba konplo a NTD, kristal yo grandi san yo pa dopan ak yo Lè sa a, iradyasyon nan raktor anukleyè ak gwo rapò nan tèmik netwon vit yo nan lòd yo amelyore kaptire netwon ak pou misyon pou minimize domaj nan lasi a kristal.

Te aplikasyon an nan NTD prèske sèlman limite a sa sèlman kristal FZ paske nan pi wo pite yo konpare ak kristal CZ. Lè teknik NTD la te aplike nan kristal CZ Silisyòm, li te jwenn ke fòmasyon donatè oksijèn pandan pwosesis la rkwit apre iradyasyon chanje rezistivite a nan sa yo espere, menm si yo te reyalize omojèn donatè fosfò [13.11]. NTD gen enpèfeksyon an adisyonèl ke pa gen okenn pwosesis ki disponib pou dopan p-kalite e ke se yon peryòd twò lontan nan iradyasyon oblije pou rezistivite ki ba (nan a ranje 1-10 Ω cm).

Pwopriyete FZ-Silisyòm Crystal

Pandan kwasans kristal FZ, Silisyòm nan fonn pa vin an kontak ak nenpòt sibstans ki pa gaz anbyen nan chanm kwasans lan. Se poutèt sa, se yon kristal Silisyòm FZ natirèlman distenge pa pite ki pi wo li yo konpare ak kristal AZZ ki grandi nan fonn– ki enplike nan kontak ak creuset aquartz. Kontak sa a bay monte konsantrasyon oksijèn segondè enpurte nan alantou 1018atòm ∕ cm3nan kristal CZ, pandan y ap Silisyòm FZ gen mwens pase 1016atòm ∕ cm3. Pite sa a pi wo pèmèt FZ Silisyòm reyalize rezistans segondè pa ka jwenn lè l sèvi avèk CZ Silisyòm. Pifò nan Silisyòm nan FZ konsome gen aresistivite ki genyen ant 10 ak 200 Ω cm, pandan y ap CZ Silisyòm anjeneral prepare yo rezistivite nan 50 Ω cm oswa mwens akòz kontaminasyon an soti nan krisèt la kwatz. FZ Silisyòm Se poutèt sa sitou itilize fabrike aparèy pouvwa semi-conducteurs ki sipòte vòltaj vòltaj ki depase 750-1000 V. Kwasans lan kristal wo-pite ak karakteristik yo dopan presizyon nan NTD FZ-Si yo te tou mennen nan sèvi ak li yo nan detektè enfrawouj [13.12], pa egzanp.

Sepandan, si nou konsidere fòs mekanik, li te rekonèt pou anpil ane ke FZ Silisyòm, ki gen mwens enpurte oksijèn pase CZ Silisyòm, se mekanikman pi fèb ak plis vilnerab a estrès tèmik pandan fabwikasyon aparèy [13.13,13.14]. High-tanperati pwosesis nan gato Silisyòm pandan fabrikasyon aparèy elektwonik souvan pwodui ase estrès tèmik jenere debwatman glise ak warpage. Efè sa yo pote sou pèt sede akòz jonksyon ki koule, domaj Dielectric, ak redwi pou tout lavi, osi byen ke redwi pwodiksyon fotolitografik akòz degradasyon nan plat plat. Pèt nan planar jewometrik akòz warpage ka tèlman grav ke gato yo pa trete nenpòt ki pi lwen. Poutèt sa, gato Silisyòm CZ yo te itilize pi lajman nan fabwikasyon aparèy IC pase gato FZ genyen. Diferans sa a nan estabilite mekanik kont estrès tèmik se rezon ki fè dominan poukisa kristal Silisyòm CZ yo sèlman itilize pou fabwikasyon IC ki mande pou yon gwo kantite etap pwosesis tèmik.

Yo nan lòd yo simonte enpèfeksyon sa yo nan Silisyòm FZ, kwasans lan nan kristal Silisyòm FZ ak enpurte dopan tankou oksijèn [13.15] ak azòt [13.16] te eseye. Li te jwenn ke dopan kristal Silisyòm FZ ak oksijèn oswa nitwojèn nan konsantrasyon nan $1 - 1.5 \times 10^{17} a t o m s / c m^{3}$ oswa $1.5 \times 10^{15} a t o m s / c m^{3}$ , respektivman, rezilta nan ogmantasyon remakab nan fòs mekanik.

13.3.2Czochralski Metòd

Remak Jeneral

Metòd sa a te rele apre J. Czochralski, ki moun ki etabli atechnique pou detèmine vitès yo kristalizasyon nan metal [13.17]. Sepandan, metòd aktyèl la rale ki te lajman aplike nan kwasans sèl-kristal te devlope paTealakTi kras[13.18], ki moun ki modifye prensip debaz Czochralski a. Yo te premye a avèk siksè grandi sèl-kristal nan jèrmanyòm, 8 pous nan longè ak 0.75 pous an dyamèt, nan 1950. Yo imedyatman fèt yon lòt aparèy pou kwasans lan nan Silisyòm nan pi wo tanperati. Malgre ke pwosesis pwodiksyon debaz la pou yon sèl-kristal Silisyòm chanje ti kras depi li te pionnier pa Teal ak kòlèg li yo, gwo-dyamèt (jiska 400 mm) Silisyòm sèl-kristal ak yon wo degre de pèfeksyon ki satisfè aparèy eta-of-atizay la- demand yo te grandi pa enkòporamman teknik la priz ak siksesif innovations teknolojik nan aparèy la.

