ซิลิกอนผลึกเดี่ยว: การเติบโตและคุณสมบัติ - ความรู้

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

CZ MCZ Single crystal

ซิลิคอนซึ่งเคยเป็นและจะยังคงเป็นวัสดุหลักในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ไปอีกระยะหนึ่ง[13.1] จะนำเราไปสู่ยุคบูรณาการขนาดใหญ่พิเศษ (ULSI) และยุคระบบบนชิป (SOC)

เนื่องจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีความก้าวหน้ามากขึ้น ประสิทธิภาพของอุปกรณ์จึงมีความอ่อนไหวต่อคุณภาพและคุณสมบัติของวัสดุที่ใช้ในการสร้างมากขึ้น

เจอร์เมเนียม (Ge) ถูกนำมาใช้เป็นวัสดุแอสเซมิคอนดักเตอร์สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบโซลิดสเตต อย่างไรก็ตาม bandgap แคบ (0.66 eV) ของ Ge จำกัดการทำงานของอุปกรณ์ที่ใช้เจอร์เมเนียมเป็นอุณหภูมิประมาณ 90∘C เนื่องจากกระแสรั่วไหลมากที่สังเกตได้ที่อุณหภูมิสูงขึ้น ในทางกลับกัน bandgap ที่กว้างขึ้นของซิลิกอน (1.12 eV) ส่งผลให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถทำงานได้สูงถึง $\approx 200^{\circ} C$ . อย่างไรก็ตาม ยังมีปัญหาที่ร้ายแรงกว่าช่องว่างแคบๆ อีก นั่นคือ เจอร์เมเนียมไม่ได้ให้ชั้นฟิล์มที่เสถียรบนพื้นผิวอย่างรวดเร็ว ตัวอย่างเช่น เจอร์เมเนียมไดออกไซด์ (GeO2) ละลายน้ำได้และแตกตัวที่ประมาณ 800∘C. ซิลิคอน ตรงกันข้ามกับเจอร์เมเนียม สามารถปรับทู่ผิวได้โดยง่ายโดยสร้างซิลิกอนไดออกไซด์ (SiO .)2) ซึ่งให้การปกป้องอุปกรณ์พื้นฐานในระดับสูง SiO . ที่เสถียรนี้2ชั้นส่งผลให้ได้เปรียบที่ชัดเจนสำหรับซิลิกอนมากกว่าเจอร์เมเนียมเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์พื้นฐานที่ใช้สำหรับการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ข้อได้เปรียบนี้นำไปสู่เทคโนโลยีใหม่ๆ มากมาย รวมถึงกระบวนการสำหรับการเติมสารกระตุ้นและการกำหนดรูปแบบที่ซับซ้อน ข้อดีอื่นๆ ของซิลิกอนคือไม่มีพิษอย่างสมบูรณ์ และซิลิกา (SiO .)2) วัตถุดิบที่ได้รับซิลิกอนประกอบด้วยประมาณ 60%ของปริมาณแร่ธาตุของเปลือกโลก นี่หมายความว่าวัตถุดิบที่ได้รับซิลิกอนนั้นมีอยู่ในวงจรรวมอย่างมากมาย (เข้าใจแล้ว) อุตสาหกรรม นอกจากนี้ สามารถรับซิลิกอนเกรดอิเล็กทรอนิกส์ได้ในราคาไม่ถึงหนึ่งในสิบของเจอร์เมเนียม ข้อดีทั้งหมดเหล่านี้ทำให้ซิลิคอนมาแทนที่เจอร์เมเนียมเกือบทั้งหมดในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์

แม้ว่าซิลิกอนจะไม่ใช่ตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุดสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกชนิด แต่ข้อดีของมันหมายความว่ามันเกือบจะสามารถครอบงำอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ได้ในระยะเวลาหนึ่ง

13.1ภาพรวม

ปฏิสัมพันธ์ที่เกิดผลมากระหว่างผู้ใช้และผู้ผลิตวัสดุเซมิคอนดักเตอร์นับตั้งแต่การประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์แบบจุดสัมผัสในปี พ.ศ. 2490 เมื่อมีความจำเป็นสมบูรณ์แบบและบริสุทธิ์ andคริสตัลได้รับการยอมรับ การแข่งขันมักจะเป็นเช่นนั้นคุณภาพคริสตัลที่อุปกรณ์ใหม่ต้องการจะสามารถทำได้โดยการควบคุมการเติบโตของคริสตัลโดยใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สร้างขึ้นด้วยอุปกรณ์ใหม่เหล่านี้ เนื่องจากผลึกซิลิกอนที่ปราศจากความคลาดเคลื่อนถูกปลูกขึ้นในช่วงต้นทศวรรษ 1960 โดยใช้เทคนิคการแดช[13.2] ความพยายามในการวิจัยและพัฒนาวัสดุเซมิคอนดักเตอร์มุ่งเน้นไปที่ความบริสุทธิ์ของวัสดุ ผลผลิต และปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการผลิตอุปกรณ์

อุปกรณ์และวงจรเซมิคอนดักเตอร์ถูกประดิษฐ์ขึ้นโดยใช้กระบวนการทางกล เคมี กายภาพ และความร้อนที่หลากหลาย แผนภาพการไหลสำหรับกระบวนการเตรียมซิลิกอนเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไปแสดงไว้ในรูปที่13.1. การเตรียมพื้นผิวผลึกเดี่ยวซิลิกอนที่มีพื้นผิวที่ขัดด้วยกลไกและทางเคมีเป็นขั้นตอนแรกในกระบวนการประดิษฐ์อุปกรณ์ที่ยาวนานและซับซ้อน

Fig. 13.1 — มะเดื่อ 13.1
แผนภาพการไหลสำหรับกระบวนการเตรียมสารกึ่งตัวนำซิลิกอนทั่วไป (หลังจาก[13.1])

ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น ซิลิกอนเป็นองค์ประกอบที่มีมากเป็นอันดับสองของโลก มากกว่า 90%ของเปลือกโลกประกอบด้วยซิลิกาและซิลิเกต ด้วยการจัดหาวัตถุดิบที่ไร้ขอบเขตนี้ ปัญหาก็คือการเปลี่ยนซิลิคอนให้อยู่ในสถานะที่ใช้งานได้ซึ่งต้องการโดยเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ ข้อกำหนดแรกและหลักคือ ซิลิกอนที่ใช้สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะต้องบริสุทธิ์อย่างยิ่ง เนื่องจากสิ่งเจือปนจำนวนเล็กน้อยมากมีอิทธิพลอย่างมากต่อคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของซิลิกอน และดังนั้น ประสิทธิภาพของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ข้อกำหนดที่สองสำหรับคริสตัลที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ เนื่องจากผลผลิตของชิปต่อเวเฟอร์เพิ่มขึ้นอย่างมากด้วยเส้นผ่านศูนย์กลางที่ใหญ่กว่า ดังแสดงในรูปที่13.2สำหรับกรณีของ DRAM[13.3] หนึ่งในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป นอกจากความบริสุทธิ์และเส้นผ่านศูนย์กลางแล้ว ต้นทุนการผลิตและข้อกำหนดของวัสดุ รวมถึงความหนาแน่นของข้อบกพร่องที่โตแล้วและความเป็นเนื้อเดียวกันของตัวต้านทานต้องเป็นไปตามความต้องการของอุตสาหกรรมในปัจจุบัน

Fig. 13.2 — มะเดื่อ 13.2
ชิปต่อเวเฟอร์ซึ่งเป็นผลมาจากการสร้าง DRAM (หลังจาก[13.3])

ในบทนี้ แนวทางปัจจุบันในการเตรียมซิลิกอน – การแปลงวัตถุดิบเป็นซิลิกอนผลึกเดี่ยว (ดูรูปที่13.1)- จะมีการหารือ

13.2วัสดุเริ่มต้น

13.2.1ซิลิคอนเกรดทางโลหะวิทยา

วัสดุเริ่มต้นสำหรับผลึกเดี่ยวซิลิกอนที่มีความบริสุทธิ์สูงคือซิลิกา (SiO2). ขั้นตอนแรกในการผลิตซิลิกอนคือการหลอมและการลดซิลิกา ซึ่งทำได้โดยผสมซิลิกาและคาร์บอนในรูปของถ่านหิน โค้ก หรือเศษไม้ แล้วให้ความร้อนกับส่วนผสมที่อุณหภูมิสูงในเตาอาร์คอิเล็กโทรดแบบจุ่มใต้น้ำ การลดซิลิกาคาร์บอเทอร์มิกทำให้เกิดซิลิกอนหลอมรวม

S i O_{2} + 2C \to ซิ + 2CO .

