Czochralski-Methode - Czochralski method

Kristallisation
Grundlagen
Kristall  · Kristallstruktur  · Nukleation
Konzepte
Kristallisation  · Kristallwachstum Rekristallisation  · Impfkristall Protokristallin  · Einkristall
Methoden und Technologie
Boules Bridgman-Stockbarger Verfahren Kristallstab Verfahren Czochralski - Verfahren Epitaxy  · Flux Methode fraktionierte Kristallisation Fractional Einfrieren hydrothermale Synthese Kyropoulos Verfahren Laser heizte Sockel Wachstum Micro-Herunterziehen Formgebungsprozesse in dem Kristallwachstum Skulltiegel Verneuil - Methode Zonenschmelzen
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Die Czochralski-Methode , auch Czochralski-Technik oder Czochralski-Prozess , ist eine Methode der Kristallzüchtung, die verwendet wird, um Einkristalle von Halbleitern (zB Silizium , Germanium und Galliumarsenid ), Metallen (zB Palladium , Platin, Silber, Gold), Salzen und synthetischen Edelsteinen zu erhalten . Die Methode ist nach dem polnischen Wissenschaftler Jan Czochralski benannt , der die Methode 1915 bei der Untersuchung der Kristallisationsraten von Metallen erfand. Er machte diese Entdeckung durch Zufall: Anstatt seine Feder in sein Tintenfass zu tauchen, tauchte er sie in geschmolzenes Zinn und zeichnete einen Zinnfaden, der sich später als Einkristall herausstellte .

Die wichtigste Anwendung kann das Wachstum von großen zylindrisch sein Ingots oder Boules , aus einkristallinem Silizium in der Elektronikindustrie verwendet , um Halbleiterbauelemente wie integrierte Schaltungen . Auch andere Halbleiter wie Galliumarsenid lassen sich mit dieser Methode züchten , allerdings lassen sich in diesem Fall mit Varianten der Bridgman-Stockbarger-Methode geringere Defektdichten erzielen .

Das Verfahren ist nicht auf die Herstellung von Metall- oder Halbmetallkristallen beschränkt . Zum Beispiel wird es verwendet, um sehr hochreine Kristalle von Salzen herzustellen, einschließlich Materialien mit kontrollierter Isotopenzusammensetzung, für den Einsatz in Teilchenphysik-Experimenten, mit strengen Kontrollen (Teile-pro-Milliarde-Messungen) auf verwechselnde Metallionen und während der Herstellung absorbiertes Wasser.

Anwendung

Durch das Czochralski-Verfahren gezüchtetes monokristallines Silizium (Mono-Si) wird oft als monokristallines Czochralski-Silizium (Cz-Si) bezeichnet. Es ist das Grundmaterial bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen, die in Computern, Fernsehern, Mobiltelefonen und allen Arten von elektronischen Geräten und Halbleitergeräten verwendet werden . Monokristallines Silizium wird auch in großen Mengen von der Photovoltaikindustrie zur Herstellung konventioneller Mono-Si- Solarzellen verwendet . Die nahezu perfekte Kristallstruktur ergibt die höchste Licht-zu-Elektrizitäts-Umwandlungseffizienz für Silizium.

