Метод Чохральского

Метод выращивания кристаллов

Метод Чохральского , также метод Чохральского или процесс Чохральского , представляет собой метод выращивания кристаллов , используемый для получения монокристаллов полупроводников (например, кремния , германия и арсенида галлия ), металлов (например , палладия , платины, серебра, золота), солей и синтетических драгоценных камней . Метод назван в честь польского ученого Яна Чохральского , ^[1] который изобрел этот метод в 1915 году, исследуя скорости кристаллизации металлов. ^[2] Он сделал это открытие случайно: вместо того, чтобы окунуть перо в чернильницу, он окунул его в расплавленное олово и вытянул оловянную нить, которая позже оказалась монокристаллом . [ ^3] Этот метод до сих пор используется в более чем 90 процентах всех электронных устройств в мире, использующих полупроводники. ^[4]

Наиболее важным применением может быть выращивание больших цилиндрических слитков , или булей , монокристаллического кремния, используемых в электронной промышленности для изготовления полупроводниковых приборов , таких как интегральные схемы . Другие полупроводники, такие как арсенид галлия , также могут быть выращены этим методом, хотя более низкие плотности дефектов в этом случае могут быть получены с использованием вариантов метода Бриджмена–Стокбаргера .

Метод не ограничивается производством кристаллов металлов или металлоидов . Например, он используется для производства кристаллов солей очень высокой чистоты, включая материал с контролируемым изотопным составом, для использования в экспериментах по физике элементарных частиц, с жестким контролем (измерения частей на миллиард) на сопутствующие ионы металлов и воду, поглощенную в процессе производства. ^[5]

Приложение

Монокристаллический кремний (mono-Si), выращенный методом Чохральского, часто называют монокристаллическим кремнием Чохральского (Cz-Si). Это основной материал в производстве интегральных схем, используемых в компьютерах, телевизорах, мобильных телефонах и всех типах электронного оборудования и полупроводниковых приборов . ^[6] Монокристаллический кремний также используется в больших количествах в фотоэлектрической промышленности для производства обычных моно-Si солнечных элементов . Почти идеальная кристаллическая структура обеспечивает самую высокую эффективность преобразования света в электричество для кремния.

Производство кремния по методу Чохральского

Кристалл кремния, выращенный методом Чохральского

Высокочистый полупроводниковый кремний (всего несколько частей на миллион примесей) плавится в тигле при температуре 1425 °C (2597 °F; 1698 K), обычно изготовленном из кварца . Атомы легирующих примесей, такие как бор или фосфор, могут быть добавлены в расплавленный кремний в точных количествах для легирования кремния, таким образом, превращая его в кремний p-типа или n-типа с различными электронными свойствами. Точно ориентированный затравочный кристалл , установленный на стержне, погружается в расплавленный кремний. Стержень затравочного кристалла медленно вытягивается вверх и одновременно вращается. Точно контролируя температурные градиенты, скорость вытягивания и скорость вращения, можно извлечь из расплава большой монокристаллический цилиндрический слиток. Возникновения нежелательных нестабильностей в расплаве можно избежать, исследуя и визуализируя поля температуры и скорости в процессе роста кристалла. ^[7] Этот процесс обычно выполняется в инертной атмосфере, например, аргона , в инертной камере, например, кварцевой.

Размеры кристаллов

Кристалл кремния выращивается методом Чохральского в Raytheon, 1956 год. Видна индукционная нагревательная катушка, а конец кристалла только что появился из расплава. Техник измеряет температуру с помощью оптического пирометра . Кристаллы, полученные с помощью этого раннего аппарата, использовавшегося на раннем заводе Si, были всего один дюйм в диаметре.