(13.1)ปฏิกิริยาแบบซับซ้อนเกิดขึ้นจริงในเตาหลอมที่อุณหภูมิตั้งแต่ 1500 ถึง 2000∘C. ก้อนของซิลิกอนที่ได้จากกระบวนการนี้เรียกว่า ซิลิกอนเกรดโลหะ (MG-Si) และมีความบริสุทธิ์ประมาณ 98–99%.

13.2.2ซิลิคอนโพลีคริสตัลลีน

สารประกอบเคมีขั้นกลาง

ขั้นตอนต่อไปคือการทำให้ MG-Si บริสุทธิ์จนถึงระดับของซิลิกอนเกรดเซมิคอนดักเตอร์ (SG-Si) ซึ่งใช้เป็นวัสดุเริ่มต้นสำหรับซิลิกอนผลึกเดี่ยว แนวคิดพื้นฐานคือผง MG-Si ทำปฏิกิริยากับ HCl ที่ปราศจากน้ำเพื่อสร้างสารประกอบคลอโรซิเลนต่างๆ ในเครื่องปฏิกรณ์แบบอะฟลูอิไดซ์เบด จากนั้นไซเลนจะถูกทำให้บริสุทธิ์โดยการกลั่นและการสะสมไอสารเคมี (CVD) เพื่อสร้าง SG-โพลีซิลิคอน

มีการพิจารณาสารประกอบเคมีขั้นกลางจำนวนหนึ่ง เช่น โมโนไซเลน (SiH4), ซิลิกอนเตตระคลอไรด์ (SiCl4), ไตรคลอโรไซเลน (SiHCl .)3) และไดคลอโรซิเลน (SiH2Cl2). ในกลุ่มเหล่านี้ ไตรคลอโรซิเลนมักใช้สำหรับการสะสมพอลิซิลิกอนในภายหลัง ด้วยเหตุผลดังต่อไปนี้:

1.
สามารถเกิดขึ้นได้ง่ายโดยปฏิกิริยาของแอนไฮดรัสไฮโดรเจนคลอไรด์กับ MG-Si ที่อุณหภูมิต่ำพอสมควร (200–400 .)∘C).
2.
เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง ดังนั้นการทำให้บริสุทธิ์สามารถทำได้โดยใช้เทคนิคการกลั่นแบบมาตรฐาน
3.
ง่ายต่อการจัดการและสามารถเก็บไว้ในถังเหล็กคาร์บอนเมื่อแห้ง
4.
ไตรคลอโรไซเลนเหลวระเหยง่าย และเมื่อผสมกับไฮโดรเจน ก็สามารถขนส่งในสายเหล็กได้
5.
สามารถลดลงได้ที่ความดันบรรยากาศเมื่อมีไฮโดรเจน
6.
การสะสมของมันสามารถเกิดขึ้นได้บนซิลิกอนที่ให้ความร้อน โดยไม่จำเป็นต้องสัมผัสกับพื้นผิวแปลกปลอมที่อาจปนเปื้อนซิลิกอนที่เป็นผลลัพธ์
7.
มันทำปฏิกิริยาที่อุณหภูมิต่ำกว่า (1000–1200∘C) และในอัตราที่เร็วกว่าซิลิคอนเตตระคลอไรด์

ไฮโดรคลอริเนชั่นของซิลิกอน

ไตรคลอโรซิเลนถูกสังเคราะห์โดยให้ความร้อนผง MG-Si ที่ประมาณ 300∘C ในเครื่องปฏิกรณ์ฟลูอิไดซ์เบด นั่นคือ MG-Si ถูกแปลงเป็น SiHCl3ตามปฏิกิริยาต่อไปนี้

ซิ + 3HCl \to S i H C l_{3} + H_{2} .

(13.2) ปฏิกิริยาเป็นแบบคายความร้อนสูง ดังนั้นจึงต้องขจัดความร้อนออกเพื่อเพิ่มผลผลิตของไตรคลอโรซิเลนให้ได้มากที่สุด ขณะแปลง MG-Si เป็น SiHCl3, สิ่งเจือปนต่างๆ เช่น Fe, Al และ B จะถูกกำจัดโดยการแปลงให้เป็นเฮไลด์ (FeCl3, AlCl3, และ BCl3ตามลำดับ) และผลพลอยได้ เช่น SiCl4และ H2มีการผลิตด้วย

การกลั่นและการสลายตัวของไตรคลอโรซิเลน

การกลั่นมีการใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อทำให้ไตรคลอโรซิเลนบริสุทธิ์ ไตรคลอโรซิเลนซึ่งมีจุดเดือดต่ำ (31.8∘C) ถูกกลั่นแบบเศษส่วนจากเฮไลด์ที่ไม่บริสุทธิ์ ส่งผลให้มีความบริสุทธิ์เพิ่มขึ้นอย่างมาก โดยมีความเข้มข้นของสิ่งเจือปนที่ออกฤทธิ์ทางไฟฟ้าน้อยกว่า 1 ppba จากนั้น ไตรคลอโรซิเลนที่มีความบริสุทธิ์สูงจะถูกทำให้เป็นไอ เจือจางด้วยไฮโดรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูง และใส่เข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์แบบสะสม ในเครื่องปฏิกรณ์ แท่งซิลิกอนบาง ๆ ที่เรียกว่าแท่งบางซึ่งรองรับโดยอิเล็กโทรดกราไฟต์นั้นมีไว้สำหรับการสะสมพื้นผิวของซิลิกอนตามปฏิกิริยา

S i H C l_{3} + H_{2} \to ซิ + 3HCl .

(13.3)นอกจากนี้ ปฏิกิริยานี้ ปฏิกิริยาต่อไปนี้ยังเกิดขึ้นระหว่างการสะสมพอลิซิลิกอน ส่งผลให้เกิดซิลิกอนเตตระคลอไรด์ (ผลพลอยได้หลักของกระบวนการ)

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

(13.4) ซิลิคอนเตตระคลอไรด์นี้ใช้ในการผลิตควอตซ์ที่มีความบริสุทธิ์สูง เป็นต้น

จำเป็นต้องพูด ความบริสุทธิ์ของแท่งเรียวเล็กต้องเทียบได้กับของซิลิกอนที่สะสมอยู่ แท่งแบบบางถูกอุ่นที่อุณหภูมิประมาณ 400∘C ที่จุดเริ่มต้นของกระบวนการซิลิกอน CVD จำเป็นต้องมีการอุ่นก่อนเพื่อเพิ่มการนำของแท่งแบบบางที่มีความบริสุทธิ์สูง (ความต้านทานสูง) ให้เพียงพอต่อการให้ความร้อนแบบต้านทาน ฝาก 200–300 ชม. ประมาณ 1100∘C ส่งผลให้แท่งโพลีซิลิคอนความบริสุทธิ์สูงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 150–200 มม. แท่งโพลีซิลิกอนถูกขึ้นรูปเป็นรูปทรงต่างๆ สำหรับกระบวนการเติบโตของผลึกที่ตามมา เช่น ชิ้นสำหรับการเจริญเติบโตของการหลอม Czochralski และแท่งทรงกระบอกยาวสำหรับการเติบโตของโซนลอย กระบวนการในการลดไตรคลอโรซิเลนบนแท่งซิลิคอนที่ผ่านการอุ่นโดยใช้ไฮโดรเจนได้อธิบายไว้ในช่วงปลายทศวรรษ 1950 และต้นทศวรรษ 1960 ในสิทธิบัตรกระบวนการจำนวนหนึ่งที่ได้รับมอบหมายให้ซีเมนส์ ดังนั้นกระบวนการนี้จึงมักเรียกว่าวิธีซีเมนส์[13.4].

ข้อเสียที่สำคัญของวิธีซีเมนส์คือประสิทธิภาพการแปลงซิลิกอนและคลอรีนที่ไม่ดี ขนาดแบทช์ค่อนข้างเล็ก และการใช้พลังงานสูง ประสิทธิภาพการแปลงซิลิกอนและคลอรีนที่ไม่ดีนั้นสัมพันธ์กับซิลิคอนเตตระคลอไรด์ปริมาณมากที่ผลิตเป็นผลพลอยได้ในกระบวนการ CVD เพียงประมาณ30%ของซิลิกอนที่ให้ไว้ในปฏิกิริยา CVD จะถูกแปลงเป็นโพลีซิลิคอนที่มีความบริสุทธิ์สูง นอกจากนี้ ต้นทุนในการผลิตโพลิซิลิกอนที่มีความบริสุทธิ์สูงอาจขึ้นอยู่กับประโยชน์ของ SiCl4.

