Single-Crystal Silicon: Growth And Properties

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

CZ MCZ Single crystal

Kísill, sem hefur verið og verður áfram ríkjandi efni í hálfleiðaraiðnaðinum um nokkurt skeið [13.1], mun flytja okkur inn í öflugt stórfellda sameiningartímann (ULSI) og kerfið-ona-flís (SOC) tímabilið.

Eftir því sem raftækjum hefur fleygt fram hefur afköst tækjanna orðið næmari fyrir gæðum og eiginleikum efnanna sem notuð eru til að smíða þau.

Germanium (Ge) var upphaflega notað sem hálfleiðaraefni fyrir solid state raftæki. Þröngt bandgap (0,66 eV) Ge takmarkar hins vegar notkun þýskt búnaðar við hitastig um það bil 90∘C vegna mikils lekastrauma sem sést við hærra hitastig. Víðara bandgap kísils (1.12 eV) leiðir hins vegar til rafeindatækja sem geta starfað við allt að $\approx 200^{\circ} C$ . Hins vegar er meira alvarlegt vandamál en þröngt bandgap: germanium veitir ekki auðveldlega astable passivation lag á yfirborðinu. Til dæmis þýskt díoxíð (GeO2) er vatnsleysanlegt og sundrast við um það bil 800∘C. Kísill, þvert á germanium, rúmar auðveldlega yfirborðshöggun með því að mynda kísildíoxíð (SiO2), sem veitir undirliggjandi tæki mikla vernd. Þetta stöðuga SiO2lag hefur í för með sér ákjósanlegan ávinning fyrir kísil umfram germanium sem grunnleiðaraefni sem notað er við framleiðslu rafeindatækja. Þessi kostur hefur leitt til fjölda nýrrar tækni, þar með talin ferli við dreifingarlyf og skilgreint flókið mynstur. Aðrir kostir kísils eru að það er algerlega óeitrað og að kísill (SiO2), hráefnið sem kísill er fenginn úr, nær til um það bil 60%steinefnainnihalds jarðskorpunnar. Þetta felur í sér að hráefnið sem sílikon er fengið úr er fáanlegt í miklu framboði til samþætta hringrásarinnar (IC) iðnaður. Þar að auki er hægt að fá rafrænt sílikon með minna en tíunda kostnaði af germanium. Allir þessir kostir hafa valdið því að kísill kemur næstum algerlega í stað germanium í hálfleiðaraiðnaðinum.

Þó að kísill sé ekki ákjósanlegasti kosturinn fyrir öll rafeindatæki, þá þýðir kostur þess að það mun nánast örugglega ráða yfir hálfleiðaraiðnaðinum í þó nokkurn tíma.

13.1Yfirlit

Mjög frjósöm samskipti hafa átt sér stað milli notenda og framleiðenda hálfleiðaraefnis síðan uppfinning snertitransistorsins fannst árið 1947, þegar nauðsyn var áfullkominn og hreinnkristallar voru viðurkenndir. Samkeppnin var oft slík að kristalgæðin sem ný tæki krefjast var aðeins hægt að ná með því að stjórna kristalvöxt með rafeindabúnaði sem smíðaður var með þessum nýju tækjum. Þar sem dislocation-frjáls sílikon kristallar voru ræktaðir strax á sjötta áratugnum með því að notaDash tækni[13.2], rannsóknir á hálfleiðurum og þróunarviðleitni hafa einbeitt sér að efnishreinleika, framleiðsluafrakstri og vandamálum sem tengjast framleiðslu tækja.

Hálfleiðaratæki og rafrásir eru framleiddar með fjölbreyttum vélrænum, efnafræðilegum, eðlisfræðilegum og varma ferlum. Aflow skýringarmynd fyrir dæmigerða hálfleiðara kísil undirbúningsferla er sýnd á mynd.13.1. Undirbúningur kísil hvítra hvarfefna með vélrænum og efnafræðilega fáguðum flötum er fyrsta skrefið í löngu og flóknu ferli tækjagerðar.

Fig. 13.1 — Mynd 13.1
Rennslismynd fyrir dæmigerða undirbúning aðferð við hálfleiðarakísil. (Eftir [13.1])

Eins og fram kemur hér að framan er kísill næstmesti þáttur jarðarinnar; meira en 90%jarðskorpunnar er samsett úr kísil og sílikötum. Í ljósi þessa takmarkalausa framboðs hráefnis er vandamálið þá að umbreyta kísil í það nothæfa ástand sem hálfleiðaratæknin krefst. Fyrsta og megin krafan er að kísillinn sem notaður er fyrir rafeindatæki verði að vera mjög hreinn, þar sem mjög lítið magn af sumum óhreinindum hefur sterk áhrif á rafeindareinkenni kísils og því frammistöðu rafeindatækisins. Önnur krafan er um kristalla með stórt þvermál, þar sem flísafraksturinn á obláta eykst verulega með stærri þvermál, eins og sýnt er á mynd.13.2vegna málsins DRAM [13.3], eitt algengasta rafeindatækið. Að auki hreinleika og þvermál, verður framleiðslukostnaður og forskriftir efnisins, þ.mt vaxinn gallaþéttleiki og viðnámseinleiki, að uppfylla núverandi kröfur iðnaðarins.

Fig. 13.2 — Mynd 13.2
Flís á hverri oblátu sem aðgerð DRAM kynslóðarinnar. (Eftir [13.3])

Í þessum kafla eru núverandi aðferðir við gerð kísils - umbreytir hráefninu í einkristallaðan kísil (sjá mynd.13.1) - eru ræddar.

13.2Byrjunarefni

13.2.1Kísill úr málmgráðu

Upphafsefnið fyrir kísil einn kristalla með miklum hreinleika er kísill (SiO2). Fyrsta skrefið í kísilframleiðslu er bráðnun og minnkun kísils. Þetta er gert með því að blanda kísil og kolefni í formi kola, kók eða tréflís og hita blönduna að háum hita í rafbogaofni sem er í kafi. Þessi kolvetnisskerðing á kísil framleiðir bræddan kísil

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

(13.1) Flókin viðbrögð koma fram í ofninum við hitastig á bilinu 1500 til 2000∘C. Kísilmolarnir sem fengnir eru við þetta ferli eru kallaðir málm-kísill (MG-Si) og hreinleiki þess er um það bil 98–99%.

13.2.2Polykristallaður kísill

Milliefni efnasambanda

Næsta skref er að hreinsa MG-Si að stigi hálfleiðara-kísils (SG-Si), sem er notað sem upphafsefni fyrir einkristallaðan kísil. Grunnhugmyndin er sú að MG-Si í dufti, sé hvarfað við vatnsfrían HCl til að mynda ýmis klórsilan efnasambönd í hvítum rúmsofni. Síðan eru silanin hreinsuð með eimingu og efnafræðilegri gufuútfellingu (CVD) til að mynda SG-fjölkísil.

Fjöldi efnafræðilegra efnasambanda hefur verið íhugaður, svo sem monosilane (SiH4), kísil tetraklóríð (SiCl4), tríklórsilan (SiHCl3) og díklórsilan (SiH2Cl2). Meðal þessara er tríklórsílan oftast notað til síðari útfellingar af fjölkísil af eftirfarandi ástæðum:

1.
Það getur auðveldlega myndast við hvarf vatnsfrís vetnisklóríð við MG-Si við hæfilega lágan hita (200–400∘C).
2.
Það er fljótandi við stofuhita og því er hægt að hreinsa með venjulegri eimingartækni.
3.
Það er auðvelt í meðförum og er hægt að geyma það í kolstálstönkum þegar það er þurrt.
4.
Fljótandi tríklórsílan er gufað upp auðveldlega og þegar það er blandað við vetni er hægt að flytja það með stállínum.
5.
Það er hægt að minnka það við lofthjúp í nærveru vetnis.
6.
Útfelling þess getur átt sér stað á upphitaðri kísil og útilokar þar með snertingu við aðskotahluti sem geta mengað kísilinn sem myndast.
7.
Það bregst við lægra hitastigi (1000–1200∘C) og hraðar en kísil tetraklóríð.

