Метод Чохральского

Кристаллизация
Основы
Кристалл  · Кристаллическая структура  · Зарождение
Концепции
Кристаллизация  · Рост кристаллов Перекристаллизация  · Затравочный кристалл Протокристаллический  · Монокристалл
Методы и технологии
Метод Булза Бриджмена – Стокбаргера Процесс кристаллического стержня Метод Чохральского Эпитаксия  · Метод флюса Фракционная кристаллизация Фракционное замораживание Гидротермальный синтез Метод Киропулоса Рост на пьедестале с лазерным нагревом Микроподтягивание вниз Процессы формообразования при выращивании кристаллов Тигель черепа Метод Вернейля Зонная плавка
v т е

Метод Чохральского , а также метод Чохральского или способ Чохральского , представляет собой способ роста кристаллов используется для получения монокристаллов из полупроводников (например , кремния , германия и арсенида галлия ), металлы (например , палладий , платина, серебро, золото), соли и синтетические драгоценные камни . Метод назван в честь польского ученого Ян Чохральского , ^[1] , который изобрел метод в 1915 году при исследовании скорости кристаллизации металлов. ^[2]Он сделал это открытие случайно: вместо того, чтобы окунуть ручку в чернильницу, он окунул ее в расплавленное олово и нарисовал оловянную нить, которая позже оказалась монокристаллом . ^[3]

Самое важное приложение может быть ростом больших цилиндрических слитков или слитков , из монокристаллического кремния , используемого в электронной промышленности , чтобы сделать полупроводниковые устройства , такими как интегральные схемы . Другие полупроводники, такие как арсенид галлия , также могут быть выращены этим методом, хотя меньшая плотность дефектов в этом случае может быть получена с использованием вариантов метода Бриджмена – Стокбаргера .

Метод не ограничивается производством металлических или металлоидных кристаллов. Например, он используется для производства кристаллов солей очень высокой чистоты, в том числе материалов с контролируемым изотопным составом, для использования в экспериментах по физике элементарных частиц, с жестким контролем (часть на миллиард измерений) смешивания ионов металлов и воды, поглощаемой во время производства. ^[4]

Заявление [ править ]

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, а также во всех типах электронного оборудования и полупроводниковых устройств . ^[5] Монокристаллический кремний также в больших количествах используется в фотоэлектрической промышленности для производства обычных солнечных элементов на основе моно-Si . Практически идеальная кристаллическая структура обеспечивает наивысшую эффективность преобразования света в электричество для кремния.

Производство кремния Чохральского [ править ]

Кремний полупроводникового качества высокой чистоты (всего несколько частей на миллион примесей) плавится в тигле при 1425 ° C (2597 ° F; 1698 K), обычно сделанном из кварца . Атомы легирующих примесей, такие как бор или фосфор, могут быть добавлены в расплавленный кремний в точных количествах для легирования кремния, тем самым превращая его в кремний p-типа или n-типа с различными электронными свойствами. Точно ориентированный затравочный кристалл на стержнепогружается в расплавленный кремний. Стержень затравочного кристалла медленно подтягивается вверх и одновременно вращается. Точно контролируя градиенты температуры, скорость вытягивания и скорость вращения, можно извлечь из расплава большой монокристаллический цилиндрический слиток. Возникновения нежелательных нестабильностей в расплаве можно избежать, исследуя и визуализируя поля температуры и скорости в процессе роста кристалла. ^[6] Этот процесс обычно выполняется в инертной атмосфере, такой как аргон , в инертной камере, такой как кварц.

Размеры кристаллов [ править ]

Из-за эффективности масштабирования полупроводниковая промышленность часто использует пластины со стандартизованными размерами или обычными спецификациями пластин . Раньше буль были маленькими, шириной несколько сантиметров. Благодаря передовым технологиям производители высокотехнологичных устройств используют пластины диаметром 200 мм и 300 мм. Ширина регулируется путем точного контроля температуры, скорости вращения и скорости, с которой выдвигается семенной держатель. Хрустальные слитки, из которых нарезаются пластины, могут достигать 2 метров в длину и весить несколько сотен килограммов. Пластины большего размера позволяют повысить эффективность производства, поскольку на каждой пластине можно изготовить больше микросхем с меньшими относительными потерями, поэтому наблюдается постоянное стремление к увеличению размеров кремниевых пластин. Следующая ступень, 450 мм, в настоящее время планируется ввести в 2018 г. ^[7]Кремниевые пластины обычно имеют толщину около 0,2–0,75 мм и могут быть отполированы до большой плоскостности для изготовления интегральных схем или текстурированы для изготовления солнечных элементов .