Jodi a efò rechèch ak devlopman konsènan kristal Silisyòm yo dirije nan direksyon pou reyalize inifòmite mikwoskopik nan pwopriyete kristal tankou rezistivite a ak konsantrasyon nan enpurte ak mikrodefè, osi byen ke kontwòl mikwoskopik nan yo, ki pral diskite yon lòt kote nan Manyèl sa a.

Plan Pwosesis la

Twa etap ki pi enpòtan yo nan kwasans kristal CZ yo montre schematic nan Fig.13.3b. Nan prensip, pwosesis la nan kwasans CZ se menm jan ak sa yo ki an kwasans FZ: (1) k ap fonn polisilikon, (2) plantasyon ak (3) ap grandi. Pwosedi a rale CZ, sepandan, se pi konplike pase sa yo ki an kwasans FZ epi li se distenge soti nan li pa itilize nan aquartz creuset ki gen Silisyòm nan fonn. Figi13.6montre aschematic View nan tipik modèn CZ ekipman kwasans kristal. Etap enpòtan nan aktyèl oswa estanda CZ Silisyòm kwasans kristal sekans yo jan sa a:

1.
Fragman Polysilicon oswa grenn yo mete nan creuset aquartz ak fonn nan tanperati ki pi wo pase pwen an k ap fonn nan Silisyòm (1420∘C) nan yon gaz inaktif anbyen.
2.
Se fonn lan kenbe nan yon tanperati ki wo pou yon ti tan yo nan lòd asire fonn konplè ak ekspilsyon nan ti bul, ki ka lakòz vid oswa domaj kristal negatif, ki soti nan fonn lan.
3.
Se kristal grenn ak oryantasyon an kristal vle tranpe l 'nan fonn la jiskaske li kòmanse fonn tèt li. Lè sa a, pitit pitit la retire nan fonn lan pou ke kou a fòme pa piti piti diminye dyamèt la; sa a se etap ki pi delika. Pandan pwosesis la kwasans kristal tout antye, gaz inaktif (anjeneral agon) ap koule anba nan chanm lan rale yo nan lòd yo pote nan pwodwi reyaksyon tankou SiO ak CO.
4.
Pa piti piti ogmante dyamèt la kristal, pati nan konik ak zepòl yo grandi. Dyamèt la ogmante jiska dyamèt la sib pa diminye pousantaj la rale ak ∕ oswa tanperati a fonn.
5.
Finalman, se pati nan silendrik nan kò a ak dyamèt konstan grandi nan kontwole pousantaj la rale ak tanperati a fonn pandan y ap konpanse pou gout la nan nivo a fonn kòm kristal la ap grandi. Pousantaj nan rale jeneralman redwi nan direksyon ke fen a nan kristal agrowing, sitou akòz ogmante radyasyon chalè soti nan miray la creuset kòm nivo a fonn gout ak ekspoze plis miray creuset nan kristal la ap grandi. Toupre nan fen pwosesis kwasans lan, men anvan creuset la konplètman vide nan Silisyòm fonn, dyamèt la kristal dwe piti piti redwi yo fòme yon fen-kòn yo nan lòd pou misyon pou minimize chòk tèmik, sa ki ka lakòz glise debwatman nan fen ke. Lè dyamèt la vin piti ase, kristal la ka separe de fonn san jenerasyon dislokasyon yo.

Figi13.7montre pati nan pitit pitit-fen nan yon kristal Silisyòm kòm-grandi CZ. Malgre ke aseed-mayi, ki se rejyon an tranzisyon soti nan grenn nan pati a silendrik, se anjeneral ki te fòme yo dwe olye plat pou rezon ekonomik, amore fòm conique ta ka dezirab soti nan pwen de vi Acrystal bon jan kalite. Pati nan zepòl ak vwazinaj li yo pa ta dwe itilize pou fabrike aparèy paske se pati sa a konsidere kòm rejyon atransisyon nan anpil sans epi li montre karakteristik kristal inomojèn akòz chanjman an brid sou kou nan kondisyon kwasans.

Fig. 13.6 — Figi 13.6
View schematic nan tipik Czochralski Silisyòm kristal sistèm k ap grandi. (Aprè [13.1])

Fig. 13.7 — Figi 13.7
Grenn-fen pati nan kòm-grandi Czochralski kristal Silisyòm

Figi13.8montre yon siplemantè-gwo kòm-grandi CZ Silisyòm kristal ingot 400 mm an dyamèt ak 1800 mm nan longè grandi pa Super Silisyòm Crystal Research Enstiti Kòporasyon an nan Japon [13.3].