Saltsýrsla kísils

Tríklórsilan er smíðað með því að hita MG-Si í dufti í dufti í kringum 300∘C í afloftized bed reactor. Það er, MG-Si er breytt í SiHCl3samkvæmt eftirfarandi viðbrögðum

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

(13.2) Viðbrögðin eru mjög exothermic og því verður að fjarlægja hita til að hámarka afrakstur tríklórsilan. Þó að breyta MG-Si í SiHCl3eru ýmis óhreinindi eins og Fe, Al og B fjarlægð með því að breyta þeim í halíðin þeirra (FeCl3, AlCl3og BCl3, hver um sig), og aukaafurðir eins og SiCl4og H2eru einnig framleiddar.

Eiming og niðurbrot tríklórsílan

Eiming hefur verið mikið notuð til að hreinsa tríklórsílan. Tríklórsílan, sem hefur lágan suðumark (31.8∘C), er eimað hlutlaust frá óhreinum halíðum, sem leiðir til stóraukinnar hreinleika, með rafvirkan óhreinindastyrk sem er minni en 1 ppba. Hreinleiki tríklórsílanið er síðan gufað upp, þynnt með vetni með mikilli hreinleika og sett í útfellingarofninn. Í hvarfanum eru þunnar kísilstangir sem kallast grannar stangir sem studdar eru af grafít rafskautum til staðar fyrir yfirborð kísils í samræmi við viðbrögðin

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

(13.3) Til viðbótar við þessi viðbrögð eiga sér stað eftirfarandi viðbrögð einnig við útfellingu fjölkísil, sem leiðir til myndunar kísil tetraklóríðs (aðal aukaafurð ferlisins)

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

(13.4) Þetta kísil tetraklóríð er til dæmis notað til að framleiða kvarts með mikilli hreinleika.

Óþarfur að segja til um að hreinleiki grannra stanganna verður að vera sambærilegur við kísilinn sem komið er fyrir. Grannar stangir eru forhitaðar í um það bil 400∘C við upphaf kísil CVD ferilsins. Þessa upphitun er krafist til að auka leiðni grannra stanga með miklum hreinleika (hárþol) nægilega til að gera kleift að þola upphitun. Innlán í 200–300 klst. Um 1100∘C hefur í för með sér að hreinsa fjölkísilstöngir sem eru 150–200 mm í þvermál. Margkísilstangirnar eru lagaðar í ýmsar gerðir fyrir síðari kristalvaxtarferla, svo sem klumpa fyrir Czochralski bræðsluvöxt og langa sívala stangir til að fljóta svæði. Aðferðinni til að draga úr tríklórsílan á hituðum kísilstöng með vetni var lýst seint á fimmta áratugnum og snemma á sjöunda áratug síðustu aldar í fjölda einkaleyfa á ferli sem úthlutað var til Siemens; þess vegna er þetta ferli oft kallaðSiemens aðferð[13.4].

Helstu ókostir Siemens aðferðarinnar eru léleg skilvirkni kísils og klórs, tiltölulega lítil lotustærð og mikil orkunotkun. Léleg umbreytingarhagkvæmni kísils og klórs tengist miklu magni kísil tetraklóríðs sem framleitt er sem aukaafurð í CVD ferlinu. Aðeins um það bil 30%kísilsins sem veitt er í CVD viðbragðinu er breytt í fjölhreinsikísil. Einnig getur kostnaður við framleiðslu fjölhreinsikísil verið háð notagildi aukaafurðarinnar, SiCl4.

Monosilane ferli

Apolysilicon framleiðslutækni byggð á framleiðslu og pýlósýringu monosilane var komið á fót seint á sjöunda áratugnum. Mónósílan sparar mögulega orku vegna þess að það setur fjölkísil við lægra hitastig og framleiðir hreinna fjölkísil en tríklórkísilferlið; þó, það hefur varla verið notað vegna skorts á hagkvæmri leið til monosilane og vegna vinnsluvandamála í útfellingarstiginu [13.5]. Hins vegar, með nýlegri þróun hagkvæmra leiða til háhreinsaðs sílans og árangursríkrar virkjunar í stórum stíl, hefur þessi tækni vakið athygli hálfleiðaraiðnaðarins, sem krefst hærri hreinleika kísils.

Í núverandi einhliða vinnsluaðferðum er magnesíum og MG-Si duft hitað í 500∘C undir vökva andrúmslofti til að mynda magenesíum kísil (Mg2Si), sem síðan er látið hvarfast við ammoníumklóríð (NH4Cl) í fljótandi ammoníaki (NH3) fyrir neðan 0∘C til að mynda mónósílan (SiH4). Hreinleiki fjölkísill er síðan framleiddur með súlpíngun einokísilsins á mótþróaðri fjölkísilþráðum við 700–800∘C. Í einokunarframleiðsluferlinu eru flest bór óhreinindi fjarlægð úr silani með efnahvörfum við NH3. Aboron innihald 0,01–0,02 ppba í fjölkísil hefur náðst með amónósílanferli. Þessi styrkur er mjög lágur miðað við þann sem sést í fjölkísil sem búið er til úr tríklórsílani. Þar að auki er fjölkísil sem myndast er minna mengað af málmum sem eru teknir upp með efnaflutningsferlum vegna þess að monosilan niðurbrot veldur ekki tæringarvandamálum.

Kornótt fjölliðakísil

Óvenjulega mismunandi aðferð, sem notar niðurbrot monosilane í afrennslisofninum til að framleiða fríflæðandi kornótt fjölkísil, hefur verið þróað [13.5]. Örlitlar kísilfræagnir eru vökvaðar í amónósílan ∕ vetnisblöndu og fjölkísil er komið fyrir til að mynda frjálsflæðandi kúlulaga agnir sem eru að meðaltali 700 μm í þvermál með dreifingu á stærð 100-1500 μm. Vökvabeðin fræin voru upphaflega framleidd með því að mala SG-Si í aball eða hamar myllu og útskola vöruna með sýru, vetnisperoxíði og vatni. Þetta ferli var tímafrekt og kostnaðarsamt og hafði tilhneigingu til að koma óæskilegum óhreinindum í kerfið í gegnum málmkvörnina. Hins vegar, í nýrri aðferð, eru stórar SG-Si agnir reknar hver á aðra með háhraða gasstraumi sem veldur því að þær brotna í agnir af hentugri stærð fyrir vökvabeðið. Þetta ferli kynnir engin erlend efni og þarfnast ekki útskolunar.

Vegna stærra yfirborðs kornótts fjölkísils eru viðbrögð með hvirfilbeði miklu skilvirkari en hefðbundnir stangavarnir frá Siemens. Sýnt hefur verið fram á að gæði margsilíkísons með vökvabeði jafngildir fjölkísil sem framleitt er með hefðbundnari Siemens aðferð. Ennfremur gerir kornótt kísilíkon af flæðandi formi og mikill þéttleiki kristallaræktendur kleift að fá sem mest út úr hverri framleiðsluhlaupi. Það er, í Czochralski kristalvaxtarferlinu (sjá eftirfarandi kafla) er hægt að fylla deiglur fljótt og auðveldlega í einsleitar álag sem venjulega eru meiri en handahófskenndar fjölkísilbitum sem framleiddar eru með Siemens aðferðinni. Ef við tökum einnig tillit til möguleika tækninnar til að fara úr lotuaðgerð til stöðugs togs (rætt síðar), getum við séð að frjálsfljótandi fjölkísilkorn gætu veitt hagstæðan leið ójafnt fóður inn í bráð í stöðugu ástandi. Þessi vara virðist vera þróunarefni sem lofar miklu fyrir kísilkristallvöxt.