กระบวนการโมโนไซเลน

เทคโนโลยีการผลิต Apolysilicon บนพื้นฐานของการผลิตและไพโรไลซิสของ monosilane ก่อตั้งขึ้นในปลายทศวรรษ 1960 โมโนไซเลนอาจประหยัดพลังงานได้เนื่องจากจะเก็บโพลิซิลิคอนที่อุณหภูมิต่ำกว่าและผลิตโพลิซิลิกอนที่บริสุทธิ์กว่ากระบวนการไตรคลอโรซิเลน อย่างไรก็ตาม แทบไม่ได้ใช้งาน เนื่องจากไม่มีเส้นทางที่ประหยัดสำหรับโมโนไซเลน และเนื่องจากปัญหาในการประมวลผลในขั้นตอนการสะสม[13.5]. อย่างไรก็ตาม ด้วยการพัฒนาเส้นทางประหยัดสู่ไซเลนที่มีความบริสุทธิ์สูงและการดำเนินงานที่ประสบความสำเร็จของโรงงานขนาดใหญ่ เทคโนโลยีนี้จึงดึงดูดความสนใจของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งต้องการซิลิกอนที่มีความบริสุทธิ์สูงกว่า

ในกระบวนการ monosilane ทางอุตสาหกรรมในปัจจุบัน แมกนีเซียมและผง MG-Si จะได้รับความร้อนถึง 500∘C ภายใต้บรรยากาศ ahydrogen เพื่อสังเคราะห์ magenesium silicide (Mg2Si) ซึ่งทำปฏิกิริยากับแอมโมเนียมคลอไรด์ (NH .)4Cl) ในแอมโมเนียเหลว (NH3) ต่ำกว่า 0∘C เพื่อสร้างโมโนไซเลน (SiH4). จากนั้นจึงผลิตโพลีซิลิคอนที่มีความบริสุทธิ์สูงผ่านไพโรไลซิสของโมโนไซเลนบนเส้นใยโพลีซิลิคอนที่ให้ความร้อนแบบต้านทานที่ 700–800∘C. ในกระบวนการสร้างโมโนไซเลน สิ่งเจือปนโบรอนส่วนใหญ่จะถูกลบออกจากไซเลนผ่านปฏิกิริยาเคมีกับ NH3. ปริมาณอะโบรอน 0.01–0.02 ppba ในโพลิซิลิคอนทำได้โดยใช้กระบวนการอะโมโนซิเลน ความเข้มข้นนี้ต่ำมากเมื่อเทียบกับที่พบในโพลิซิลิคอนที่เตรียมจากไตรคลอโรซิเลน นอกจากนี้ พอลิซิลิกอนที่ได้จะปนเปื้อนโลหะน้อยลงผ่านกระบวนการขนส่งทางเคมี เนื่องจากการสลายตัวของโมโนไซเลนไม่ก่อให้เกิดปัญหาการกัดกร่อนใดๆ

เม็ดโพลิซิลิกอนทับถม

กระบวนการที่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งใช้การสลายตัวของโมโนไซเลนในเครื่องปฏิกรณ์สะสมแอฟลูอิไดซ์เบดเพื่อผลิตพอลิซิลิกอนเม็ดที่ไหลอย่างอิสระได้รับการพัฒนา[13.5]. อนุภาคเมล็ดซิลิกอนขนาดเล็กถูกทำให้ฟลูอิไดซ์ในส่วนผสมของอะโมโนซิเลน∕ไฮโดรเจน และโพลีซิลิคอนถูกสะสมเพื่อสร้างอนุภาคทรงกลมที่ไหลอย่างอิสระซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย 700 ไมโครเมตร โดยมีการกระจายขนาด 100–1500 ไมโครเมตร เดิมทีเมล็ดพืชฟลูอิไดซ์เบดถูกสร้างขึ้นโดยการบด SG-Si ในโรงสีลูกกลมหรือโรงสีค้อน แล้วชะล้างผลิตภัณฑ์ด้วยกรด ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ และน้ำ กระบวนการนี้ใช้เวลานานและมีค่าใช้จ่ายสูง และมีแนวโน้มที่จะนำสิ่งเจือปนที่ไม่ต้องการเข้าสู่ระบบผ่านเครื่องบดโลหะ อย่างไรก็ตาม ในวิธีการใหม่นี้ อนุภาค SG-Si ขนาดใหญ่จะถูกยิงใส่กันและกันโดยกระแสก๊าซที่มีความเร็วสูง ทำให้อนุภาคเหล่านี้แตกตัวเป็นอนุภาคที่มีขนาดเหมาะสมสำหรับฟลูอิไดซ์เบด กระบวนการนี้ไม่แนะนำวัสดุแปลกปลอมและไม่ต้องชะล้าง

เนื่องจากพื้นที่ผิวของโพลีซิลิคอนเม็ดละเอียดมากขึ้น เครื่องปฏิกรณ์แบบฟลูอิไดซ์เบดจึงมีประสิทธิภาพมากกว่าเครื่องปฏิกรณ์แบบแท่งแบบซีเมนส์แบบดั้งเดิมมาก คุณภาพของโพลีซิลิกอนแบบฟลูอิไดซ์เบดแสดงให้เห็นว่าเทียบเท่ากับโพลิซิลิคอนที่ผลิตโดยวิธีซีเมนส์แบบเดิม นอกจากนี้ โพลีซิลิคอนแบบเม็ดที่มีรูปแบบการไหลอิสระและความหนาแน่นสูงช่วยให้ผู้ปลูกคริสตัลได้รับประโยชน์สูงสุดจากการผลิตแต่ละครั้ง กล่าวคือ ในกระบวนการเติบโตของผลึก Czochralski (ดูหัวข้อต่อไปนี้) ถ้วยใส่ตัวอย่างสามารถบรรจุได้อย่างรวดเร็วและง่ายดายเพื่อให้การโหลดสม่ำเสมอ ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะมากกว่าก้อนโพลีซิลิคอนแบบเรียงซ้อนแบบสุ่มที่ผลิตโดยวิธีซีเมนส์ หากเราพิจารณาถึงศักยภาพของเทคนิคในการย้ายจากการดำเนินการแบบแบทช์เป็นการดึงแบบต่อเนื่อง (จะกล่าวถึงในภายหลัง) เราจะเห็นได้ว่าเม็ดพอลิซิลิกอนที่ไหลอย่างอิสระสามารถให้เส้นทางที่ได้เปรียบของการป้อนที่สม่ำเสมอในการหลอมในสถานะคงที่ ผลิตภัณฑ์นี้ดูเหมือนจะเป็นวัสดุเริ่มต้นที่เป็นนวัตกรรมใหม่ซึ่งรับประกันการเติบโตของผลึกซิลิกอน

13.3การเติบโตของผลึกเดี่ยว

แม้ว่าจะมีการใช้เทคนิคต่างๆ ในการแปลงโพลิซิลิคอนให้เป็นผลึกซิลิคอนเดี่ยว แต่เทคนิคสองวิธีได้ครอบงำการผลิตโพลิซิลิกอนสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากเป็นไปตามข้อกำหนดของอุตสาหกรรมอุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ วิธีหนึ่งคือวิธีการหลอมเอโซนที่เรียกกันทั่วไปว่าโซนลอยน้ำ (FZ) วิธีและอีกวิธีหนึ่งเป็นวิธีการที่น่าสนใจตามประเพณีที่เรียกว่าโชคราลสกี้ (CZ) วิธีทั้งๆ ที่จริงๆ แล้วควรจะเรียกว่านกเป็ดน้ำ–วิธีน้อย. หลักการที่อยู่เบื้องหลังวิธีการเติบโตของผลึกทั้งสองนี้แสดงไว้ในรูปที่13.3. ในวิธี FZ โซน amolten จะถูกส่งผ่านแกน apolysilicon เพื่อแปลงเป็นแท่งผลึกเดี่ยว ในวิธี CZ ผลึกเดี่ยวจะเติบโตโดยการดึงจากอะเมลต์ที่บรรจุอยู่ในเบ้าหลอมของอควาทซ์ ในทั้งสองกรณีเมล็ดคริสตัลมีบทบาทสำคัญในการรับผลึกเดี่ยวที่มีการวางแนวผลึกศาสตร์ที่ต้องการ

Fig. 13.3a,b — รูปที่ 13.3a,b,
หลักการเติบโตของผลึกเดี่ยวโดย (a) วิธีโซนลอยตัวและ (b)วิธี Czochralski (หลังจาก[13.1])