Fig. 13.8 — Figi 13.8
Siplemantè-gwo kòm-grandi Czochralski Silisyòm ingot 400 mm an dyamèt ak 1800 mm nan longè. (Koutwazi nan Super Silisyòm Crystal Research Institute Corporation, Japon)

Enfliyans nan espas espas inaGrownCrystal

Kòm Fig.13.9klèman montre, se chak pòsyon nan kristal aCZ grandi nan moman diferan ak kondisyon kwasans diferan [13.19]. Kidonk, li enpòtan pou konprann ke chak pòsyon gen diferan seri karakteristik kristal ak diferan istwa tèmik akòz diferan pozisyon li sou longè kristal la. Pou egzanp, pòsyon nan pitit pitit-fen gen alonger istwa tèmik, sòti nan pwen an k ap fonn nan 1420 alantou 400∘C nan apuller, pandan y ap pòsyon nan ke-fen gen istwa ashorter epi li refwadi desann olye rapidman soti nan pwen an k ap fonn. Alafen, chak wafer Silisyòm prepare soti nan pòsyon diferan nan kristal agrown te kapab montre diferan karakteristik fizik-chimik depann sou kote li yo nan eboch la. An reyalite, li te rapòte ke konpòtman presipitasyon oksijèn an montre pi gwo depandans kote, ki, nan vire, afekte jenerasyon an nan domaj esansyèl [13.20].

Epitou, distribisyon anonifòm nan tou de domaj kristal ak enpurte rive atravè seksyon transverse nan aflat wafer prepare nan aCZ kristal fonn Silisyòm kristalize oswa solidifye successivement nan koòdone nan kristal-fonn, ki se jeneralman koube nan pwosesis la kwasans kristal CZ. Inhomogeneities sa yo ka obsève kòmstriations, ki diskite pita.

13.3.3Enpurte nan Silisyòm Czochralski

Pwopriyete semi-conducteurs Silisyòm yo itilize nan aparèy elektwonik yo trè sansib pou enpurte yo. Poutèt sansiblite sa a, pwopriyete elektrik ∕ elektwonik Silisyòm yo ka kontwole jisteman lè yo ajoute yon ti kantite dopan. Anplis de sa nan sansiblite dopan, kontaminasyon pa enpurte (patikilyèman tranzisyon metal) afekte pwopriyete yo nan Silisyòm ak rezilta nan degradasyon an grav nan pèfòmans aparèy. Anplis, oksijèn enkòpore nan nivo dè dizèn de atòm pou chak milyon dola nan kristal CZ Silisyòm akòz reyaksyon ki genyen ant fonn Silisyòm lan ak krisi kwatz la. Kèlkeswa kantite oksijèn ki nan kristal la, karakteristik kristal Silisyòm yo afekte anpil pa konsantrasyon ak konpòtman oksijèn [13.21]. Anplis de sa, kabòn tou enkòpore nan kristal Silisyòm CZ swa nan polisilikon matyè premyè oswa pandan pwosesis kwasans lan, akòz pati yo grafit yo itilize nan ekipman an rale CZ. Malgre ke konsantrasyon nan kabòn nan komèsyal CZ kristal Silisyòm se nòmalman mwens pase 0.1 ppma, kabòn se yon malpwòpte ki afekte anpil konpòtman an nan oksijèn [13.22,13.23]. Epitou, azòt-doped CZ kristal Silisyòm [13.24,13.25] dènyèman te atire anpil atansyon akòz bon jan kalite segondè yo kristal mikwoskopik, ki ka satisfè kondisyon yo pou eta-of-atizay la-aparèy elektwonik [13.26,13.27].

Malpwòpte Inhomogeneity

Pandan kristalizasyon soti nan amelt, enpurte divès kalite (ki gen ladan dopan) ki genyen nan fonn yo enkòpore nan kristal la ap grandi. Konsantrasyon nan malpwòpte nan faz la solid jeneralman diferan de sa yo ki nan faz la likid akòz aphenomenon li te ye tankousegregasyon.

Segregasyon

Konpòtman segregasyon ekilib ki asosye avèk solidifikasyon sistèm multikomponan yo ka detèmine nan dyagram faz korespondan sistèm abinè avèk yonsolitèr(malpwòpte a) ak yonsòlvan(materyèl la lame) kòm eleman.

Rapò a nan solubility nan malpwòpte Ain solid Silisyòm [CA]snan ki nan Silisyòm likid [CA]L

k_{0} = \frac{[C_{A}]_{s}}{[C_{A}]_{L}}

(13.6) refere yo kòmkoyefisyan segregasyon ekilib. Solitid la malpwòpte nan likid Silisyòm se toujou pi wo pase sa yo ki nan Silisyòm solid; sa vle dik0& lt; 1. Koyefisyan segregasyon ekilib lak0sèlman aplikab a solidifikasyon nan pousantaj kwasans neglijab ralanti. Pou pousantaj solidifikasyon oswa pi wo, atòm malpwòpte akk0& lt; 1 yo rejte pa solid la avanse nan pousantaj pi gran pase yo ka difize nan fonn lan. Nan pwosesis kwasans lan kristal CZ, segregasyon pran plas nan kòmansman solidifikasyon nan koòdone grenn-fonn agiven, ak atòm yo malpwòpte rejte kòmanse akimile nan kouch la fonn tou pre koòdone nan kwasans ak difize nan yon direksyon ki nan èstime nan fonn lan. Nan sitiyasyon sa a, yonkoyefisyan segregasyon efikaskefka defini nan nenpòt moman pandan kwasans kristal CZ, ak konsantrasyon malpwòpte a [C]snan aCZ kristal ka sòti nan

[C]_{s} = k_{e f f} [C_{0}] (1 - g)^{k_{e f f} - 1},

(13.7) kote [C0] se premye konsantrasyon malpwòpte nan fonn lan akgse fraksyon solidifye.