13.3Vöxtur eins kristals

Þrátt fyrir að ýmsar aðferðir hafi verið notaðar til að umbreyta fjölkísil í staka kristalla af kísli, þá hafa tvær aðferðir haft yfirburði í framleiðslu þeirra fyrir rafeindatækni vegna þess að þær uppfylla kröfur iðnaðarins um rafiðnað. Ein er azon-bráðnun aðferð sem almennt er kölluðfljótandi svæði (FZ) aðferð, og hin er apulling aðferð sem jafnan er kölluðCzochralski (CZ) aðferð, þó að það ætti í raun að heitaTeal – Lítil aðferð. Meginreglurnar á bak við þessar tvær kristalla vaxtaraðferðir eru sýndar á mynd.13.3. Í FZ aðferðinni fer amolten svæði í gegnum apolysilicon stöng til að umbreyta því í eins kristal hleðslu; í CZ aðferðinni, er eins kristallur ræktaður með því að draga úr amelti sem er í vatns deiglu. Í báðum tilvikum erfræ kristalgegnir mjög mikilvægu hlutverki við að öðlast eins kristal með óæskilegum kristallaðri stefnumörkun.

Fig. 13.3a,b — Mynd 13.3a, b
Meginreglur um einn kristalvöxt með (a) fljótandi svæðisaðferð og (b) Czochralski aðferð. (Eftir [13.1])

Talið er að um 95%af allri kristals kísil er framleiddur með CZ aðferðinni og afgangurinn aðallega með FZ aðferðinni. Kísil hálfleiðaraiðnaðurinn krefst mikillar hreinleika og lágmarksgallaþéttni í kísilkristöllum þeirra til að hámarka framleiðslu tækjanna og rekstrarárangur. Þessar kröfur verða sífellt strangari eftir því sem tæknin breytist úr LSI í VLSI ∕ ULSI og síðan SOC. Fyrir utan gæði eða fullkomnun kísilkristalla hefur kristalþvermál einnig aukist jafnt og þétt til að mæta kröfum framleiðenda tækjanna. Þar sem ör-rafflísar eru framleiddar með alotukerfi, þvermál kísilplata sem notuð eru við tækjaframleiðslu hefur veruleg áhrif á framleiðni (eins og sýnt er á mynd.13.2), og aftur á móti framleiðslukostnaður.

Í eftirfarandi köflum ræðum við fyrst FZ aðferðina og förum síðan yfir í CZ aðferðina. Fjallað verður nánar um hið síðarnefnda vegna mikils mikilvægis þess fyrir ör rafiðnaðinn.

13.3.1Fljótandi aðferð

Almennar athugasemdir

FZ aðferðin var upprunnin frá bráðnun svæða, sem var notuð til að betrumbæta tvöföld málmblöndur [13.6] og var fundin upp afRannsakandi[13.7]. Viðbrögð fljótandi kísils við efnið sem notað er í deigluna leiddi til þróunar FZ aðferðarinnar [13.8], sem gerir kleift að kristalla kísil án þess að þurfa snertingu við deigluefnið, sem þarf til að geta ræktað kristalla af nauðsynlegri hálfleiðurahreinleika.

Yfirlit yfir ferlið

Í FZ ferlinum er apolysilicon stöng breytt í eins kristal hleðju með því að fara yfir amolten svæði hitað með ane-eye spólu frá einum enda stangarinnar til hins, eins og sést á mynd.13.3a. Í fyrsta lagi er haft samband við toppinn á fjölkísilstönginni og hún sameinuð kristall með kristalli með viðeigandi kristalstefnu. Þetta ferli er kallaðsáningu. Fræða bráðna svæðið er leitt í gegnum fjölkísilstöngina með því að færa eins kristalsfræið niður stöngina. Þegar bráðna svæði kísils storknar er polysilicon breytt í einkristallað kísil með hjálp frækristallsins. Þegar svæðið ferðast meðfram fjölkísilstönginni, frystist einkristall kísill við enda hans og vex sem framlenging frækristallsins.

Eftir sáningu myndast þvottaháls sem er um 2 eða 3 mm í þvermál og 10–20 mm langur. Þetta ferli er kallaðhálsmál. Vaxandi öxull útilokar rýringu sem hægt er að koma í nývaxinn einkristall kísil meðan á sáningu stendur vegna hitastuðs. Þetta hálsferli, kallaðDash tækni[13.2], er því grundvallaratriði í vaxandi lausafríum kristöllum og er notað alhliða bæði í FZ og CZ aðferðum. Röntgengeislamynd af fræinu, hálsinum og keilulaga hluta eins sílikons kristals ræktað með FZ aðferðinni er sýnt á mynd.13.4. Það er augljóst að dislocations sem myndast við bræðslusnertuna eru fullkomlega útrýmt með hnakka. Eftir að keilulaga hlutinn er myndaður er meginhlutinn með fullu þvermáli vaxinn. Á öllu FZ vaxtarferlinu er lögun bráðna svæðisins og þvermál holunnar ákvörðuð með því að stilla kraftinn að spólunni og ferðatíðni, sem bæði eru undir tölvustjórnun. Aðferðin sem oftast er notuð til að stjórna þvermál sjálfkrafa bæði í FZ og CZ aðferðum notar innrauða skynjara sem einbeittur er að meniscus. Lögun meniscusins á ræktandi kristal er háð snertishorni hans við þriggja fasa mörk, kristalþvermál og stærð yfirborðsspennu. Skipting á hornhimnu (og þar af leiðandi kristalþvermál) er skynjuð og upplýsingarnar færðar til baka til að laga vaxtarskilyrði sjálfkrafa.

Fig. 13.4 — Mynd 13.4
Röntgenmyndataka af fræi, hálsi og keilulaga hluta kísils fljótandi svæðis. (Með leyfi Dr. T. Abe)

Öfugt við CZ kristalvöxt, þar sem sáðkristallinu er dýft í sílikonbræðsluna og vaxandi kristalinn dreginn upp, í FZ aðferðinni viðheldur þunnur frækristallinn vaxandi kristal, eins og fjölkísilstöngin frá botninum (mynd.13.3). Sem afleiðing er stöngin í jafnvægi á þunnu fræinu og hálsinum meðan á vaxtarferlinu stendur. Fræið og hálsinn geta borið allt að 20 kg kristal svo framarlega sem þungamiðja vaxandi kristals er áfram í miðju vaxtarkerfisins. Ef þyngdarmiðjan færist frá miðlínunni brotnar fræið auðveldlega. Þess vegna var nauðsynlegt að finna upp acrystal stöðugleika og stuðningstækni áður en hægt var að rækta langa og þunga FZ kísilkristalla. Fyrir stóra kristalla er nauðsynlegt að styðja við vaxandi kristal á þann hátt sem sýnt er á mynd.13.5[13.9], sérstaklega þegar um er að ræða nýlega FZ kristalla með stóra þvermál (150–200 mm), þar sem þyngd þeirra fer auðveldlega yfir 20 kg.

Fig. 13.5 — Mynd 13.5
Stuðningskerfi fyrir kísilkristall á flot svæði. (Eftir [13.9])

Lyfjamisnotkun

Til þess að fá n- eða p-gerð sílikon einkristalla með nauðsynlegri viðnám, verður annaðhvort að dópa fjölkísilinu eða vaxandi kristalnum með viðeigandi óhreinindum af gjafa eða viðtaka. Þrátt fyrir FZ kísilvöxt, þó að nokkrar lyfjatækni hafi verið reyndar, eru kristallarnir venjulega dópaðir með því að blása aðlögunargas eins og fosfín (PH3) fyrir n-gerð kísil eða díboran (B2H6) fyrir p-gerð kísil á bráðna svæðið. Lyfið með lyfinu er venjulega þynnt með gasi, eins og argoni. Stóri kosturinn við þessa aðferð er sá að framleiðandi kísilkristalla þarf ekki að geyma fjölkísilgjafa með mismunandi viðnám.