Из-за эффективности масштаба полупроводниковая промышленность часто использует пластины со стандартизированными размерами или общими спецификациями пластин . Раньше були были небольшими, шириной в несколько сантиметров. С помощью передовых технологий производители высокопроизводительных устройств используют пластины диаметром 200 мм и 300 мм. Ширина контролируется точным контролем температуры, скорости вращения и скорости, с которой извлекается держатель затравки. Кристаллические слитки, из которых нарезаются пластины, могут достигать 2 метров в длину и весить несколько сотен килограммов. Более крупные пластины позволяют повысить эффективность производства, поскольку на каждой пластине можно изготавливать больше чипов с меньшими относительными потерями, поэтому наблюдается устойчивая тенденция к увеличению размеров кремниевых пластин. Следующий шаг, 450 мм, был запланирован к внедрению в 2018 году. ^[8] Кремниевые пластины обычно имеют толщину около 0,2–0,75 мм и могут быть отполированы до идеальной плоскостности для изготовления интегральных схем или текстурированы для изготовления солнечных элементов .

Включение примесей

Стержень-вытягиватель с затравочным кристаллом для выращивания монокристаллического кремния методом Чохральского

Тигли, используемые в методе Чохральского

Тигель после использования

При выращивании кремния методом Чохральского расплав содержится в тигле из силиката ( кварца ). Во время роста стенки тигля растворяются в расплаве, и кремний Чохральского, таким образом, содержит кислород в типичной концентрации 10¹⁸
 см⁻³
. Кислородные примеси могут иметь как полезные, так и вредные эффекты. Тщательно выбранные условия отжига могут привести к образованию кислородных осадков . Они имеют эффект улавливания нежелательных примесей переходных металлов в процессе, известном как геттерирование , улучшая чистоту окружающего кремния. Однако образование кислородных осадков в непреднамеренных местах может также разрушить электрические структуры. Кроме того, кислородные примеси могут улучшить механическую прочность кремниевых пластин, иммобилизуя любые дислокации , которые могут быть введены во время обработки устройства. В 1990-х годах было экспериментально показано, что высокая концентрация кислорода также полезна для радиационной стойкости детекторов кремниевых частиц , используемых в жестких радиационных условиях (например, проекты LHC / HL-LHC ЦЕРНа ). ^{[9] [10]} Поэтому детекторы излучения, изготовленные из кремния Чохральского и магнитного кремния Чохральского, считаются перспективными 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 отжига после имплантации. ^[13]

Однако кислородные примеси могут реагировать с бором в освещенной среде, например, в солнечной батарее. Это приводит к образованию электрически активного комплекса бор-кислород, который снижает производительность ячейки. Выход модуля падает примерно на 3% в течение первых нескольких часов воздействия света. ^[14]

Математическая форма

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

Концентрацию примесей в твердом кристалле, возникающую в результате замораживания некоторого объема, можно получить, рассматривая коэффициент 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 вещества