ประมาณว่าประมาณ 95%ของซิลิกอนผลึกเดี่ยวทั้งหมดผลิตโดยวิธี CZ และส่วนที่เหลือโดยวิธี FZ เป็นหลัก อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ซิลิกอนต้องการความบริสุทธิ์สูงและความเข้มข้นของข้อบกพร่องขั้นต่ำในผลึกซิลิกอนเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตอุปกรณ์และประสิทธิภาพการทำงาน ข้อกำหนดเหล่านี้มีความเข้มงวดมากขึ้นเมื่อเทคโนโลยีเปลี่ยนจาก LSI เป็น VLSI∕ULSI และ SOC นอกจากคุณภาพหรือความสมบูรณ์แบบของผลึกซิลิกอนแล้ว เส้นผ่านศูนย์กลางของคริสตัลยังเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องเพื่อตอบสนองความต้องการของผู้ผลิตอุปกรณ์ เนื่องจากชิปไมโครอิเล็กทรอนิกส์ผลิตผ่าน aระบบแบทช์เส้นผ่านศูนย์กลางของแผ่นเวเฟอร์ซิลิกอนที่ใช้สำหรับการผลิตอุปกรณ์ส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อประสิทธิภาพการผลิต (ดังแสดงในรูปที่13.2) และในทางกลับกันต้นทุนการผลิต

ในส่วนต่อไปนี้ เราจะพูดถึงวิธี FZ ก่อน แล้วจึงไปยังวิธี CZ โดยจะมีการหารือในรายละเอียดเพิ่มเติมเนื่องจากมีความสำคัญอย่างยิ่งต่ออุตสาหกรรมไมโครอิเล็กทรอนิกส์

13.3.1วิธีโซนลอยตัว

ข้อสังเกตทั่วไป

วิธี FZ เกิดจากการหลอมโซนซึ่งใช้ในการปรับแต่งโลหะผสมไบนารี[13.6] และถูกคิดค้นโดยTheuerer[13.7]. การเกิดปฏิกิริยาของซิลิกอนเหลวกับวัสดุที่ใช้สำหรับถ้วยใส่ตัวอย่างทำให้เกิดการพัฒนาวิธี FZ[13.8] ซึ่งอนุญาตให้เกิดการตกผลึกของซิลิกอนโดยไม่จำเป็นต้องสัมผัสกับวัสดุเบ้าหลอมใดๆ ซึ่งจำเป็นเพื่อให้สามารถเติบโตผลึกที่มีความบริสุทธิ์ของเซมิคอนดักเตอร์ที่ต้องการได้

โครงร่างของกระบวนการ

ในกระบวนการ FZ แท่ง apolysilicon จะถูกแปลงเป็นแท่งผลึกเดี่ยวโดยผ่านโซน amolten ที่ถูกทำให้ร้อนด้วยขดลวด aneedle-eye จากปลายด้านหนึ่งของแกนไปยังอีกด้านหนึ่ง ดังแสดงในรูปที่13.3ก. ขั้นแรก ให้สัมผัสส่วนปลายของแท่งโพลีซิลิคอนและหลอมรวมกับคริสตัลที่มีเมล็ดโดยมีการวางแนวคริสตัลที่ต้องการ กระบวนการนี้เรียกว่าการเพาะ. บริเวณหลอมเหลวที่เพาะแล้วจะถูกส่งผ่านแกนโพลีซิลิคอนโดยการย้ายเมล็ดผลึกเดี่ยวลงไปที่แกนพร้อมกัน เมื่อซิลิคอนหลอมเหลวแข็งตัว โพลิซิลิคอนจะถูกแปลงเป็นซิลิกอนผลึกเดี่ยวโดยใช้ผลึกเมล็ด ขณะที่โซนเคลื่อนที่ไปตามแกนโพลีซิลิคอน ซิลิคอนผลึกเดี่ยวจะแข็งตัวที่ปลายและเติบโตเป็นส่วนขยายของผลึกเมล็ด

หลังจากการเพาะเมล็ดจะมีคอที่บางประมาณ 2 หรือ 3 มม. และยาว 10–20 มม. กระบวนการนี้เรียกว่าคอ. บริเวณคอที่โตขึ้นช่วยขจัดความคลาดเคลื่อนที่สามารถนำมาใช้กับซิลิกอนผลึกเดี่ยวที่ปลูกใหม่ได้ในระหว่างการเพาะเมล็ดเนื่องจากการช็อกจากความร้อน กระบวนการคอนี้เรียกว่า calledเทคนิคการแดช[13.2] จึงเป็นพื้นฐานของผลึกที่ปราศจากความคลาดเคลื่อน และมีการใช้อย่างแพร่หลายทั้งในวิธี FZ และ CZ ภาพเอ็กซ์เรย์ภูมิประเทศของเมล็ด คอ และส่วนทรงกรวยของผลึกเดี่ยวของอะซิลิกอนที่ปลูกโดยวิธี FZ แสดงไว้ในรูปที่13.4. เห็นได้ชัดว่าความคลาดเคลื่อนที่เกิดขึ้นที่หน้าสัมผัสหลอมเหลวนั้นถูกขจัดออกไปโดยสิ้นเชิงโดยการคอ หลังจากสร้างส่วนรูปกรวยแล้ว ส่วนหลักที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเป้าหมายเต็มจะโตขึ้น ในระหว่างกระบวนการเติบโต FZ ทั้งหมด รูปร่างของโซนหลอมเหลวและเส้นผ่านศูนย์กลางของแท่งโลหะจะถูกกำหนดโดยการปรับกำลังให้กับขดลวดและอัตราการเดินทาง ซึ่งทั้งสองอย่างนี้อยู่ภายใต้การควบคุมของคอมพิวเตอร์ เทคนิคที่ใช้กันมากที่สุดเพื่อควบคุมเส้นผ่านศูนย์กลางโดยอัตโนมัติในทั้งวิธี FZ และ CZ ใช้เซ็นเซอร์อินฟราเรดที่โฟกัสที่วงเดือน รูปร่างของวงเดือนบนผลึกที่กำลังเติบโตนั้นขึ้นอยู่กับมุมสัมผัสที่ขอบเขตสามเฟส เส้นผ่านศูนย์กลางของผลึก และขนาดของแรงตึงผิว การเปลี่ยนแปลงของมุมวงเดือน (และขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของผลึก) จะรับรู้ และข้อมูลจะถูกป้อนกลับเพื่อปรับสภาพการเจริญเติบโตโดยอัตโนมัติ

Fig. 13.4 — มะเดื่อ 13.4
เอกซเรย์ภูมิประเทศของเมล็ด คอ และส่วนทรงกรวยของซิลิกอนโซนลอยตัว (ได้รับความอนุเคราะห์จาก Dr. T. Abe)

ในทางตรงกันข้ามกับการเติบโตของคริสตัล CZ ซึ่งคริสตัลเมล็ดจะถูกจุ่มลงในซิลิคอนที่หลอมละลายและคริสตัลที่กำลังเติบโตถูกดึงขึ้นด้านบน ในวิธี FZ ผลึกเมล็ดบางจะค้ำจุนคริสตัลที่กำลังเติบโต เช่นเดียวกับแท่งโพลีซิลิคอนจากด้านล่าง (รูปที่13.3). ผลที่ได้คือ ก้านจะสมดุลอย่างล่อแหลมบนเมล็ดและคอที่บางในระหว่างกระบวนการเจริญเติบโตทั้งหมด เมล็ดและคอสามารถรองรับคริสตัลได้มากถึง 20 กก. ตราบใดที่จุดศูนย์ถ่วงของคริสตัลที่กำลังเติบโตยังคงอยู่ที่ศูนย์กลางของระบบการเจริญเติบโต หากจุดศูนย์ถ่วงเคลื่อนออกจากเส้นกึ่งกลาง เมล็ดจะแตกหักง่าย ดังนั้นจึงจำเป็นต้องคิดค้นเทคนิคการรักษาเสถียรภาพและการสนับสนุนของคริสตัลก่อนที่จะสามารถปลูกผลึกซิลิกอน FZ ที่ยาวและหนักได้ สำหรับคริสตัลขนาดใหญ่ จำเป็นต้องรองรับคริสตัลที่กำลังเติบโตในลักษณะที่แสดงในรูปที่13.5[13.9] โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีของผลึก FZ ล่าสุดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ (150–200 มม.) เนื่องจากมีน้ำหนักเกิน 20 กก. ได้ง่าย

Fig. 13.5 — มะเดื่อ 13.5
ระบบรองรับคริสตัลซิลิกอนโซนลอยตัว (หลังจาก[13.9])