Þar sem aðgreiningin (sem fjallað er um í næsta undirkafla) náttúrulegra lyfja fyrir kísil af gerðinni n er miklu minna en eining, hafa FZ kristallar, sem eru dopaðir með hefðbundinni aðferð, geislamyndun á lyfjum. Þar að auki, þar sem kristöllunarhraði er breytilegur í geislamyndun á smásjárskala, dreifist styrkur lyfsins með hringrás og gefur tilefni til svokallaðrareiturlyfjaþræðingar, sem hefur í för með sér geislamyndun ósamleitni. Til þess að fá einsleitari dópaðan n-gerð kísil, dreifingu lyfja með nifteindum (NTD) hefur verið borið á FZ kísilkristalla [13.10]. Þessi aðferð felur í sér kjarnorkusending kísils í fosfór með því að sprengja kristalinn með varma nifteindum samkvæmt viðbrögðum

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

(13.5) Geislavirka samsætan31Si myndast þegar30Si fangar loftleysi og rotnar síðan niður í stöðuga samsætuna31P (gjafaratóm), en dreifing þess er ekki háð kristalvöxtum. Strax eftir geislun sýna kristallarnir mikla viðnám, sem er rakið til mikils fjölda grindargalla sem stafa af geislaskemmdum. Geislaða kristalinn verður því að vera glæddur í óvirku umhverfi við hitastig um 700∘C í því skyni að uppræta galla og endurheimta viðnám við það sem fosfór lyfjamisnotkun. Samkvæmt NTD kerfinu eru kristallar ræktaðir án lyfjamisnotkunar og síðan geislaðir í kjarnaofni með stóru hlutfalli varma og hraðra nifteinda til að auka nifteindatöku og lágmarka skemmdir á kristalgrindinni.

Notkun NTD hefur nær eingöngu verið takmörkuð við FZ kristalla vegna meiri hreinleika þeirra miðað við CZ kristalla. Þegar NTD tækninni var beitt á CZ kísilkristalla kom í ljós að myndun súrefnisgjafa meðan á glæðingu stóð eftir geislun breytti viðnám frá því sem búist var við, jafnvel þó einsleitni fosfórgjafa náðist [13.11]. NTD hefur þann viðbótargalla að ekkert ferli er í boði fyrir lyf af lyfjum af P-gerð og að of geislunartímabil er krafist fyrir lága viðnám (á bilinu 1–10 Ω cm).

Eiginleikar FZ-Silicon Crystal

Við FZ kristalvöxt kemst bráðna kísillinn ekki í snertingu við önnur efni en umhverfisloftið í vaxtarhólfinu. Þess vegna er FZ kísilkristall í eðli sínu aðgreindur með hærri hreinleika miðað við aCZ kristal sem er ræktaður úr bráðnuninni - sem snertir snertingu við vatns deiglu. Þessi snerting hefur í för með sér mikla súrefnisóhreinleika styrk sem er um það bil 1018frumeindir ∕ cm3í CZ kristöllum en FZ kísill inniheldur minna en 1016frumeindir ∕ cm3. Þessi meiri hreinleiki gerir FZ kísil kleift að ná mikilli mótstöðu sem ekki fæst með CZ kísil. Flest FZ kísill sem neytt er hefur viðnám milli 10 og 200 Ω cm, en CZ kísill er venjulega tilbúinn til að þola 50 Ω cm eða minna vegna mengunar frá kvars deiglunni. FZ kísill er því aðallega notaður til að búa til hálfleiðara aflbúnað sem styður öfugspennu umfram 750–1000 V. Háhreinleiki kristalvöxtur og nákvæm lyfjameðferð NTD FZ-Si hafa einnig leitt til notkunar í innrauðum skynjara13.12], til dæmis.

Hins vegar, ef við hugleiðum vélrænan styrk, hefur verið viðurkennt í mörg ár að FZ kísill, sem inniheldur færri súrefnis óhreinindi en CZ kísill, er vélrænt veikari og viðkvæmari fyrir hitastressi við tækjagerð [13.13,13.14]. Háhitavinnsla á kísilplötur við framleiðslu rafeindatækja framleiðir oft nægjanlegt hitastig til að mynda miðflæði og vinda. Þessi áhrif hafa í för með sér ávöxtunartap vegna leka gatnamóta, galla í rafmagni og minni líftíma, auk minni afkasta ljóssviðs vegna niðurbrots flatneskju obláta. Tap á rúmfræðilegri afbrigði vegna skjálfta getur verið svo alvarlegt að oblöðin eru ekki unnin frekar. Vegna þessa hafa CZ kísilblöð verið notuð mun víðar í IC búnaðarframleiðslu en FZ skífur. Þessi munur á vélrænni stöðugleika gagnvart hitastreitu er ríkjandi ástæða þess að CZ kísilkristallar eru eingöngu notaðir til framleiðslu á IC sem krefjast mikils fjölda hitauppstreymisþrepa.

Til þess að vinna bug á þessum göllum FZ kísils er vöxtur FZ kísilkristalla með lyfjaóhreinindi eins og súrefni [13.15] og köfnunarefni [13.16] hefur verið reynt. Í ljós kom að lyfjamisnotkun FZ kísilkristalla með súrefni eða köfnunarefni í styrk $1 - 1.5 \times 10^{17} a t o m s / c m^{3}$ eða $1.5 \times 10^{15} a t o m s / c m^{3}$ , hver um sig, leiðir til merkilegrar aukningar á vélrænni styrk.

13.3.2Czochralski aðferð

Almennar athugasemdir

Þessi aðferð var kennd við J. Czochralski, sem stofnaði tækni til að ákvarða kristöllunarhraða málma [13.17]. Hins vegar var hin raunverulega togaaðferð sem hefur verið beitt víða við einn kristalvöxt þróuð afTealogLítið[13.18], sem breytti grundvallarreglu Czochralski. Þeir voru þeir fyrstu sem tókst að vaxa einkristalla af germanium, 8 tommur að lengd og 0,75 tommur í þvermál, árið 1950. Þeir hannuðu síðan annað tæki til vaxtar kísils við hærra hitastig. Þrátt fyrir að grunnframleiðsluferlið fyrir einkristall kísil hafi lítið breyst frá því Teal og vinnufélagar voru frumkvöðlar, kísil einkristallar í stórum þvermál (allt að 400 mm) með mikla fullkomnun sem uppfylla nýjustu tækið kröfur hafa verið auknar með því að fella Dash tækni og tækninýjungar í röð í tækið.

Rannsókna- og þróunarviðleitni dagsins varðandi kísilkristalla beinist að því að ná smásjá einsleitni kristallaeiginleika svo sem viðnám og styrk óhreininda og örgalla, svo og smásjárstjórnunar á þeim, sem fjallað verður um annars staðar í þessari handbók.

Yfirlit yfir ferlið

Þrjú mikilvægustu skrefin í CZ kristalvöxtum eru sýnd á skýringarmynd á mynd.13.3b. Í grundvallaratriðum er CZ-vaxtarferlið svipað og hjá FZ-vexti: (1) bráðnun fjölkísils, (2) sáningu og (3) vaxandi. CZ togaðferðin er hins vegar flóknari en FZ vöxtur og er aðgreind frá henni með því að nota vatns deiglu til að innihalda bráðna kísilinn. Mynd13.6sýnir aschematic sýn á dæmigerðum nútíma CZ kristal vaxtarbúnaði. Mikilvæg skref í raunverulegri eða venjulegri CZ kísil kristal vaxtaröð eru sem hér segir:

1.
Polysilicon klumpur eða korn eru sett í vatns deiglu og brædd við hitastig hærra en bræðslumark kísils (1420∘C) í óvirku umhverfi gasi.
2.
Bræðslunni er haldið við hátt hitastig um hríð til að tryggja fullkomna bráðnun og útkast litla loftbólu, sem getur valdið tómum eða neikvæðum kristalla göllum, frá bráðnuninni.
3.
Fræskristalli með viðeigandi kristalstefnu er dýft í bráðnina þar til hún byrjar að bræða sig. Fræið er síðan dregið úr bráðnuninni þannig að hálsinn myndast með því að minnka þvermál smám saman; þetta er viðkvæmasta skrefið. Meðan á öllu kristalla vaxtarferlinu stendur rennur óvirkt gas (venjulega argón) niður um togklefann til að flytja burt hvarfafurðir eins og SiO og CO.
4.
Með því að auka kristalþvermál smám saman eru keilulaga hluti og öxl vaxin. Þvermálið er aukið upp að markþvermálinu með því að draga toghraða og ∕ eða bræðsluhitastigið.
5.
Að lokum er sívalur hluti líkamans með stöðugu þvermáli vaxinn með því að stjórna toghraða og bræðsluhita meðan bætt er fyrir lækkun bræðslumarksins þegar kristalinn vex. Dráttarhraði minnkar almennt í átt að skottenda ræktandi kristals, aðallega vegna aukinnar hitageislunar frá deigluveggnum þegar bræðslumarkið lækkar og afhjúpar meiri deigluvegg fyrir vaxandi kristal. Undir lok vaxtarferlisins, en áður en deiglan er tæmd að fullu af bráðnu kísli, verður kristalþvermál að minnka smám saman til að mynda endakúlu til að lágmarka hitastuð, sem getur valdið rennibrautum í halaendanum. Þegar þvermálið verður nógu lítið er hægt að aðskilja kristalinn frá bræðslunni án kynslóða.