Herstellung von Czochralski-Silizium

Kristall aus Czochralski-gewachsenem Silizium

Hochreines Silizium in Halbleiterqualität (nur wenige Teile pro Million Verunreinigungen) wird in einem Tiegel bei 1.425 °C (2.597 °F; 1.698 K), normalerweise aus Quarz, geschmolzen . Dotierstoff-Fremdatome wie Bor oder Phosphor können dem geschmolzenen Silizium in genauen Mengen zugesetzt werden, um das Silizium zu dotieren , wodurch es in p-Typ- oder n-Typ- Silizium mit unterschiedlichen elektronischen Eigenschaften umgewandelt wird. In das geschmolzene Silizium wird ein genau ausgerichteter stabmontierter Impfkristall getaucht. Der Stab des Impfkristalls wird langsam nach oben gezogen und gleichzeitig gedreht. Durch die präzise Steuerung von Temperaturgradienten, Ziehgeschwindigkeit und Rotationsgeschwindigkeit ist es möglich, einen großen, einkristallinen, zylindrischen Barren aus der Schmelze zu extrahieren. Das Auftreten unerwünschter Instabilitäten in der Schmelze kann durch die Untersuchung und Visualisierung der Temperatur- und Geschwindigkeitsfelder während des Kristallwachstumsprozesses vermieden werden. Dieser Prozess wird normalerweise in einer inerten Atmosphäre wie Argon in einer inerten Kammer wie Quarz durchgeführt.

Kristallgrößen

Siliziumkristall wird nach der Czochralski-Methode bei Raytheon, 1956, gezüchtet. Die Induktionsheizspule ist sichtbar, und das Ende des Kristalls tritt gerade aus der Schmelze. Der Techniker misst die Temperatur mit einem optischen Pyrometer . Die Kristalle, die von dieser frühen Apparatur, die in einer frühen Si-Anlage verwendet wurde, hergestellt wurden, hatten nur einen Durchmesser von 1 Zoll.

Aufgrund von Skaleneffekten verwendet die Halbleiterindustrie häufig Wafer mit standardisierten Abmessungen oder gemeinsamen Waferspezifikationen . Am Anfang waren die Kugeln klein, ein paar cm breit. Mit fortschrittlicher Technologie verwenden Hersteller von High-End-Geräten Wafer mit 200 mm und 300 mm Durchmesser. Die Breite wird durch eine genaue Steuerung der Temperatur, der Rotationsgeschwindigkeit und der Geschwindigkeit, mit der der Saatbehälter herausgezogen wird, gesteuert. Die Kristallbarren, aus denen Wafer geschnitten werden, können bis zu 2 Meter lang sein und mehrere hundert Kilogramm wiegen. Größere Wafer ermöglichen eine Verbesserung der Herstellungseffizienz, da mehr Chips auf jedem Wafer mit geringerem relativen Verlust hergestellt werden können, so dass eine stetige Steigerung der Siliziumwafergrößen zu verzeichnen war. Die nächste Stufe, 450 mm, soll derzeit 2018 eingeführt werden. Siliziumwafer sind typischerweise etwa 0,2–0,75 mm dick und können für die Herstellung integrierter Schaltkreise auf eine große Ebenheit poliert oder für die Herstellung von Solarzellen texturiert werden .

Der Prozess beginnt, wenn die Kammer auf etwa 1500 Grad Celsius erhitzt wird und das Silizium schmilzt. Wenn das Silizium vollständig geschmolzen ist, wird ein kleiner Impfkristall am Ende einer rotierenden Welle langsam abgesenkt, bis er knapp unter die Oberfläche des geschmolzenen Siliziums eintaucht. Die Welle dreht sich gegen den Uhrzeigersinn und der Tiegel dreht sich im Uhrzeigersinn. Der rotierende Stab wird dann sehr langsam nach oben gezogen – bei der Herstellung eines Rubinkristalls mit etwa 25 mm pro Stunde –, wodurch eine ungefähr zylindrische Kugel entsteht. Die Kugel kann je nach Siliziumgehalt im Tiegel ein bis zwei Meter lang sein.

Die elektrischen Eigenschaften des Siliziums werden gesteuert, indem dem Silizium Materialien wie Phosphor oder Bor hinzugefügt werden, bevor es geschmolzen wird. Das hinzugefügte Material wird als Dotierstoff bezeichnet und der Vorgang wird als Dotierung bezeichnet. Dieses Verfahren wird auch bei anderen Halbleitermaterialien als Silizium verwendet, wie beispielsweise Galliumarsenid.