ยาสลบ

เพื่อให้ได้ผลึกเดี่ยวซิลิกอนชนิด n หรือ p ที่มีความต้านทานที่ต้องการ โพลีซิลิคอนหรือคริสตัลที่กำลังเติบโตจะต้องเจือด้วยสารเจือปนของผู้ให้หรือตัวรับที่เหมาะสมตามลำดับ สำหรับการเจริญเติบโตของซิลิกอน FZ แม้ว่าจะมีการลองใช้เทคนิคการใช้สารกระตุ้นหลายอย่าง แต่โดยทั่วไปแล้วคริสตัลจะถูกเจือโดยการเป่าก๊าซเสริม เช่น ฟอสฟีน (PH3) สำหรับซิลิกอนชนิด n หรือ diborane (B2H6) สำหรับซิลิกอนชนิด p บนบริเวณหลอมเหลว ก๊าซเจือปนมักจะเจือจางด้วยก๊าซอะคาริเออร์ เช่น อาร์กอน ข้อได้เปรียบที่ยอดเยี่ยมของวิธีนี้คือผู้ผลิตคริสตัลซิลิกอนไม่จำเป็นต้องเก็บแหล่งโพลีซิลิคอนที่มีความต้านทานต่างกัน

เนื่องจากการแยก (ที่กล่าวถึงในหัวข้อย่อยถัดไป) ของสารเจือธาตุสำหรับซิลิกอนชนิด n นั้นน้อยกว่าความเป็นเอกภาพมาก ผลึก FZ ที่เจือด้วยวิธีการดั้งเดิมจึงมีการไล่ระดับสารเจือปนในแนวรัศมี นอกจากนี้ เนื่องจากอัตราการตกผลึกแปรผันไปในทิศทางรัศมีในระดับจุลภาค ความเข้มข้นของสารเจือปนจะกระจายเป็นวงจรและก่อให้เกิดสิ่งที่เรียกว่าสารเจือปนส่งผลให้มีความต้านทานในแนวรัศมีไม่เท่ากัน เพื่อให้ได้ซิลิกอนชนิด n ที่เจือเป็นเนื้อเดียวกันมากขึ้น การให้สารกระตุ้นการเปลี่ยนรูปนิวตรอน (NTD) ถูกนำไปใช้กับผลึกซิลิกอน FZ[13.10]. ขั้นตอนนี้เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนรูปนิวเคลียสของซิลิคอนเป็นฟอสฟอรัสโดยการทิ้งระเบิดคริสตัลด้วยนิวตรอนความร้อนตามปฏิกิริยา

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

(13.5)ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี31Si เกิดขึ้นเมื่อ30Si จับ aneutron แล้วสลายตัวเป็นไอโซโทปที่เสถียร31P (อะตอมของผู้บริจาค) ซึ่งการกระจายไม่ขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์การเติบโตของผลึก ทันทีหลังจากการฉายรังสี ผลึกจะมีความต้านทานสูง ซึ่งเป็นผลมาจากข้อบกพร่องของโครงตาข่ายจำนวนมากที่เกิดจากความเสียหายจากรังสี ดังนั้นคริสตัลที่ฉายรังสีจึงต้องผ่านการอบอ่อนในสภาพแวดล้อมเฉื่อยที่อุณหภูมิประมาณ 700∘C เพื่อทำลายจุดบกพร่องและฟื้นฟูสภาพต้านทานให้กลับคืนมาจากการเติมฟอสฟอรัส ภายใต้รูปแบบ NTD คริสตัลจะเติบโตโดยไม่ใช้สารกระตุ้น จากนั้นจึงฉายรังสีในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่มีอัตราส่วนความร้อนต่อนิวตรอนเร็วจำนวนมาก เพื่อเพิ่มการจับนิวตรอนและเพื่อลดความเสียหายต่อโครงผลึก

การประยุกต์ใช้ NTD เกือบจะจำกัดเฉพาะคริสตัล FZ เท่านั้น เนื่องจากมีความบริสุทธิ์สูงกว่าเมื่อเทียบกับคริสตัล CZ เมื่อนำเทคนิค NTD มาใช้กับผลึกซิลิกอน CZ พบว่าการก่อตัวของผู้ให้ออกซิเจนในระหว่างกระบวนการหลอมหลังจากการฉายรังสีเปลี่ยนความต้านทานจากที่คาดไว้ แม้ว่าจะบรรลุความเป็นเนื้อเดียวกันของผู้ให้ฟอสฟอรัส[13.11]. NTD มีข้อบกพร่องเพิ่มเติมที่ไม่มีกระบวนการใดๆ สำหรับสารเจือปนชนิด p และจำเป็นต้องมีการฉายรังสีเป็นเวลานานเกินไปสำหรับค่าความต้านทานต่ำ (ในช่วง 1–10 Ω cm)

คุณสมบัติของ FZ-Silicon Crystal

ในระหว่างการเติบโตของผลึก FZ ซิลิกอนที่หลอมเหลวจะไม่สัมผัสกับสารอื่นใดนอกจากก๊าซแวดล้อมในห้องเติบโต ดังนั้นคริสตัลซิลิกอน FZ จึงมีความโดดเด่นด้วยความบริสุทธิ์ที่สูงกว่าเมื่อเทียบกับคริสตัล aCZ ซึ่งเติบโตจากการหลอมเหลว ซึ่งเกี่ยวข้องกับการสัมผัสกับเบ้าหลอมของอควาทซ์ การสัมผัสนี้ทำให้เกิดความเข้มข้นของออกซิเจนเจือปนสูงประมาณ 1018อะตอม ∕ cm3ในผลึก CZ ในขณะที่ซิลิกอน FZ มีน้อยกว่า 1016อะตอม ∕ cm3. ความบริสุทธิ์ที่สูงขึ้นนี้ทำให้ FZ ซิลิกอนมีความต้านทานสูงที่ไม่สามารถหาได้โดยใช้ซิลิกอน CZ ซิลิกอน FZ ส่วนใหญ่ที่บริโภคมีความต้านทานระหว่าง 10 ถึง 200 Ω ซม. ในขณะที่ซิลิกอน CZ มักจะเตรียมความต้านทาน 50 Ω ซม. หรือน้อยกว่าเนื่องจากการปนเปื้อนจากเบ้าหลอมควอตซ์ ดังนั้น FZ ซิลิคอนจึงถูกใช้เป็นหลักในการผลิตอุปกรณ์ไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์ที่รองรับแรงดันย้อนกลับที่เกิน 750–1000 V การเติบโตของผลึกที่มีความบริสุทธิ์สูงและคุณสมบัติการเติมที่แม่นยำของ NTD FZ-Si ยังนำไปสู่การใช้ในเครื่องตรวจจับอินฟราเรด13.12], ตัวอย่างเช่น.

อย่างไรก็ตาม หากเราพิจารณาถึงความแข็งแรงเชิงกล เป็นที่ทราบกันดีว่าซิลิกอน FZ ซึ่งประกอบด้วยออกซิเจนเจือปนน้อยกว่าซิลิกอน CZ นั้นมีความอ่อนแอทางกลไกน้อยกว่าและเสี่ยงต่อความเครียดจากความร้อนมากขึ้นในระหว่างการผลิตอุปกรณ์[13.13,13.14]. การประมวลผลซิลิคอนเวเฟอร์ที่อุณหภูมิสูงในระหว่างการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มักก่อให้เกิดความเค้นจากความร้อนที่เพียงพอเพื่อสร้างความคลาดเคลื่อนของสลิปและการบิดเบี้ยว ผลกระทบเหล่านี้ทำให้เกิดการสูญเสียผลผลิตอันเนื่องมาจากรอยต่อที่รั่ว ข้อบกพร่องของไดอิเล็กตริก และอายุการใช้งานที่ลดลง รวมทั้งผลผลิตจากโฟโตลิโทกราฟีที่ลดลงเนื่องจากการเสื่อมถอยของความเรียบของแผ่นเวเฟอร์ การสูญเสียระนาบเชิงเรขาคณิตเนื่องจากการบิดเบี้ยวอาจรุนแรงมากจนแผ่นเวเฟอร์ไม่ได้รับการประมวลผลต่อไป ด้วยเหตุนี้ เวเฟอร์ซิลิกอน CZ จึงถูกใช้อย่างกว้างขวางในการผลิตอุปกรณ์ IC มากกว่าเวเฟอร์ FZ ความแตกต่างในความเสถียรทางกลต่อความเค้นจากความร้อนเป็นสาเหตุสำคัญว่าทำไมคริสตัลซิลิกอน CZ จึงถูกใช้เฉพาะสำหรับการผลิตไอซีที่ต้องใช้ขั้นตอนกระบวนการทางความร้อนจำนวนมาก