Mynd13.7sýnir fræendahluta eins vaxins CZ kísilkristals. Þó að korn, sem er umskiptasvæðið frá fræinu að sívala hlutanum, sé yfirleitt myndað til að vera frekar flatt af efnahagslegum ástæðum, þá gæti verið að mjókka lögun sé æskileg út frá kristalssjónarmiði. Ekki ætti að nota axlarhlutann og nágrenni hans við tækjagerð vegna þess að þessi hluti er talinn umbreytingarsvæði í mörgum skilningi og hann sýnir óeðlilega kristal einkenni vegna skyndilegra breytinga á vaxtarskilyrðum.

Fig. 13.6 — Mynd 13.6
Skýringarmynd af dæmigerðu Czochralski sílikonkristallkerfi. (Eftir [13.1])

Fig. 13.7 — Mynd 13.7
Seed-endi hluti af vaxnum Czochralski kísilkristöllum

Mynd13.8sýnir sérstaklega stóran eins og vaxinn CZ kísilkristalhleif sem er 400 mm í þvermál og 1800 mm að lengd sem Super Silicon Crystal Research Institute Corporation í Japan ræktar [13.3].

Fig. 13.8 — Mynd 13.8
Sérstaklega stórt vaxið Czochralski kísilhleifur 400 mm í þvermál og 1800 mm á lengd. (Með leyfi Super Silicon Crystal Research Institute Corporation, Japan)

Áhrif á staðbundna staðsetningu inaGrownCrystal

Eins og mynd.13.9sýnir greinilega, hver hluti af aCZ kristal er ræktaður á ólíkum tíma með mismunandi vaxtarskilyrðum [13.19]. Þess vegna er mikilvægt að skilja að hver hluti hefur mismunandi kristal einkenni og mismunandi hitasögu vegna mismunandi stöðu þess meðfram kristal lengdinni. Til dæmis hefur fræendahlutinn meiri hitasögu, allt frá bræðslumarki 1420 til um 400∘C í apuller, en skottendahlutinn á sér sögu og er kældur frekar hratt frá bræðslumarkinu. Að lokum gæti hver kísilplata sem unnin er úr ólíkum hluta ræktaðs kristals sýnt mismunandi eðlisefnafræðileg einkenni eftir staðsetningu þess í götunni. Reyndar hefur verið greint frá því að súrefnisúrkomuhegðun sýnir mestu staðsetningarfíkn, sem aftur hefur áhrif á myndun magngalla [13.20].

Fig. 13.9 — Mynd 13.9
Varma umhverfi á Czochralski kristalvöxtum á upphafs- og lokastigi.Örvargefðu til kynna áætlanir um hitastreymi. (Eftir [13.19])

Einnig kemur óeðlileg dreifing á bæði kristalla galla og óhreinindi yfir þverskafla af flatri oblátu sem er framleiddur úr aCZ kristals kísil bráðnar kristallast eða storknar í röð við kristal-bráðnar tengi, sem er almennt boginn í CZ kristall vaxtarferlinu. Slíka ósamleitni má sjá semstrípur, sem fjallað er um síðar.

13.3.3Óhreinindi í Czochralski sílikon

Eiginleikar kísil hálfleiðara sem notaðir eru í rafeindatækjum eru mjög viðkvæmir fyrir óhreinindum. Vegna þessa næmis er hægt að stjórna raf- og rafrænum eiginleikum kísils nákvæmlega með því að bæta við litlu magni af lyfinu. Til viðbótar þessu næmi lyfsins hefur mengun með óhreinindum (sérstaklega umskiptimálmar) neikvæð áhrif á eiginleika kísils og hefur í för með sér alvarlega niðurbrot á afköstum tækisins. Ennfremur er súrefni fellt upp í tugum atóma á milljón í CZ kísilkristöllum vegna viðbragða milli kísilbræðslu og kvars deiglu. Óháð því hve mikið súrefni er í kristalnum hafa einkenni kísilkristalla mjög áhrif á styrk og hegðun súrefnis [13.21]. Að auki er kolefni einnig fellt inn í CZ kísilkristalla annaðhvort úr fjölkísilhráefni eða meðan á vaxtarferlinu stendur vegna grafíthlutanna sem notaðir eru í CZ togbúnaðinn. Þótt styrkur kolefnis í CZ kísilkristöllum í atvinnuskyni sé venjulega minni en 0,1 ppma, er kolefni óhreinindi sem hefur mikil áhrif á hegðun súrefnis [13.22,13.23]. Einnig köfnunarefnisdópaðir CZ kísilkristallar [13.24,13.25] hafa nýlega vakið mikla athygli vegna mikilla smásjágæða þeirra, sem geta uppfyllt kröfur um nýjustu rafeindatæki [13.26,13.27].

Óhreinleiki Ósamleitni

Við kristöllun úr bráðnum eru ýmsar óhreinindi (þ.m.t. dópefni) sem eru í bræðslunni felld inn í vaxandi kristalinn. Hreinleiki styrkur fasta fasans er almennt frábrugðinn vökvafasa vegna fyrirbæra sem kallastaðskilnaður.

Aðgreining

Jafnvægisaðgreiningarhegðun sem tengist storknun fjölþátta kerfa er hægt að ákvarða út frá samsvarandi fasamynd af þvagkerfi meðleysi(óhreinindin) og aleysi(hýsingarefnið) sem íhlutir.

Hlutfall leysni óhreininda Ain fast kísill [CA]sað því í fljótandi kísil [CA]L

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

(13.6) er vísað til semjafnvægisaðgreiningarstuðull. Óhreinindaleysni í fljótandi kísli er alltaf hærri en í föstu kísli; það er,k0& lt; 1. Jafnvægisaðgreiningarstuðullinnk0á aðeins við um storknun á hverfandi hægum vaxtarhraða. Fyrir endanlegan eða hærri storknunartíðni, óhreininda atóm meðk0& lt; 1 er hafnað af því framfarandi fasta efni á meiri hraða en þeir geta dreifst út í bráðnunina. Í CZ kristallvaxtarferlinu á sér stað aðskilnaður við upphaf storknunar við upphafinn fræ-bráðnarviðmót og hafnir óhreinindisatóm byrja að safnast upp í bráðnarlaginu nálægt vaxtarviðmótinu og dreifast í átt að meginhluta bræðslunnar. Í þessum aðstæðum er anskilvirkur aðskilnaðarstuðullkeffer hægt að skilgreina hvenær sem er meðan á CZ kristalvöxt stendur, og styrkur óhreininda [C]sí aCZ kristal er hægt að fá með

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

(13.7) þar sem [C0] er upphafsstyrkur óhreininda í bræðslunni ogger brotið storknað.

Þar af leiðandi er ljóst að amacroscopic lengdarbreyting á óhreinindastigi, sem veldur breytileika í viðnám vegna breytileika í styrk lyfsins, er eðlislægur í CZ lotuvaxtarferlinu; þetta er vegna aðskilnaðarfyrirbærisins. Ennfremur er lengdardreifing óhreininda undir áhrifum af stærðarbreytingum og eðli bræðsluupptöku sem eiga sér stað þegar hlutfall bráðnar minnkar við kristalvöxt.