Kontinwe, li klè ke amakroskopik varyasyon Longitudinal nan nivo a malpwòpte, ki lakòz avarye nan rezistivite akòz varyasyon an nan konsantrasyon nan dopan, se nannan pwosesis la kwasans CZ pakèt; sa a se akòz fenomèn nan segregasyon. Anplis, se distribisyon an Longitudinal nan enpurte enfliyanse pa chanjman nan grandè a ak nati a nan konveksyon fonn ki rive kòm rapò a aspè fonn diminye pandan kwasans kristal.

Estriksyon

Nan pifò pwosesis kwasans kristal, gen pasajè nan paramèt yo tankou to kwasans enstantane mikwoskopik ak epesè kouch fwontyè difizyon ki rezilta nan varyasyon nan koyefisyan segregasyon efikas la.kef. Varyasyon sa yo bay monte mikwoskopik inhomogeneities konpozisyon nan fòm lan nanstriationsparalèl ak koòdone nan kristal-fonn. Stries ka fasilman delimine ak plizyè teknik, tankou grave chimik preferansyèl ak radyografi topografi. Figi13.10montre striations yo revele pa grave chimik nan pati zepòl la nan longitudinal kwa-seksyon nan kristal silisyòm ACZ. Chanjman gradyèl nan fòm koòdone kwasans lan tou klèman obsève.

Fig. 13.10 — Figi 13.10
Stries kwasans, devwale pa grave chimik, nan ashoulder nan Czochralski Silisyòm

Estriksyon yo fizikman ki te koze pa segregasyon an nan enpurte ak tou domaj pwen; sepandan, striations yo se pratikman ki te koze pa fluctuations tanperati tou pre koòdone nan kristal-fonn, pwovoke pa konveksyon enstab tèmik nan wotasyon an fonn ak kristal nan yon anviwònman asimetri tèmik. Anplis de sa, vibrasyon mekanik akòz mekanis kontwòl pòv rale nan ekipman kwasans lan kapab lakòz tou fluctuations tanperati.

Figi13.11schematic ilistre a-ZZ-grandi kristal koup transvèsal ki gen acurved kristal-fonn koòdone, ki rezilta yo nan inhomogeneities sou sifas la nan aslice. Kòm chak plat wafer tranche, li gen pòsyon diferan nan plizyè striations koube. Diferanbag fonograf, refere yo kòmtoubiyon, Lè sa a, ka rive nan chak wafer, ki ka obsève atravè wafer a lè l sèvi avèk teknik yo mansyone pi wo a.

Fig. 13.11 — Figi 13.11
Ilistrasyon schematic nan Czochralski kristal koup transvèsal ki gen acurved kristal-fonn koòdone ak planèr gato tranche nan pòsyon diferan. (Aprè [13.1])

Dopaj

Yo nan lòd yo jwenn rezistivite a vle, se sèten kantite dopan (swa donatè oswa atòm aseptè) ajoute nan fonn asilikon selon relasyon an konsistivite-konsantrasyon. Li se pratik komen yo ajoute dopan nan fòm lan nan patikil Silisyòm trè dopan oswa fragman nan sou 0.01 Ω cm rezistivite, ki fè yo rele aparèy la dopan, depi kantite lajan an nan dopan pi bon kalite se unmanageably ti, eksepte pou materyèl Silisyòm trè dopan (n+oswa p+Silisyòm).

Kritè pou chwazi adopan pou materyèl asemikondiktè yo se ke li gen pwopriyete sa yo:

1.
Nivo enèji apwopriye
2.
Segondè solubility
3.
Apwopriye oswa ba difize
4.
Ba presyon vapè.

Difizyon segondè oswa presyon vapè segondè mennen nan difizyon endezirab oswa vaporizasyon nan dopan, ki rezilta yo nan operasyon aparèy enstab ak difikilte nan reyalize kontwòl presistivite presi. Asolubilite ki twò piti limite rezistans ki ka jwenn. Anplis kritè sa yo, yo dwe konsidere pwopriyete chimik yo (toksisite a pa egzanp). Konsiderasyon plis soti nan opinyon an nan kwasans kristal se ke dopan a gen koyefisyan asegregasyon ki se fèmen nan inite yo nan lòd yo fè rezistivite a kòm inifòm ke posib soti nan pitit pitit-fen a ke-fen nan eboch la kristal CZ. Kontinwe, fosfò (P) ak bor (B) yo se donatè ki pi souvan itilize ak dopan aseptan pou Silisyòm, respektivman. Pou n+Silisyòm, nan ki atòm donatè yo lou dopan, se antimony (Sb) anjeneral yo itilize olye pou yo fosfò paske nan difizyon pi piti li yo, nan malgre nan koyefisyan segregasyon ti li yo ak presyon vapè segondè, ki mennen nan gwo varyasyon nan konsantrasyon nan tou de axial la ak direksyon radial yo.