Einarbeiten von Verunreinigungen

Ein Ziehstab mit Impfkristall zum Züchten von einkristallinem Silizium nach der Czochralski-Methode

Tiegel, die in der Czochralski-Methode verwendet werden

Tiegel nach Gebrauch

Wenn Silizium nach dem Czochralski-Verfahren gezüchtet wird, befindet sich die Schmelze in einem Siliziumdioxid- ( Quarz- )Tiegel. Während des Wachstums lösen sich die Wände des Tiegels in der Schmelze auf und Czochralski-Silizium enthält daher Sauerstoff in einer typischen Konzentration von 10¹⁸
 cm^-3
. Sauerstoffverunreinigungen können vorteilhafte oder schädliche Wirkungen haben. Sorgfältig ausgewählte Glühbedingungen können zur Bildung von Sauerstoff geben Niederschlägen . Diese haben den Effekt, unerwünschte Übergangsmetallverunreinigungen in einem als Getter bekannten Prozess einzufangen , wodurch die Reinheit des umgebenden Siliziums verbessert wird. Jedoch ist die Bildung von Sauerstoff Niederschläge an vorgesehenen Stellen können auch elektrische Strukturen zerstören. Außerdem können Sauerstoffverunreinigungen die mechanische Festigkeit von Siliziumwafern verbessern, indem sie jegliche Versetzungen immobilisieren , die während der Verarbeitung der Vorrichtung eingeführt werden können. Experimentell wurde in den 1990er Jahren gezeigt , daß die hohe Sauerstoffkonzentration für die auch von Vorteil ist , Strahlungsunempfindlichkeit des Siliziums Teilchendetektoren verwendet in rauen Strahlungsumgebung (wie CERN ‚s LHC / HL-LHC - Projekte). Daher gelten Strahlungsdetektoren aus Czochralski- und magnetischem Czochralski-Silizium als vielversprechende Kandidaten für viele zukünftige Experimente der Hochenergiephysik . Es wurde auch gezeigt, dass die Anwesenheit von Sauerstoff in Silizium das Einfangen von Verunreinigungen während der Temperprozesse nach der Implantation erhöht.

Sauerstoffverunreinigungen können jedoch in einer beleuchteten Umgebung, wie sie von Solarzellen erfahren wird, mit Bor reagieren. Dies führt zur Bildung eines elektrisch aktiven Bor-Sauerstoff-Komplexes, der die Zellleistung beeinträchtigt. Die Modulleistung sinkt in den ersten Stunden der Belichtung um ca. 3%.

Mathematische Form

Bezüglich eines mathematischen Ausdrucks des Einbaus von Verunreinigungen aus der Schmelze sei Folgendes berücksichtigt.

Die Verunreinigungskonzentration in dem Festkristall, die sich aus dem Gefrieren einer Volumenmenge ergibt, kann unter Berücksichtigung des Segregationskoeffizienten erhalten werden.

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

${\displaystyle V_{0}}$: Anfangslautstärke

${\displaystyle I_{0}}$: Anzahl Verunreinigungen

${\displaystyle C_{0}}$: Verunreinigungskonzentration in der Schmelze

${\displaystyle V_{L}}$: Volumen der Schmelze

${\displaystyle I_{L}}$: Anzahl der Verunreinigungen in der Schmelze

${\displaystyle C_{L}}$: Konzentration von Verunreinigungen in der Schmelze

${\displaystyle V_{S}}$: Feststoffvolumen

${\displaystyle C_{S}}$: Konzentration von Verunreinigungen im Feststoff

Während des Wachstumsprozesses gefriert das Volumen der Schmelze und es werden Verunreinigungen aus der Schmelze entfernt. ${\displaystyle dV}$

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

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

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

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

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

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

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

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

Siehe auch

• Float-Zone-Silizium

Verweise

Externe Links

• Czochralski-Dopingverfahren
• Animation zur Siliziumwafer-Verarbeitung auf YouTube