Striations

Í flestum kristallar vaxtarferlum eru tímabundnir breytur eins og tafarlaus smásjá vaxtarhraði og þykkt dreifiliðalaga sem leiðir til breytileika á virkum aðgreiningarstuðlikeff. Þessi tilbrigði leiða til smásjálegrar sams konar ósamleitni í formistrípursamsíða kristal – bráðna viðmótinu. Auðveldlega er hægt að afmarka rönd með nokkrum aðferðum, svo sem ívilnandi efnaæta og röntgenmyndatöku. Mynd13.10sýnir teygjurnar sem koma í ljós við efnaætingu í öxlhluta langs þversniðs af aCZ kísilkristalli. Hægt er einnig að sjá smám saman breytingu á lögun vaxtarviðmótsins.

Fig. 13.10 — Mynd 13.10
Vaxtaröndun, sem kemur í ljós með efnaætingu, í öskju af Czochralski sílikon

Röðun stafar líkamlega af aðgreiningu óhreininda og einnig punktgalla; þó eru röndin nánast af völdum hitasveiflna nálægt kristal-bráðnarviðmótinu, framkölluð af óstöðugri hitaveitu í bráðnuninni og kristal snúningi í ósamhverfu hitauppstreymi. Að auki geta vélrænir titringar vegna lélegra togstýringarkerfa í vaxtarbúnaðinum einnig valdið hitasveiflum.

Mynd13.11sýnir skýringarmynd aCZ-vaxið kristalþversnið sem inniheldur gróið kristal – bráðnarviðmót, sem leiðir til ósamleitni á yfirborði slits. Þar sem hver og ein flatari er sneidd, inniheldur hún mismunandi skammta af nokkrum bognum teygjum. Mismunandihljóðritahringir, sem vísað er til semþyrlast, getur þá komið fyrir í hverri oblátu, sem hægt er að sjá yfir obláta með því að nota aðferðirnar sem nefndar eru hér að ofan.

Fig. 13.11 — Mynd 13.11
Skýringarmynd af Czochralski kristals þversniði sem inniheldur gróið kristal – bráðnar viðmót og planar oblátar sneiddar í mismunandi hluta. (Eftir [13.1])

Lyfjamisnotkun

Til að ná fram viðeigandi viðnámi er bætt ákveðnu magni af lyfjum (annað hvort gjafa- eða viðtaksatómum) við silíkelsmeltingu í samræmi við viðnám og styrkþéttni. Það er algengt að bæta við lyfjum í formi mjög dópaðra kísilagna eða klumpa sem eru um það bil 0,01 Ω cm viðnám, sem kallast lyfjanotkun lyfsins, þar sem magn hreins lyfja sem þarf er óviðráðanlegt lítið, nema að miklu leyti dopað kísilefni (n+eða bls+kísill).

Forsendur fyrir vali ættleiðanda fyrir hálfleiðaraefni eru að það hafi eftirfarandi eiginleika:

1.
Hentug orkustig
2.
Mikil leysni
3.
Hentar eða lítil dreifð
4.
Lágur gufuþrýstingur.

Ahigh dreifleiki eða mikill gufuþrýstingur leiðir til óæskilegrar dreifingar eða gufunar lyfja, sem leiðir til óstöðugs reksturs búnaðar og erfiðleika við að ná nákvæmri viðnámsstýringu. Lausleysi sem er of lítið takmarkar viðnám sem hægt er að fá. Til viðbótar við þessi viðmið verður að taka tillit til efnafræðilegra eiginleika (eituráhrifin til dæmis). Frekari íhugun frá sjónarhóli kristalvaxtar er að eiturlyfjamiðillinn er með aðskilnaðstuðul sem er nálægt einingu til að gera viðnám eins einsleit og mögulegt er frá fræendanum til halaendans á CZ kristalgötunni. Þar af leiðandi eru fosfór (P) og bór (B) oftast notaðir lyfjagjafar og viðtakandi lyf fyrir kísil. Fyrir n+kísill, þar sem gjafaratóm eru mjög lyfjamisnotuð, er antimon (Sb) venjulega notað í stað fosfórs vegna minni dreifileika, þrátt fyrir lítinn aðskilnaðstuðul og mikinn gufuþrýsting, sem leiðir til mikilla breytileika í styrk bæði í axial og geislamyndaðar áttir.

Súrefni og kolefni

Eins og sýnt er á skýringarmynd á myndum.13.3b og13.6, vatnsberður (SiO2) Deigla og grafít hitunarefni eru notuð í CZ-Si kristal vaxtaraðferðinni. Yfirborð deiglunnar sem hefur samband við kísilbræðsluna er smám saman leyst upp vegna viðbragðsins

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

(13.8) Þessi viðbrögð auðga kísilbræðsluna með súrefni. Flest af súrefnisatómunum gufa upp frá bráðnar yfirborðinu sem rokgjarn sílikon einoxíð (SiO), en sum þeirra eru felld inn í sílikon kristal í gegnum kristal-bráðnarviðmótið. Kolefnið í CZ kísilkristöllum er þó aðallega upprunnið úr pólýkristallaða upphafinu efni. Stig kolefnis á bilinu 0,1 til 1 ppma, allt eftir framleiðanda, er að finna í fjölkísil. Upptök kolefnis í fjölkísil eru aðallega talin vera óhreinindi sem innihalda kolefni sem finnast í tríklórsílaninu sem notað er við framleiðslu á fjölkísil. Grafíthlutar í CZ dráttarbúnaði geta einnig stuðlað að kolefnismengun með því að bregðast við súrefni, sem er alltaf til staðar meðan á umhverfisvexti stendur. Afurðirnar sem myndast af CO og CO2eru leyst upp í kísilbræðslunni og gera grein fyrir kolefnis óhreinindum í kísilkristöllum. Þannig eru súrefni og kolefni tveir helstu óhreinindi sem ekki eru lyfjameðferð sem eru felld inn í CZ kísilkristalla á þann hátt sem sýnt er skýringarmynd á mynd.13.12. Hegðun þessara óhreininda í kísil, sem hafa áhrif á fjölda eiginleika CZ kísilkristalla, hefur verið háð mikilli rannsókn síðan seint á fimmta áratug síðustu aldar [13.21].

Fig. 13.12 — Mynd 13.12
Innlimun súrefnis og kolefnis í Czochralski kísilkristal. (Eftir [13.1])

13.4Nýjar kristallar vaxtaraðferðir

Kísilkristallar, sem notaðir eru við framleiðslu á rafrænum tækjum, verða að uppfylla ýmsar kröfur sem framleiðendur tækjanna setja. Auk krafna um kísiloblátur, eftirfarandi kristöllunarkröfur hafa orðið algengari vegna mikillar afkasta og afkastamikilla framleiðslu örs rafeindatækja:

1.
Stórt þvermál
2.
Lítill eða stýrður gallaþéttleiki
3.
Einsleitur og lítill geislamótstöðuþol
4.
Bestur súrefnisstyrkur og útfelling þess.

Það er ljóst að framleiðendur kísilkristalla þurfa ekki aðeins að uppfylla ofangreindar kröfur heldur einnig framleiða þá kristalla á efnahagslegan hátt og með mikla framleiðsluafköst. Helstu áhyggjur kísilkristallræktenda eru kristöllunar fullkomnun og axial dreifing lyfja í CZ kísil. Til þess að vinna bug á nokkrum vandamálum með hefðbundna CZ kristalvaxtaraðferð hafa nokkrar nýjar kristalvaxtaraðferðir verið þróaðar.