เพื่อเอาชนะข้อบกพร่องเหล่านี้ของ FZ silicon การเติบโตของผลึกซิลิกอน FZ ที่มีสารเจือปนยาสลบ เช่น ออกซิเจน13.15] และไนโตรเจน[13.16] ได้พยายามแล้ว พบว่าผลึกซิลิกอนยาสลบ FZ กับออกซิเจนหรือไนโตรเจนที่ความเข้มข้นของ $1 - 1.5 \times 10^{17} a t o m s / c m^{3}$ หรือ $1.5 \times 10^{15} a t o m s / c m^{3}$ ตามลำดับ ส่งผลให้มีความแข็งแรงทางกลเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัด

13.3.2วิธี Czochralski

ข้อสังเกตทั่วไป

วิธีนี้ได้รับการตั้งชื่อตาม J. Czochralski ผู้ก่อตั้งเทคนิคในการกำหนดความเร็วการตกผลึกของโลหะ[13.17]. อย่างไรก็ตาม วิธีการดึงจริงที่ใช้กันอย่างแพร่หลายกับการเติบโตของผลึกเดี่ยวได้รับการพัฒนาโดยนกเป็ดน้ำและลิตเติ้ล[13.18] ซึ่งแก้ไขหลักการพื้นฐานของ Czochralski พวกเขาเป็นคนแรกที่ประสบความสำเร็จในการเติบโตผลึกเดี่ยวของเจอร์เมเนียมที่มีความยาว 8 นิ้วและเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.75 นิ้วในปี 2493 ต่อมาพวกเขาได้ออกแบบเครื่องมืออื่นสำหรับการเติบโตของซิลิกอนที่อุณหภูมิสูงขึ้น แม้ว่ากระบวนการผลิตขั้นพื้นฐานสำหรับซิลิกอนผลึกเดี่ยวจะเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยเนื่องจากได้รับการบุกเบิกโดยน้านและเพื่อนร่วมงาน แต่ผลึกเดี่ยวซิลิกอนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ (สูงสุด 400 มม.) มีความสมบูรณ์แบบสูงซึ่งตรงตามอุปกรณ์ที่ล้ำสมัย ความต้องการเพิ่มขึ้นจากการผสมผสานเทคนิค Dash และนวัตกรรมทางเทคโนโลยีที่ต่อเนื่องเข้ากับอุปกรณ์

ความพยายามในการวิจัยและพัฒนาในปัจจุบันเกี่ยวกับผลึกซิลิกอนมุ่งไปสู่การบรรลุความสม่ำเสมอของสมบัติคริสตัล เช่น ความต้านทานและความเข้มข้นของสิ่งเจือปนและไมโครดีเฟกต์ ตลอดจนการควบคุมด้วยกล้องจุลทรรศน์ ซึ่งจะกล่าวถึงในที่อื่นในคู่มือนี้

โครงร่างของกระบวนการ

สามขั้นตอนที่สำคัญที่สุดในการเติบโตของผลึก CZ จะแสดงเป็นแผนผังในรูปที่13.3ข. โดยหลักการแล้ว กระบวนการเติบโต CZ นั้นคล้ายคลึงกับกระบวนการเติบโตของ FZ: (1) การหลอมโพลีซิลิคอน (2) การเพาะเมล็ด และ (3) การปลูก อย่างไรก็ตาม ขั้นตอนการดึง CZ นั้นซับซ้อนกว่าการเติบโตของ FZ และมีความโดดเด่นจากการใช้เบ้าหลอม aquartz เพื่อบรรจุซิลิกอนหลอมเหลว รูป13.6แสดงมุมมองที่ไม่แน่นอนของอุปกรณ์การเติบโตของคริสตัล CZ สมัยใหม่ ขั้นตอนสำคัญในลำดับการเติบโตของผลึกซิลิกอน CZ จริงหรือมาตรฐานมีดังนี้:

1.
ชิ้นหรือเม็ดโพลีซิลิคอนวางอยู่ในเบ้าหลอมน้ำและหลอมที่อุณหภูมิสูงกว่าจุดหลอมเหลวของซิลิกอน (1420∘C) ในก๊าซบรรยากาศเฉื่อย
2.
การหลอมจะถูกเก็บไว้ที่อุณหภูมิสูงชั่วขณะหนึ่งเพื่อให้แน่ใจว่าการหลอมเหลวและการดีดออกของฟองอากาศขนาดเล็กอย่างสมบูรณ์ ซึ่งอาจทำให้เกิดช่องว่างหรือข้อบกพร่องของผลึกเชิงลบจากการหลอมเหลว
3.
คริสตัล Aseed ที่มีการวางแนวคริสตัลที่ต้องการจะถูกจุ่มลงในวัสดุหลอมเหลวจนกระทั่งเริ่มละลาย จากนั้นนำเมล็ดออกจากเมล็ดที่หลอมละลายเพื่อให้คอเกิดขึ้นโดยค่อยๆ ลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางลง นี่เป็นขั้นตอนที่ละเอียดอ่อนที่สุด ในระหว่างกระบวนการเติบโตของผลึกทั้งหมด ก๊าซเฉื่อย (โดยปกติคืออาร์กอน) จะไหลลงสู่ห้องดึงเพื่อนำผลิตภัณฑ์ที่ทำปฏิกิริยาออกไป เช่น SiO และ CO
4.
โดยค่อยๆ เพิ่มขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางคริสตัล ส่วนทรงกรวยและไหล่จะโตขึ้น เส้นผ่านศูนย์กลางจะเพิ่มขึ้นจนถึงเส้นผ่านศูนย์กลางเป้าหมายโดยการลดอัตราการดึงและ∕หรืออุณหภูมิหลอมเหลว
5.
สุดท้าย ส่วนทรงกระบอกของร่างกายที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางคงที่จะเติบโตโดยการควบคุมอัตราการดึงและอุณหภูมิหลอมเหลว ในขณะที่ชดเชยการตกของระดับการหลอมเหลวเมื่อคริสตัลโตขึ้น อัตราการดึงโดยทั่วไปจะลดลงไปที่ส่วนท้ายของผลึกที่กำลังเติบโต สาเหตุหลักมาจากการแผ่รังสีความร้อนที่เพิ่มขึ้นจากผนังถ้วยใส่ตัวอย่างเมื่อระดับการหลอมเหลวลดลงและเผยให้เห็นผนังของถ้วยใส่ตัวอย่างมากขึ้นต่อคริสตัลที่กำลังเติบโต ใกล้ถึงจุดสิ้นสุดของกระบวนการเติบโต แต่ก่อนที่เบ้าหลอมจะถูกระบายออกจากซิลิคอนที่หลอมเหลวจนหมด เส้นผ่านศูนย์กลางของผลึกจะต้องค่อยๆ ลดขนาดลงเพื่อให้เกิดรูปกรวยที่ปลายสุด เพื่อลดอุณหภูมิช็อกจากความร้อน ซึ่งอาจทำให้เกิดการเลื่อนหลุดที่ปลายหางได้ เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กพอ คริสตัลจะถูกแยกออกจากส่วนที่หลอมเหลวโดยไม่ทำให้เกิดความคลาดเคลื่อน

รูป13.7แสดงส่วนปลายเมล็ดของคริสตัลซิลิกอน CZ ที่โตแล้ว แม้ว่าข้าวโพดเมล็ดซึ่งเป็นบริเวณเปลี่ยนผ่านจากเมล็ดไปยังส่วนทรงกระบอก มักจะถูกสร้างให้ค่อนข้างแบนเนื่องจากเหตุผลทางเศรษฐกิจ แต่รูปทรงที่เรียวกว่าอาจเป็นที่ต้องการจากมุมมองของคุณภาพของคริสตัล ส่วนไหล่และบริเวณใกล้เคียงไม่ควรใช้สำหรับการผลิตอุปกรณ์ เนื่องจากส่วนนี้ถือเป็นบริเวณการเปลี่ยนผ่านในหลาย ๆ ด้าน และแสดงลักษณะผลึกที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันในสภาพการเจริญเติบโต

Fig. 13.6 — มะเดื่อ 13.6
มุมมองแบบแผนของระบบการปลูกผลึกซิลิกอน Czochralski ทั่วไป (หลังจาก[13.1])

Fig. 13.7 — มะเดื่อ 13.7
ส่วนปลายเมล็ดของคริสตัลซิลิกอน Czochralski เมื่อโตแล้ว

รูป13.8แสดงแท่งผลึกซิลิกอน CZ ขนาดใหญ่พิเศษเมื่อโตแล้ว มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 400 มม. และยาว 1800 มม. ซึ่งเติบโตโดย Super Silicon Crystal Research Institute Corporation ในประเทศญี่ปุ่น[13.3].