Oksijèn ak Kabòn

Jan yo montre schematic nan Fig.13.3b ak13.6, aquartz (SiO2) creuset ak grafit eleman chofaj yo te itilize nan metòd kwasans kristal CZ-Si. Sifas kriz la ki kontakte fonn Silisyòm lan piti piti fonn akòz reyaksyon an

S i O_{2} + Si \to 2 S i O .

(13.8) Reyaksyon sa a anrichi fonn Silisyòm lan ak oksijèn. Pifò nan atòm oksijèn yo evapore soti nan sifas la fonn kòm temèt Silisyòm mono-oksid (SiO), men kèk nan yo yo enkòpore nan kristal asilikon nan koòdone nan kristal-fonn.Sepandan, kabòn nan kristal CZ Silisyòm soti sitou nan polikristalin lan kòmanse materyèl. Nivo kabòn sòti nan 0.1 a 1 ppma, tou depann de manifakti a, yo jwenn nan polisilikon an. Sous nan kabòn nan polysilicon yo sipoze yo dwe sitou kabòn ki gen enpurte yo te jwenn nan triklorosilane a yo itilize nan pwodiksyon an nan polysilicon. Pati grafit nan ekipman rale CZ kapab kontribye tou nan kontaminasyon kabòn pa reyaji avèk oksijèn, ki toujou prezan pandan kwasans lan anbyen. Pwodwi yo ki kapab lakòz nan CO ak CO2yo fonn nan fonn nan Silisyòm ak kont pou enpurte yo kabòn nan kristal Silisyòm. Se konsa, oksijèn ak kabòn yo se de enpurte yo pi gwo nondoping ki enkòpore nan kristal CZ Silisyòm nan fason yo montre schematic nan Fig.13.12. Konpòtman enpurte sa yo nan Silisyòm, ki afekte plizyè pwopriyete kristal Silisyòm CZ yo, te sijè a nan etid entansif depi fen ane 1950 yo [13.21].

Fig. 13.12 — Figi 13.12
Enkòporasyon oksijèn ak kabòn nan kristal Silisyòm Czochralski. (Aprè [13.1])

13.4Nouvo Metòd Kwasans Crystal

Silisyòm kristal yo itilize pou fabrikasyon aparèy mikwoelektronik yo dwe satisfè avariety nan kondisyon ki etabli pa manifaktirè aparèy. Anplis kondisyon pou Silisyòmgato, demand sa yo kristalografik yo te vin pi komen akòz segondè-sede ak pèfòmans-wo fabrikasyon aparèy mikwo-elektwonik:

1.
Gwo dyamèt
2.
Low oswa kontwole dansite domaj
3.
Inifòm ak ba gradyan rezistivite radial
4.
Optimum premye konsantrasyon oksijèn ak presipitasyon li yo.

Li klè ke manifaktirè kristal Silisyòm yo pa dwe sèlman satisfè kondisyon ki anwo yo, men tou yo pwodwi kristal sa yo ekonomikman ak pwodiksyon an wo. Enkyetid prensipal yo nan kiltivatè kristal Silisyòm yo se pèfeksyon kristalografik la ak distribisyon axial nan dopan nan CZ Silisyòm. Yo nan lòd yo simonte kèk pwoblèm ak metòd la konvansyonèl kwasans kristal CZ, plizyè nouvo metòd kwasans kristal yo te devlope.

13.4.1Czochralski Kwasans akAppliedMagneticField (MCZ)

Koule a konveksyon fonn nan kriz la fòtman afekte bon jan kalite a kristal nan CZ Silisyòm. An patikilye, striations kwasans favorab yo pwovoke pa konveksyon iregilye fonn ki kapab lakòz fluctuasyon tanperati nan koòdone kwasans lan. Kapasite nan jaden amagnetic anpeche konveksyon tèmik nan elektrik fè likid te premye aplike nan kwasans lan kristal nan antimonid endyòm atravè teknik la bato orizontal [13.28] ak orizontal zòn-k ap fonn teknik la [13.29]. Atravè envestigasyon sa yo, li te konfime ke jaden mayetik nan fòs ase ka siprime fluctuations tanperati ki akonpaye konveksyon fonn, epi yo ka dramatikman diminye striations kwasans.

Se efè a nan jaden an mayetik sou striations kwasans eksplike pa kapasite li nan diminye konveksyon an ajite tèmik nan amelt ak nan vire diminye fluctuations yo tanperati nan koòdone nan kristal-fonn. Amortissement koule likid la ki te koze pa jaden an mayetik se akòz fòs la magnetomotive pwovoke lè koule a se orthogonal nan liy yo flux mayetik, ki rezilta yo nan yon ogmantasyon nan viskozite a kinematik efikas nan fonn la ap fè.