13.4.1Vöxtur Czochralski með AppliedMagneticField (MCZ)

Bræðsluflæði í deiglunni hefur mikil áhrif á kristalgæði CZ kísils. Sérstaklega eru óhagstæðar vaxtarstrengir framkallaðar með óstöðugri bráðnunartruflun sem leiðir til hitasveiflna við vaxtarviðmiðið. Hæfni segulsviðs til að hindra hitauppstreymi í rafleiðandi vökva var fyrst beitt á kristalvöxt indíumantimoníðs með láréttri bátatækni [13.28] og lárétt svæði bráðnunartækni [13.29]. Með þessum rannsóknum var staðfest að segulsvið með nægilegum styrk getur bælt hitasveiflurnar sem fylgja bræðslu, og getur dregið verulega úr vaxtarröndum.

Áhrif segulsviðsins á vaxtaröndun skýrist af getu þess til að draga úr ókyrrðri hitauppstreymi bræðslunnar og aftur til að draga úr hitasveiflunum við kristal-bráðnarviðmótið. Vökvaflæðisdeyfingin sem stafar af segulsviðinu stafar af framkölluðu segulmótorkrafti þegar rennslið er hornrétt við segulstreymislínurnar, sem leiðir til aukinnar virkrar hreyfifræðilegrar seigju leiðandi bræðslunnar.

Tilkynnt var um kísilkristallvöxt með segulsviðs beittri CZ (MCZ) aðferð í fyrsta skipti árið 1980 [13.30]. Upphaflega var MCZ ætlað til vaxtar CZ kísilkristalla sem innihalda lágan súrefnisstyrk og hafa því mikla viðnám með litlum geislamyndum. Með öðrum orðum var búist við að MCZ kísill kæmi í stað FZ kísilsins sem næstum eingöngu var notaður til framleiðslu á aflbúnaði. Síðan þá hafa verið þróaðar ýmsar segulsviðsstillingar, hvað varðar segulsviðsstefnu (lárétta eða lóðrétta) og tegund segla sem notaðar eru (eðlilegt leiðandi eða ofleiðandi) [13.31]. MCZ kísill framleiddur með miklu úrvali af æskilegum súrefnisstyrk (frá lágum til háum) hefur verið mjög áhugasamur fyrir mismunandi tækjaforrit. Gildi MCZ kísils liggur í háum gæðum og getu þess til að stjórna súrefnisstyrk yfir breitt svið, sem ekki næst með hefðbundinni CZ aðferð [13.32], sem og aukinn vaxtarhraði [13.33].

Hvað kristalgæðin varðar er enginn vafi á því að MCZ aðferðin veitir kísilkristöllunum hagstæðustu fyrir hálfleiðaraiðnaðinn. Framleiðslukostnaður MCZ kísils getur verið hærri en venjulegur CZ kísill vegna þess að MCZ aðferðin eyðir meira rafmagni og þarf viðbótarbúnað og vinnurými fyrir rafsegulana; þó að teknu tilliti til hærri vaxtarhraða MCZ, og þegar ofurleiðandi segull sem þarf minna rými og eyðir minna rafmagni samanborið við leiðandi segulmagn er notaður, getur framleiðslukostnaður MCZ kísilkristalla orðið sambærilegur við hefðbundna CZ kísilkristalla. Að auki geta bætt kristalgæði MCZ kísils aukið framleiðsluafrakstur og lækkað framleiðslukostnað.

13.4.2Stöðug Czochralski aðferð (CCZ)

Framleiðslukostnaður kristalla fer að miklu leyti eftir efniskostnaði, sérstaklega kostnaði þeirra sem notaðir eru í kvars deiglur. Í hefðbundnu CZ ferli, kallað alotuferli, kristall er dreginn úr eins deigluhleðslu og kvars deiglan er aðeins notuð einu sinni og er síðan hent. Þetta er vegna þess að lítið magn af kísilnum sem eftir er klikkar deigluna þegar hún kólnar af háum hita við hvert vaxtarhlaup.

Eina aðferðin til að bæta við deiglu með vatnsmolum á efnahagslegan hátt er að bæta stöðugt við fóðri þegar kristalinn er ræktaður og þar með halda bræðslunni við stöðugt rúmmál. Auk þess að spara deiglukostnað, veitir Czochralski (CCZ) aðferðin stöðugt ákjósanlegt umhverfi fyrir kísilkristallvöxt. Eins og áður hefur komið fram eru mörg ósamleitni í kristöllum sem ræktuð eru með hefðbundnu CZ lotuferli beinlínis afleiðing af óstöðugri hreyfigetu sem stafar af breytingu á bræðslumagni við kristalvöxt. CCZ aðferðin miðar ekki aðeins að því að draga úr framleiðslukostnaði heldur einnig að vaxa kristalla við stöðugar aðstæður. Með því að halda bræðslumagninu á stöðugu stigi er hægt að ná stöðugu hitauppstreymi og bræðsluflæði (sjá mynd.13.9, sem sýnir breytingu á varmaumhverfi við hefðbundinn CZ vöxt).

Stöðug hleðsla er venjulega framkvæmd með fóðrun á kísiljárni, eins og sést á mynd.13.13[13.34]. Þetta kerfi samanstendur af ahopper til að geyma fjölkísilhráefnið og flugvélarmatarann sem flytur fjölkísilið í deigluna. Í deiglunni sem inniheldur kísilbræðsluna er krafist vatnsbaffla til að koma í veg fyrir bráðabylgju sem stafar af fóðrun í föstu efninu í kringum vaxtarviðmiðið. Frjáls-flæðandi fjölkísil korn eins og þau sem áður eru nefnd eru augljóslega hagstæð fyrir CCZ aðferðina.

Fig. 13.13 — Mynd 13.13
Skýringarmynd af stöðugu hleðslu Czochralski aðferðinni. (Eftir [13.34])

CCZ aðferðin leysir vissulega flest vandamál sem tengjast ósamleitni í kristal sem ræktuð er með hefðbundinni CZ aðferð. Ennfremur er samsetning MCZ og CCZ (segulsviðs beitt samfellt CZ (MCCZer gert ráð fyrir að veita fullkominn kristallar vaxtaraðferð, sem gefur tilvalin kísilkristalla fyrir fjölbreytt úrval af rafrænum forritum [13.1]. Reyndar hefur það verið notað til að rækta hágæða kísilkristalla sem ætlaðir eru til örverutækja [13.35].

Hins vegar skal áréttað að mismunandi hitasögur mismunandi hluta kristalsins (frá fræinu til halaendanna, eins og sýnt er á mynd.13.9) verður að huga að jafnvel þegar kristalinn er ræktaður með hugsjón vaxtaraðferð. Til þess að einsleita vaxinn kristal eða til að ná einsleitni í ás í hitasögunni, einhvers konar eftirmeðferð, svo sem háhitahreinsun [13.36], er krafist fyrir kristalinn.

13.4.3Vaxtaraðferð við hálsleysi

Eins og áður hefur komið fram er hálsferli Dash (sem vex í þvermál 3–5 mm í þvermál, mynd.13.7) er akrítískt skref meðan á CZ kristalvöxt stendur vegna þess að það útilokar rýmkun á vöxtum. Þessi tækni hefur verið staðall iðnaðarins í meira en 40 ár. Nýlegar kröfur um stóran kristalþvermál (& gt; 300 mm, vega yfir 300 kg) hafa hins vegar leitt til þess að hálsar með stærri þvermál þurfa ekki að koma til rýringa í vaxandi kristal, þar sem þverhnakki 3–5 mm í þvermál þolir ekki svona stóra kristalla.

Fræ með stórt þvermál og eru venjulega 170 mm að lengd, með minnsta þvermál> 10 mm og að meðaltali 12 mm vaxið úr kísil bráðna mikið bópað með bór (

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

) hafa verið notaðir til að rækta losunarlausa 200 mm þvermál CZ kísilkristalla [13.37,13.38]. Talið er að hálsar með stóra þvermál, 12 mm í þvermál, geti styrkt CZ kristalla eins þunga og 2000 kg [13.39]. Mynd13.14a,bgengur upp a200 mm þvermál dislocation-frjáls CZ kísill kristal vaxið án Dash hálsferli, og mynd.13.14a,bb sýnir stækkað fræ þess (bera saman við mynd.13.7). Verkunarhátturinn sem gerir það að verkum að röskun er ekki felld inn í vaxandi kristal hefur fyrst og fremst verið rakinn til hertra áhrifa af mikilli lyfjameðferð bórs í kísilnum.