Fig. 13.8 — มะเดื่อ 13.8
แท่งซิลิกอน Czochralski ขนาดใหญ่พิเศษขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 400 มม. และความยาว 1800 มม. (ได้รับความอนุเคราะห์จาก Super Silicon Crystal Research Institute Corporation ประเทศญี่ปุ่น)

อิทธิพลของตำแหน่งเชิงพื้นที่ inaGrownCrystal

ดังรูป13.9แสดงให้เห็นอย่างชัดเจน แต่ละส่วนของคริสตัล aCZ เติบโตในเวลาต่างกันด้วยสภาพการเจริญเติบโตที่แตกต่างกัน[13.19]. ดังนั้น จึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องเข้าใจว่าแต่ละส่วนมีลักษณะของผลึกที่แตกต่างกันและประวัติความร้อนที่แตกต่างกันเนื่องจากตำแหน่งที่แตกต่างกันไปตามความยาวของผลึก ตัวอย่างเช่น ส่วนปลายเมล็ดมีประวัติความร้อนที่มากขึ้น ตั้งแต่จุดหลอมเหลว 1420 ถึงประมาณ 400∘C ใน apuller ในขณะที่ส่วนท้ายมีประวัติสั้นกว่าและเย็นลงค่อนข้างเร็วจากจุดหลอมเหลว ในที่สุด ซิลิคอนเวเฟอร์แต่ละแผ่นที่เตรียมจากผลึกที่โตแล้วสามารถแสดงลักษณะทางเคมีและฟิสิกส์ที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของมันในแท่งโลหะ อันที่จริง มีรายงานว่าพฤติกรรมการตกตะกอนของออกซิเจนแสดงการพึ่งพาตำแหน่งมากที่สุด ซึ่งในทางกลับกัน ส่งผลต่อการสร้างข้อบกพร่องจำนวนมาก[13.20].

Fig. 13.9 — มะเดื่อ 13.9
สภาพแวดล้อมทางความร้อนระหว่างการเติบโตของผลึก Czochralski ในระยะเริ่มต้นและขั้นตอนสุดท้าย*ลูกศร*ระบุทิศทางการไหลของความร้อนโดยประมาณ (หลังจาก[13.19])

นอกจากนี้ การกระจายแบบ anonuniform ของคริสตัลที่บกพร่องและสิ่งสกปรกเกิดขึ้นในส่วนขวางของแผ่นเวเฟอร์แบบแอฟเฟอร์ที่เตรียมจากผลึกซิลิคอนหลอม aCZ ที่ตกผลึกหรือทำให้แข็งตัวติดต่อกันที่ส่วนต่อประสานระหว่างผลึกกับผลึก ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะโค้งในกระบวนการเติบโตของผลึก CZ ความผิดปกติดังกล่าวสามารถสังเกตได้ดังนี้เส้นริ้วซึ่งจะกล่าวถึงในภายหลัง

13.3.3สิ่งเจือปนใน Czochralski Silicon

คุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำซิลิกอนที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีความไวต่อสิ่งเจือปนมาก เนื่องจากความไวนี้ สมบัติทางไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ของซิลิกอนจึงสามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำโดยการเติมสารเจือปนในปริมาณเล็กน้อย นอกจากความไวของสารเจือปนนี้แล้ว การปนเปื้อนจากสิ่งเจือปน (โดยเฉพาะโลหะทรานสิชัน) ยังส่งผลในทางลบต่อคุณสมบัติของซิลิกอนและส่งผลให้ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ลดลงอย่างร้ายแรง นอกจากนี้ ออกซิเจนยังถูกรวมไว้ที่ระดับสิบอะตอมต่อล้านในผลึกซิลิกอน CZ เนื่องจากปฏิกิริยาระหว่างซิลิกอนที่หลอมเหลวและเบ้าหลอมควอตซ์ ไม่ว่าออกซิเจนในคริสตัลจะมีมากน้อยเพียงใด ลักษณะของผลึกซิลิกอนจะได้รับผลกระทบอย่างมากจากความเข้มข้นและพฤติกรรมของออกซิเจน[13.21]. นอกจากนี้ คาร์บอนยังรวมอยู่ในผลึกซิลิกอน CZ ทั้งจากวัตถุดิบโพลีซิลิคอนหรือในระหว่างกระบวนการเติบโต เนื่องจากชิ้นส่วนกราไฟต์ที่ใช้ในอุปกรณ์ดึง CZ แม้ว่าความเข้มข้นของคาร์บอนในผลึกซิลิกอน CZ เชิงพาณิชย์จะน้อยกว่า 0.1 ppma แต่คาร์บอนเป็นสิ่งเจือปนที่ส่งผลกระทบอย่างมากต่อพฤติกรรมของออกซิเจน[13.22,13.23]. นอกจากนี้ ผลึกซิลิกอน CZ ที่เจือด้วยไนโตรเจน[13.24,13.25] ได้รับความสนใจอย่างมากเมื่อเร็วๆ นี้เนื่องจากคุณภาพของคริสตัลขนาดเล็กมาก ซึ่งอาจตรงตามข้อกำหนดสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ล้ำสมัย[13.26,13.27].

ความไม่เท่าเทียมกันของมลทิน

ในระหว่างการตกผลึกจากอะเมลต์ สิ่งเจือปนต่างๆ (รวมถึงสารเจือปน) ที่มีอยู่ในหลอมจะถูกรวมเข้ากับคริสตัลที่กำลังเติบโต ความเข้มข้นของสิ่งเจือปนของเฟสของแข็งโดยทั่วไปแตกต่างจากเฟสของเหลวเนื่องจากปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการแบ่งแยก.

การแบ่งแยก

พฤติกรรมการแยกส่วนสมดุลที่เกี่ยวข้องกับการแข็งตัวของระบบหลายองค์ประกอบสามารถกำหนดได้จากแผนภาพเฟสที่สอดคล้องกันของระบบไบนารีด้วยตัวละลาย(สิ่งเจือปน) และ aตัวทำละลาย(วัสดุเจ้าบ้าน) เป็นส่วนประกอบ

อัตราส่วนความสามารถในการละลายของสิ่งเจือปน Ain ของแข็งซิลิกอน [CA]sในซิลิกอนเหลว [CA]L

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

(13.6) เรียกว่าค่าสัมประสิทธิ์การแยกส่วนสมดุล. ความสามารถในการละลายสิ่งเจือปนในซิลิกอนเหลวนั้นสูงกว่าในซิลิกอนที่เป็นของแข็งเสมอ นั่นคือ,k0& lt; 1.ค่าสัมประสิทธิ์การแยกดุลยภาพk0ใช้ได้กับการแข็งตัวในอัตราการเติบโตที่ช้าเล็กน้อยเท่านั้น สำหรับอัตราการแข็งตัวที่จำกัดหรือสูงกว่า อะตอมของสิ่งเจือปนด้วยk0& lt; 1 ถูกปฏิเสธโดยของแข็งที่กำลังเคลื่อนตัวในอัตราที่มากกว่าที่จะแพร่กระจายไปในของเหลว ในกระบวนการเติบโตของผลึก CZ การแยกตัวเกิดขึ้นที่จุดเริ่มต้นของการแข็งตัวที่ส่วนต่อประสานระหว่างเมล็ดกับเมล็ด agiven และอะตอมของสิ่งเจือปนที่ถูกปฏิเสธจะเริ่มสะสมในชั้นหลอมเหลวใกล้กับส่วนต่อประสานการเติบโตและกระจายไปในทิศทางของสารหลอมเหลวจำนวนมาก ในสถานการณ์นี้ anค่าสัมประสิทธิ์การแยกส่วนที่มีประสิทธิภาพkเอฟเฟ่สามารถกำหนดได้ตลอดเวลาในระหว่างการเติบโตของผลึก CZ และความเข้มข้นของสิ่งเจือปน [C]sในคริสตัล aCZ ได้มาจาก

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

(13.7)ที่ไหน [C0] คือความเข้มข้นของสิ่งเจือปนเริ่มต้นในการหลอมเหลวและgคือเศษส่วนที่แข็งตัว

ดังนั้นจึงเป็นที่ชัดเจนว่าการแปรผันตามยาวแบบอะโครสโคปิกในระดับมลทิน ซึ่งทำให้เกิดความแปรปรวนในสภาพต้านทานเนื่องจากความแปรผันของความเข้มข้นของสารเจือปนนั้นมีอยู่ในกระบวนการเติบโตแบบแบทช์ CZ นี่เป็นเพราะปรากฏการณ์การแบ่งแยก นอกจากนี้ การกระจายตัวตามยาวของสิ่งเจือปนยังได้รับอิทธิพลจากการเปลี่ยนแปลงของขนาดและลักษณะของการพาความร้อนที่เกิดขึ้นเนื่องจากอัตราส่วนของวัสดุหลอมเหลวลดลงในระหว่างการเติบโตของผลึก