Silisyòm kristal kwasans pa jaden mayetik aplike metòd CZ (MCZ) te rapòte pou la pwemye fwa nan lane 1980 [13.30]. Originally MCZ te gen entansyon pou kwasans lan nan kristal CZ Silisyòm ki gen konsantrasyon oksijèn ki ba ak Se poutèt sa gen rezistans segondè ak varyasyon ki ba radial. Nan lòt mo, MCZ Silisyòm te espere ranplase Silisyòm FZ a prèske sèlman itilize pou fabrike aparèy pouvwa. Depi lè sa a, divès kalite konfigirasyon jaden mayetik, an tèm de direksyon jaden mayetik (orizontal oswa vètikal) ak kalite leman yo itilize (nòmal kondiktif oswa superkonduktif), yo te devlope [13.31]. MCZ Silisyòm ki pwodui ak yon pakèt konsantrasyon oksijèn vle (ki soti nan ba a segondè) te nan gwo enterè pou aplikasyon pou aparèy diferan. Valè a nan Silisyòm MCZ manti nan kalite siperyè li yo ak kapasite li nan kontwole konsantrasyon nan oksijèn sou ranje awide, ki pa ka reyalize lè l sèvi avèk metòd la konvansyonèl CZ [13.32], osi byen ke to kwasans ranfòse li yo [13.33].

Osi lwen ke bon jan kalite a kristal konsène, pa gen okenn dout ke metòd la MCZ bay kristal yo Silisyòm pi favorab a endistri a aparèy semi-conducteurs. Pri pwodiksyon Silisyòm MCZ la ka pi wo pase sa Silisyòm konvansyonèl CZ paske metòd MCZ la konsome plis pouvwa elektrik epi li mande ekipman adisyonèl ak espas opere pou elektwomayet yo; sepandan, pran an kont to kwasans ki pi wo nan MCZ, ak lè leman supèrkonduktif ki bezwen pi piti espas ak konsome mwens pouvwa elektrik konpare ak leman kondiktif yo te itilize, pri a pwodiksyon nan kristal Silisyòm MCZ ka vin konparab ak sa yo ki nan kristal konvansyonèl CZ Silisyòm. Anplis de sa, bon jan kalite a amelyore kristal nan Silisyòm MCZ ka ogmante pwodiksyon pwodiksyon ak pi ba pri pwodiksyon an.

13.4.2Metòd Czochralski kontinyèl (CCZ)

Depans pou pwodiksyon kristal yo depann de gwo kantite sou pri materyèl yo, an patikilye pri moun itilize pou kwazèt kwatz yo. Nan pwosesis CZ konvansyonèl la, yo rele lipwosesis pakèt, Acrystal se rale soti nan chaj sèl creuset, epi yo creuset a kwatz itilize yon sèl fwa epi yo Lè sa a, jete. Sa a se paske ti kantite lajan ki rete nan Silisyòm krak creuset la jan li refwadi soti nan tanperati ki wo pandan chak kwasans kouri.

Onestrategy pou renouvle aquartz creuset ak fonn ekonomikman se kontinyèlman ajoute manje kòm kristal la grandi epi kidonk kenbe fonn lan nan volim konstan. Anplis de sa nan ekonomize pri kreze, metòd kontinyèl-chaje Czochralski (CCZ) bay yon anviwònman ideyal pou kwasans kristal Silisyòm. Kòm deja mansyone, anpil nan inomojènite yo nan kristal grandi pa pwosesis la pakèt CZ konvansyonèl yo se rezilta dirèk nan sinetik la enstab ki rive soti nan chanjman nan volim fonn pandan kwasans kristal. Metòd CCZ a gen pou objaktif pou pa sèlman diminye depans pwodiksyon yo, men tou pou devlope kristal nan kondisyon fiks. Pa kenbe volim nan fonn nan yon nivo konstan, ka fiks kondisyon tèmik ak fonn koule ka reyalize (al gade Fig.13.9, ki montre chanjman nan anviwònman tèmik pandan konvansyonèl kwasans CZ).

Kontini chaje souvan fèt pa manje polysilicon, jan yo montre nan Fig.13.13[13.34]. Sistèm sa a konsiste de ahopper pou estoke materyèl polysilicon anvan tout koreksyon ak feeder avibratè ki transfere polysilicon a nan creuset la. Nan kriz la ki gen fonn nan Silisyòm, Aquartz deflektè oblije anpeche turbulans la fonn ki te koze pa manje nan materyèl la solid alantou koòdone nan kwasans. Grenn polysilikon gratis ki koule tankou sa yo mansyone deja yo evidamman avantaje pou metòd CCZ la.

Metòd la CCZ sètènman rezoud pi fò nan pwoblèm yo ki gen rapò ak inhomogeneities nan kristal grandi pa metòd la konvansyonèl CZ. Anplis, konbinezon MCZ ak CCZ (mayetik-jaden-aplike CZ kontinyèl (MCCZ) metòd) espere bay metòd la kwasans ultim kristal, bay kristal Silisyòm ideyal pou varyete awide nan aplikasyon pou mikwoelektronik [13.1]. Vreman vre, li te itilize yo grandi-wo kalite kristal Silisyòm gen entansyon pou aparèy mikwoelektronik [13.35].