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Смотрите также

• Плавающий кремний

Ссылки

1. Павел Томашевский, «Ян Чохральский и его метод. Ян Чохральский и его метод» (на польском и английском языках), Oficyna Wydawnicza ATUT, Вроцлав – Кциня 2003, ISBN  83-89247-27-5
2. Дж. Чохральский (1918). «Ein neues Verfahren zur Messung der Kristallisationsgeschwindigkeit der Metalle [Новый метод измерения скорости кристаллизации металлов]». Zeitschrift für Physikalische Chemie . 92 : 219–221. дои : 10.1515/zpch-1918-9212.
3. Нишинага, Татау (2015). Справочник по росту кристаллов: основы (второе издание). Амстердам, Нидерланды: Elsevier BV стр. 21. ISBN 978-0-444-56369-9.
4. Стюарт Доуэлл. «Ученый, заложивший основы Кремниевой долины, наконец-то удостоен чести». thefirstnews.com . Архивировано из оригинала 13 июля 2023 г. . Получено 3 мая 2023 г.
5. Сон, Дж. К. (14.05.2020). «Рост и развитие чистых кристаллов Li2MoO4 для редкого эксперимента в CUP». Журнал приборостроения . 15 (7): C07035. arXiv : 2005.06797 . Bibcode : 2020JInst..15C7035S. doi : 10.1088/1748-0221/15/07/C07035. S2CID  218630318.
6. "Метод роста кристаллов по Чохральскому". 30 января 2003 г. Архивировано из оригинала 2016-08-17.
7. Алексич, Ялена; Зильке, Пол; Шимчик, Януш А.; и др. (2002). «Визуализация температуры и потока при моделировании процесса Чохральского с использованием чувствительных к температуре жидких кристаллов». Ann. NY Acad. Sci. 972 (1): 158–163. Bibcode :2002NYASA.972..158A. doi :10.1111/j.1749-6632.2002.tb04567.x. PMID  12496012. S2CID  2212684.
8. Мэннерс, Дэвид (2013-12-30). "Сомнения по поводу 450 мм и EUV". Electronics Weekly . Получено 2014-01-09 .
9. Ли, З.; Кранер, Х.В.; Вербицкая Е.; Еремин В.; Иванов А.; Раттаджи, М.; Ранкойта, PG; Рубинелли, ФА; Фонаш, С.Дж.; и др. (1992). «Исследование профиля комплекса дефектов кислород-вакансия (А-центр) в облученных нейтронами высокоомных кремниевых детекторах частиц». Транзакции IEEE по ядерной науке . 39 (6): 1730. Бибкод : 1992ITNS...39.1730L. дои : 10.1109/23.211360.
10. Линдстрем, Г; Ахмед, М; Альберго, С; Олпорт, П; Андерсон, Д; Андричек, Л; Ангарано, ММ; Оджелли, В; Баккетта, Н; Барталини, П; Бейтс, Р; Биггери, У; Билей, генеральный директор; Биселло, Д; Боэми, Д; Борчи, Э; Ботила, Т; Бродбек, Ти Джей; Бруззи, М; Будзинский, Т; Бургер, П; Камбабадал, Ф; Касс, Дж; Катаккини, Э; Чилингаров А; Чамполини, П; Циндро, В; Коста, МЮ; Креанца, Д; и др. (2001). «Радиационно-твердые кремниевые детекторы — разработки коллаборации РД48 (РОЗА)». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 466 (2): 308. Библиографический код : 2001NIMPA.466..308L. doi : 10.1016/S0168-9002(01)00560-5. hdl : 11568/67464 .
11. Отчет о состоянии CERN RD50 2004, CERN-LHCC-2004-031 и LHCC-RD-005 и цитируемая в них литература
12. Харконен, Дж; Туовинен, Э; Луукка, П; Туоминен, Э; Ли, З; Иванов А; Вербицкая Е; Еремин, В; Пироженко А; Риихимаки, И.; Виртанен, А. (2005). «Детекторы частиц из высокоомного кремния Чохральского». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 541 (1–2): 202–207. Бибкод : 2005NIMPA.541..202H. CiteSeerX 10.1.1.506.2366 . дои :10.1016/j.nima.2005.01.057. 
13. Custer, JS; Polman, A.; Van Pinxteren, HM (1994). "Эрбий в кристаллическом кремнии: сегрегация и захват во время твердофазной эпитаксии аморфного кремния". Журнал прикладной физики . 75 (6): 2809. Bibcode : 1994JAP....75.2809C. doi : 10.1063/1.356173.
14. Эйкельбум, JA; Янсен, MJ (2000), «Характеристика фотоэлектрических модулей новых поколений; результаты испытаний и моделирования» (PDF) , Отчет ECN-C-00-067, 18
15. Джеймс Д. Пламмер, Майкл Д. Дил и Питер Б. Гриффин, Технология кремниевых СБИС, Prentice Hall, 2000, ISBN 0-13-085037-3 стр. 126–27 

Внешние ссылки

• Процесс допинга Чохральского
• Анимация обработки кремниевой пластины на YouTube