Fig. 13.14a,b — Mynd 13.14a, b
200 mm þvermál dislocation-frjáls Czochralski kísilkristall vaxinn án Dash hálsferlisins. (a)Allur líkaminn, (b) fræ og keila. (Með leyfi K. Hoshikawa prófessors)

Tilvísanir

13.1F. Shimura:Hálfleiðari Silicon Crystal Technology(Academic, New York 1988)Google fræðimaður
13.2WC Dash: J. Forrit. Phys.29, 736 (1958)CrossRefGoogle fræðimaður
13.3K.Takada, H.Yamagishi, H.Minami, M.Imai: Í:Hálfleiðari kísill(Rafefnafræðifélagið, Pennington 1998) bls.376Google fræðimaður
13.4JRMcCormic: Í:Hálfleiðari kísill(Rafefnafræðifélagið, Pennington 1986) bls.43Google fræðimaður
13.5PA Taylor: Solid State Technol.Júlí, 53 (1987)Google fræðimaður
13.6WG Pfann: Trans. Am. Inst. Mín. Metall. Eng.194, 747 (1952)Google fræðimaður
13.7CH Rannsóknaraðili: US Einkaleyfi 3060123 (1962)Google fræðimaður
13.8PH Keck, MJE Golay: Phys. Sr.89, 1297 (1953)CrossRefGoogle fræðimaður
13,9W. Keller, A. Mühlbauer:Flísandi kísill(Marcel Dekker, New York 1981)Google fræðimaður
13.10JM Meese:Lyfseindamiðlun í hálfleiðurum(Plenum, New York 1979)CrossRefGoogle fræðimaður
13.11HMLiaw, CJVarker: Í:Hálfleiðari kísill(Rafefnafræðifélagið, Pennington 1977) bls.116Google fræðimaður
13.12ELKern, LSYaggy, JABarker: Í:Hálfleiðari kísill(Rafefnafræðifélagið, Pennington 1977) bls.52Google fræðimaður
13.13SM Hu: Forrit. Phys. Lett.31, 53 (1977)CrossRefGoogle fræðimaður
13,14K. Sumino, H. Harada, I. Yonenaga: Jpn. J. Umsókn. Phys.19, L49 (1980)CrossRefGoogle fræðimaður
13.15K. Sumino, I. Yonenaga, A. Yusa: Jpn. J. Umsókn. Phys.19, L763 (1980)CrossRefGoogle fræðimaður
13.16T.Abe, K.Kikuchi, S.Shirai: Í:Hálfleiðari kísill(Rafefnafræðifélagið, Pennington 1981) bls.54Google fræðimaður
13.17J. Czochralski: Z. Phys. Chem.92, 219 (1918)Google fræðimaður
13.18GK Teal, JB Little: Phys. Sr.78, 647 (1950)Google fræðimaður
13,19W. Zulehner, D. Huber: Í:Kristallar 8: Kísill, efnaæta(Springer, Berlín, Heidelberg 1982) bls. 1Google fræðimaður
13.20H. Tsuya, F. Shimura, K. Ogawa, T. Kawamura: J. Electrochem. Soc.129, 374 (1982)CrossRefGoogle fræðimaður
13.21F. Shimura (ritstj.):Súrefni í kísill(Academic, New York 1994)Google fræðimaður
13.22S. Kishino, Y. Matsushita, M. Kanamori: Forrit. Phys. Lett.35, 213 (1979)CrossRefGoogle fræðimaður
13.23F. Shimura: J. Umsókn. Phys.59, 3251 (1986)CrossRefGoogle fræðimaður
13.24HD Chiou, J. Moody, R. Sandfort, F. Shimura: VLSI vísindatækni, Proc. 2. Alþj. Symp. Mjög stórfelld samþætting. (Rafefnafræðifélagið, Pennington 1984) bls. 208Google fræðimaður
13.25F. Shimura, RS Falsi: Forrit. Phys. Lett.48, 224 (1986)CrossRefGoogle fræðimaður
13.26A.Huber, M.Kapser, J.Grabmeier, U.Lambert, WvAmmon, R.Pech: Í:Hálfleiðari kísill(Rafefnafræðifélagið, Pennington 2002) bls.280Google fræðimaður
13.27GARozgonyi: Í:Hálfleiðari kísill(Rafefnafræðifélagið, Pennington 2002) bls.149Google fræðimaður
13.28HP Utech, MC Flemings: J. Appl. Phys.37, 2021 (1966)CrossRefGoogle fræðimaður
13.29HA Chedzey, DT Hurtle: Náttúra210, 933 (1966)CrossRefGoogle fræðimaður
13.30K.Hoshi, T.Suzuki, Y. Okubo, N. Isawa: Ext. Abstr. Electrochem. Soc. 157. Fundur. (Rafefnafræðifélagið, Pennington 1980) bls.811Google fræðimaður
13.31M.Ohwa, T.Higuchi, E.Toji, M.Watanabe, K.Homma, S.Takasu: Í:Hálfleiðari kísill(Rafefnafræðifélagið, Pennington 1986) bls.117Google fræðimaður
13.32M.Futagami, K.Hoshi, N.Isawa, T.Suzuki, Y. Okubo, Y. Kato, Y. Okamoto: Í:Hálfleiðari kísill(Rafefnafræðifélagið, Pennington 1986) bls.939Google fræðimaður
13.33T.Suzuki, N.Isawa, K.Hoshi, Y. Kato, Y. Okubo: Í:Hálfleiðari kísill(Rafefnafræðifélagið, Pennington 1986) bls.142Google fræðimaður
13.34W.Zulehner: Í:Hálfleiðari kísill(Rafefnafræðifélagið, Pennington 1990) bls. 30Google fræðimaður
13.35Y.Arai, M.Kida, N.Ono, K.Abe, N.Machida, H.Futuya, K.Sahira: Í:Hálfleiðari kísill(Rafefnafræðifélagið, Pennington 1994) bls.180Google fræðimaður
13.36F. Shimura: Í:VLSI vísindi og tækni(Rafefnafræðifélagið, Pennington 1982) bls. 17Google fræðimaður
13.37S.Chandrasekhar, KMKim: Í:Hálfleiðari kísill(Rafefnafræðifélagið, Pennington 1998) bls.411Google fræðimaður
13,38K. Hoshikawa, X. Huang, T. Taishi, T. Kajigaya, T. Iino: Jpn. J. Umsókn. Phys.38, L1369 (1999)CrossRefGoogle fræðimaður
13.39KM Kim, P. Smetana: J. Cryst. Vöxtur100, 527 (1989)CrossRefGoogle fræðimaður

13.1Yfirlit

13.2Byrjunarefni

13.2.1Kísill úr málmgráðu

13.2.2Polykristallaður kísill

Milliefni efnasambanda

Saltsýrsla kísils

Eiming og niðurbrot tríklórsílan

Monosilane ferli

Kornótt fjölliðakísil

13.3Vöxtur eins kristals

13.3.1Fljótandi aðferð

Almennar athugasemdir

Yfirlit yfir ferlið

Lyfjamisnotkun

Eiginleikar FZ-Silicon Crystal

13.3.2Czochralski aðferð

Almennar athugasemdir

Yfirlit yfir ferlið

Áhrif á staðbundna staðsetningu inaGrownCrystal

13.3.3Óhreinindi í Czochralski sílikon

Óhreinleiki Ósamleitni

Aðgreining

Striations

Lyfjamisnotkun

Súrefni og kolefni

13.4Nýjar kristallar vaxtaraðferðir

13.4.1Vöxtur Czochralski með AppliedMagneticField (MCZ)

13.4.2Stöðug Czochralski aðferð (CCZ)

13.4.3Vaxtaraðferð við hálsleysi

Tilvísanir

Lestu meira

Hringdu í okkur