Sepandan, li ta dwe mete aksan sou ke istwa yo diferan tèmik nan diferan pati nan kristal la (ki soti nan pitit pitit la nan ke a fini, jan yo montre nan Fig.13.9) dwe konsidere menm lè se kristal la grandi pa metòd kwasans ideyal la. Yo nan lòd yo omojeneize kristal la grandi oswa jwenn axial inifòmite nan istwa a tèmik, kèk fòm pòs-tretman, tankou segondè-tanperati rkwit [13.36], se obligatwa pou kristal la.

13.4.3Neckingless Kwasans Metòd

Kòm mansyone deja, pwosesis kol Dash la (ki ap grandi athin kou 3-5 mm an dyamèt, Fig.13.7) se etap akritik pandan kwasans kristal CZ paske li elimine grandi-nan debwatman. Teknik sa a te estanda endistri a pou plis pase 40 ane. Sepandan, demand resan yo pou gwo dyamèt kristal (& gt; 300 mm, ki peze plis pase 300 kg) te lakòz nesesite pou pi gwo kou dyamèt ki pa prezante dislokasyon nan kristal la k ap grandi, depi athin kou 3-5 mm an dyamèt. pa ka sipòte tankou gwo kristal.

Grenn gwo dyamèt ki tipikman 170 mm long, ak dyamèt minimòm> 10 mm ak yon mwayèn de 12 mm grandi nan Silisyòm fonn lou dope ak bor (

& gt; 10^{19} a t o m s / c m^{3}

) yo te itilize yo grandi dislokasyon-gratis 200 mm-dyamèt kristal CZ Silisyòm [13.37,13.38]. Li estime ke gwo dyamèt kou 12 mm an dyamèt ka CZ sipòte kristal osi lou ke 2000 kg [13.39]. Figi13.14a,bashows a200 mm-dyamèt dislokasyon-gratis CZ Silisyòm kristal grandi san yo pa pwosesis la kol Dash, ak Fig.13.14a,bb montre grenn elaji li yo (konpare ak Fig.13.7). Mekanis nan ki dislokasyon yo pa enkòpore nan kristal la ap grandi te sitou atribiye nan efè redi nan dopan a lou nan bor nan Silisyòm lan.

Fig. 13.14a,b — Figi 13.14a, b
200 mm-dyamèt dislokasyon-gratis Czochralski kristal Silisyòm grandi san yo pa pwosesis la priz Dash. (a)Tout kò, (b) grenn ak kòn. (Koutwazi pwofesè K. Hoshikawa)