Процесс начинается, когда камера нагревается примерно до 1500 градусов Цельсия, в результате чего кремний плавится. Когда кремний полностью расплавлен, небольшой затравочный кристалл, установленный на конце вращающегося вала, медленно опускается, пока он не опустится чуть ниже поверхности расплавленного кремния. Вал вращается против часовой стрелки и по часовой стрелке тигля вращаетса ^{[ править ]} . Затем вращающийся стержень очень медленно тянется вверх - примерно 25 мм в час при изготовлении кристалла рубина ^{[8], что позволяет} сформировать цилиндрическую булю. Длина були может составлять от одного до двух метров, в зависимости от количества кремния в тигле.

Электрические характеристики кремния контролируются путем добавления в кремний таких материалов, как фосфор или бор, перед его расплавлением. Добавленный материал называется легирующим веществом, а процесс называется легированием. Этот метод также используется с полупроводниковыми материалами, отличными от кремния, такими как арсенид галлия.

Включая примеси [ править ]

Когда кремний выращен методом Чохральского, расплав содержатся в кремнезема ( кварц ) тигле. Во время роста стенки тигля растворяются в расплаве, поэтому кремний Чохральского содержит кислород в типичной концентрации 10¹⁸
 см⁻³
. Примеси кислорода могут иметь положительные или отрицательные эффекты. Тщательно подобранные условия отжига могут привести к образованию кислородных осадков . Они улавливают нежелательные примеси переходных металлов в процессе, известном как геттерирование , улучшая чистоту окружающего кремния. Однако образование осадков кислорода в непредусмотренных местах также может разрушить электрические структуры. Кроме того, примеси кислорода могут улучшить механическую прочность кремниевых пластин за счет иммобилизации любых дислокаций, которые могут появиться во время обработки устройства. В 1990-х годах было экспериментально показано, что высокая концентрация кислорода также влияет на радиационную стойкость.кремниевых детекторов частиц , используемых в суровых радиационной среде (например, ЦЕРН «s БАК / HL-LHC проектов). ^{[9] [10]} Таким образом, детекторы излучения, сделанные из кремния Чохральского и магнитного кремния Чохральского, считаются многообещающими кандидатами для многих будущих экспериментов по физике высоких энергий . ^{[11] [12]} Также было показано, что присутствие кислорода в кремнии увеличивает захват примесей во время процессов постимплантационного отжига. ^[13]

Однако примеси кислорода могут реагировать с бором в освещенной среде, например, в солнечных батареях. Это приводит к образованию электрически активного бор-кислородного комплекса, который ухудшает характеристики элемента. Мощность модуля снижается примерно на 3% в течение первых нескольких часов воздействия света. ^[14]

Математическая форма [ править ]

Относительно математического выражения включения примесей из расплава ^[15] рассмотрим следующее.

Концентрация примеси в твердом кристалле, возникающая в результате замораживания некоторого объема, может быть получена из рассмотрения коэффициента сегрегации.

${\ displaystyle k_ {O}}$: Коэффициент сегрегации

${\ displaystyle V_ {0}}$: Начальный объем

${\ displaystyle I_ {0}}$: Количество примесей

${\ displaystyle C_ {0}}$: Концентрация примесей в расплаве.

${\ displaystyle V_ {L}}$: Объем расплава

${\ displaystyle I_ {L}}$: Количество примесей в расплаве.

${\ displaystyle C_ {L}}$: Концентрация примесей в расплаве.

${\displaystyle V_{S}}$: Объем твердого тела

${\displaystyle C_{S}}$: Концентрация примесей в твердом веществе.

В процессе роста объем расплава замерзает, и из расплава удаляются примеси.${\displaystyle dV}$

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

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

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

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

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

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

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

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

Викискладе есть медиафайлы, связанные с методом Чохральского .

См. Также [ править ]

• Кремний с плавающей зоной

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Процесс допинга Чохральского
• Анимация обработки кремниевой пластины на YouTube