Referans

13.1F. Shimura:Semiconductor Silisyòm Crystal Teknoloji(Akademik, New York 1988)Google Scholar
13.2WC priz: J. Appl. Phys.29, 736 (1958)CrossRefGoogle Scholar
13.3 K. Takada, H. Yamagishi, H. Minami, M. Imai: Nan:Semiconductor Silisyòm(Sosyete a Electrochemical, Pennington 1998) p.376Google Scholar
13.4JRMcCormic: Nan:Semiconductor Silisyòm(Sosyete a Electrochemical, Pennington 1986) p.43Google Scholar
13.5PA Taylor: Solid State Technol.Jiyè, 53 (1987)Google Scholar
13.6WG Pfann: Trans. Am. Inst. Min. Metall. Eng.194, 747 (1952)Google Scholar
13.7CH Theuerer: US Patant 3060123 (1962)Google Scholar
13.8PH Keck, MJE Golay: Phys. Rev.89, 1297 (1953)CrossRefGoogle Scholar
13.9W. Keller, A. Mühlbauer:Flotan-Zòn Silisyòm(Marcel Dekker, New York 1981)Google Scholar
13.10JM Meese:Neutron transmutasyon dopan nan semi-conducteurs(Plenum, New York 1979)CrossRefGoogle Scholar
13.11HMLiaw, CJVarker: Nan:Semiconductor Silisyòm(Sosyete a Electrochemical, Pennington 1977) p.116Google Scholar
13.12ELKern, LSYaggy, JABarker: Nan:Semiconductor Silisyòm(Sosyete elektwochimik la, Pennington 1977) p.52Google Scholar
13.13 SM Hu: Appl. Phys. Lett.31, 53 (1977)CrossRefGoogle Scholar
13.14K. Sumino, H. Harada, I. Yonenaga: Jpn. J. Appl. Phys.19, L49 (1980)CrossRefGoogle Scholar
13.15K. Sumino, I. Yonenaga, A. Yusa: Jpn. J. Appl. Phys.19, L763 (1980)CrossRefGoogle Scholar
13.16T.Abe, K. Kikuchi, S. Shirai: Nan:Semiconductor Silisyòm(Sosyete elektwochimik la, Pennington 1981) p.54Google Scholar
13.17J. Czochralski: Z. Phys. Chem.92, 219 (1918)Google Scholar
13.18GK Teal, JB Little: Phys. Rev.78, 647 (1950)Google Scholar
13.19W. Zulehner, D. Huber: Nan:Kristal 8: Silisyòm, grave chimik(Springer, Bèlen, Heidelberg 1982) p. 1Google Scholar
13.20H. Tsuya, F. Shimura, K. Ogawa, T. Kawamura: J. Electrochem. Soc.129, 374 (1982)CrossRefGoogle Scholar
13.21F. Shimura (Ed.):Oksijèn nan Silisyòm(Akademik, New York 1994)Google Scholar
13.22S. Kishino, Y. Matsushita, M. Kanamori: Appl. Phys. Lett.35, 213 (1979)CrossRefGoogle Scholar
13.23F. Shimura: J. Appl. Phys.59, 3251 (1986)CrossRefGoogle Scholar
13.24HD Chiou, J. Moody, R. Sandfort, F. Shimura: VLSI syans teknoloji, Proc. 2nd Int. Symp. Trè gwo echèl Integr. (Sosyete a Electrochemical, Pennington 1984) p. 208Google Scholar
13.25F. Shimura, RS Hocket: Appl. Phys. Lett.48, 224 (1986)CrossRefGoogle Scholar
13.26A.Huber, M.Kapser, J.Grabmeier, U. Lambert, WvAmmon, R.Pech: Nan:Semiconductor Silisyòm(Sosyete a Electrochemical, Pennington 2002) p.280Google Scholar
13.27GARozgonyi: Nan:Semiconductor Silisyòm(Sosyete a Electrochemical, Pennington 2002) p.149Google Scholar
13.28HP Utech, MC Flemings: J. Appl. Phys.37, 2021 (1966)CrossRefGoogle Scholar
13.29HA Chedzey, DT Hurtle: Lanati210, 933 (1966)CrossRefGoogle Scholar
13.30K.Hoshi, T.Suzuki, Y.Okubo, N.Isawa: Ext. Abstr. Electrochem. Soc. 157th Rankontre. (Sosyete a Electrochemical, Pennington 1980) p.811Google Scholar
13.31 M. Ohwa, T. Higuchi, E.Toji, M.Watanabe, K.Homma, S. Takasu: Nan:Semiconductor Silisyòm(Sosyete a Electrochemical, Pennington 1986) p.117Google Scholar
13.32M Futagami, K.Hoshi, N.Isawa, T. Suzuki, Y. Okubo, Y. Kato, Y. Okamoto: Nan:Semiconductor Silisyòm(Sosyete a Electrochemical, Pennington 1986) p.939Google Scholar
13.33T.Suzuki, N.Isawa, K.Hoshi, Y. Kato, Y.Okubo: Nan:Semiconductor Silisyòm(Sosyete a Electrochemical, Pennington 1986) p.142Google Scholar
13.34W.Zulehner: Nan:Semiconductor Silisyòm(Sosyete elektwochimik la, Pennington 1990) p.30Google Scholar
13.35Y.Arai, M.Kida, N.Ono, K.Abe, N.Machida, H.Futuya, K.Sahira: Nan:Semiconductor Silisyòm(Sosyete a Electrochemical, Pennington 1994) p.180Google Scholar
13.36F. Shimura: Nan:VLSI Syans ak Teknoloji(Sosyete elektwochimik la, Pennington 1982) p. 17Google Scholar
13.37S.Chandrasekhar, KMKim: Nan:Semiconductor Silisyòm(Sosyete elektwochimik la, Pennington 1998) p.411Google Scholar
13.38K. Hoshikawa, X. Huang, T. Taishi, T. Kajigaya, T. Iino: Jpn. J. Appl. Phys.38, L1369 (1999)CrossRefGoogle Scholar
13.39KM Kim, P. Smetana: J. Cryst. Kwasans100, 527 (1989)CrossRefGoogle Scholar

Silisyòm Single-Crystal: Kwasans ak pwopriyete

13.1Apèsi sou lekòl la

13.2Kòmanse Materyèl

13.2.1Silisyòm metalurji

13.2.2Silisyòm polikristalin

Konpoze chimik entèmedyè

Hydrochlorination nan Silisyòm

Distilasyon ak dekonpozisyon nan Triklorosilan

Monosilane Pwosesis

Granulaire Depozisyon Polysilicon

13.3Single-Crystal Kwasans

13.3.1K ap flote-Zòn Metòd

Remak Jeneral

Plan Pwosesis la

Dopaj

Pwopriyete FZ-Silisyòm Crystal

13.3.2Czochralski Metòd

Remak Jeneral

Plan Pwosesis la

Enfliyans nan espas espas inaGrownCrystal

13.3.3Enpurte nan Silisyòm Czochralski

Malpwòpte Inhomogeneity

Segregasyon

Estriksyon

Dopaj

Oksijèn ak Kabòn

13.4Nouvo Metòd Kwasans Crystal

13.4.1Czochralski Kwasans akAppliedMagneticField (MCZ)

13.4.2Metòd Czochralski kontinyèl (CCZ)

13.4.3Neckingless Kwasans Metòd

Referans

Endistri yo ki

Voye rechèch