ลายเส้น

ในกระบวนการเจริญเติบโตของผลึกส่วนใหญ่ มีพารามิเตอร์ชั่วคราว เช่น อัตราการเติบโตของจุลทรรศน์ในทันทีและความหนาของชั้นขอบเขตการแพร่ซึ่งส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในค่าสัมประสิทธิ์การแยกส่วนที่มีประสิทธิผลkเอฟเฟ่. การแปรผันเหล่านี้ก่อให้เกิดความไม่เป็นเนื้อเดียวกันขององค์ประกอบด้วยกล้องจุลทรรศน์ในรูปแบบของเส้นริ้วขนานกับส่วนต่อประสานคริสตัล–ละลาย สามารถวาดเส้นแบ่งได้อย่างง่ายดายด้วยเทคนิคต่างๆ เช่น การกัดด้วยสารเคมีและภูมิประเทศเอ็กซ์เรย์ รูป13.10แสดงเส้นริ้วที่เปิดเผยโดยการกัดด้วยสารเคมีในส่วนไหล่ของหน้าตัดตามขวางของผลึกซิลิคอน aCZ นอกจากนี้ยังสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของส่วนต่อประสานการเติบโตอย่างค่อยเป็นค่อยไป

Fig. 13.10 — มะเดื่อ 13.10
แถบการเจริญเติบโตที่เปิดเผยโดยการกัดด้วยสารเคมีในไหล่ของ Czochralski ซิลิคอน

รอยแยกเกิดขึ้นทางร่างกายจากการแยกสิ่งสกปรกและจุดบกพร่อง อย่างไรก็ตาม รอยแยกนั้นเกิดจากการผันผวนของอุณหภูมิใกล้กับส่วนต่อประสานระหว่างผลึกกับหลอมเหลว ซึ่งเกิดจากการพาความร้อนที่ไม่เสถียรในการหลอมเหลวและการหมุนของผลึกในสภาพแวดล้อมทางความร้อนแบบอสมมาตร นอกจากนี้ การสั่นสะเทือนทางกลอันเนื่องมาจากกลไกควบคุมการดึงที่ไม่ดีในอุปกรณ์สำหรับการเจริญเติบโตอาจทำให้เกิดความผันผวนของอุณหภูมิได้เช่นกัน

รูป13.11แผนผังแสดงภาพตัดขวางของคริสตัลที่ปลูกด้วย aCZ ที่มีส่วนต่อประสานระหว่างคริสตัลกับหลอมเหลว ซึ่งส่งผลให้เกิดความไม่เป็นเนื้อเดียวกันบนพื้นผิวของแอสลิซ เนื่องจากแผ่นเวเฟอร์ระนาบแต่ละแผ่นถูกหั่นเป็นชิ้นๆ มันจึงมีส่วนต่างๆ ของเส้นริ้วโค้งหลายเส้น แตกต่างแหวนแผ่นเสียง, เรียกว่าหมุนจากนั้นสามารถเกิดขึ้นได้ในแต่ละแผ่น ซึ่งสามารถสังเกตได้ทั่วทั้งแผ่นเวเฟอร์โดยใช้เทคนิคที่กล่าวถึงข้างต้น

Fig. 13.11 — มะเดื่อ 13.11
ภาพประกอบแบบแผนของส่วนตัดขวางของคริสตัล Czochralski ที่มีส่วนต่อประสานระหว่างผลึกหลอมเหลวและแผ่นเวเฟอร์ระนาบที่หั่นเป็นส่วนต่างๆ (หลังจาก[13.1])

ยาสลบ

เพื่อให้ได้สภาพต้านทานที่ต้องการ ปริมาณที่แน่นอนของสารเจือปน (ทั้งผู้ให้หรืออะตอมของตัวรับ) จะถูกเติมในการหลอมของอะซิลิกอนตามความสัมพันธ์ของสภาพต้านทาน-ความเข้มข้น เป็นเรื่องธรรมดาที่จะเติมสารเจือปนในรูปของอนุภาคซิลิกอนที่มีสารเจือสูงหรือชิ้นที่มีความต้านทานประมาณ 0.01 Ω ซม. ซึ่งเรียกว่าฟิกซ์เจอร์ของสารเจือปน เนื่องจากปริมาณของสารเจือปนบริสุทธิ์ที่ต้องการมีขนาดเล็กมากจนควบคุมไม่ได้ ยกเว้นวัสดุซิลิกอนเจือหนัก (n+หรือ p+ซิลิคอน).

เกณฑ์ในการเลือก Adopant สำหรับวัสดุแอสเซมิคอนดักเตอร์คือมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้:

1.
ระดับพลังงานที่เหมาะสม
2.
ความสามารถในการละลายสูง
3.
การกระจายที่เหมาะสมหรือต่ำ
4.
แรงดันไอต่ำ.

การแพร่สูงหรือความดันไอสูงทำให้เกิดการแพร่กระจายที่ไม่พึงประสงค์หรือการกลายเป็นไอของสารเจือปน ซึ่งส่งผลให้การทำงานของอุปกรณ์ไม่เสถียรและความยากลำบากในการควบคุมความต้านทานที่แม่นยำ ความสามารถในการละลายได้น้อยเกินไปจะจำกัดความต้านทานที่สามารถรับได้ นอกจากเกณฑ์ดังกล่าวแล้ว ยังต้องพิจารณาคุณสมบัติทางเคมี (เช่น ความเป็นพิษ) ด้วย การพิจารณาเพิ่มเติมจากมุมมองของการเติบโตของผลึกก็คือ สารเจือปนมีค่าสัมประสิทธิ์การแยกตัวที่ใกล้เคียงกับความเป็นน้ำหนึ่งใจเดียวกัน เพื่อทำให้ความต้านทานมีความสม่ำเสมอมากที่สุดจากปลายเมล็ดถึงปลายปลายของแท่งคริสตัล CZ ดังนั้น ฟอสฟอรัส (P) และโบรอน (B) จึงเป็นผู้บริจาคและสารเจือปนสารตัวรับที่ใช้กันมากที่สุดสำหรับซิลิกอนตามลำดับ สำหรับ n+ซิลิกอนซึ่งอะตอมของผู้บริจาคถูกเจืออย่างหนัก พลวง (Sb) มักใช้แทนฟอสฟอรัส เนื่องจากมีการกระจายตัวที่น้อยกว่า แม้ว่าจะมีค่าสัมประสิทธิ์การแยกส่วนน้อยและความดันไอสูง ซึ่งทำให้ความเข้มข้นทั้งในแนวแกนและ ทิศทางรัศมี

ออกซิเจนและคาร์บอน

ดังแสดงเป็นแผนผังในรูปที่13.3ขและ13.6, ควอทซ์ (SiO2) องค์ประกอบความร้อนเบ้าหลอมและกราไฟท์ถูกนำมาใช้ในวิธีการเติบโตของผลึก CZ-Si พื้นผิวของเบ้าหลอมที่สัมผัสกับซิลิโคนละลายจะค่อยๆ ละลายเนื่องจากปฏิกิริยา

S i O_{2} + ซิ \to 2 S i O .

(13.8) ปฏิกิริยานี้ทำให้ซิลิกอนละลายมากขึ้นด้วยออกซิเจน อะตอมของออกซิเจนส่วนใหญ่ระเหยจากพื้นผิวหลอมเหลวเป็นซิลิกอนโมโนออกไซด์ (SiO) ที่ระเหยได้ แต่บางส่วนถูกรวมเข้ากับผลึกอซิลิกอนผ่านส่วนต่อประสานระหว่างผลึกและหลอมเหลว อย่างไรก็ตาม คาร์บอนในผลึกซิลิกอน CZ มีต้นกำเนิดมาจากโพลีคริสตัลลีนส่วนใหญ่ วัสดุ. ระดับของคาร์บอนตั้งแต่ 0.1 ถึง 1 ppma ขึ้นอยู่กับผู้ผลิต ซึ่งพบได้ในโพลีซิลิคอน แหล่งที่มาของคาร์บอนในพอลิซิลิกอนจะถือว่าส่วนใหญ่เป็นสิ่งเจือปนที่ประกอบด้วยคาร์บอนซึ่งพบในไตรคลอโรซิเลนที่ใช้ในการผลิตโพลิซิลิคอน ชิ้นส่วนกราไฟท์ในอุปกรณ์ดึง CZ ยังสามารถทำให้เกิดการปนเปื้อนของคาร์บอนโดยทำปฏิกิริยากับออกซิเจน ซึ่งจะมีอยู่เสมอในช่วงการเจริญเติบโต ผลผลิตของ CO และ CO2ถูกละลายในซิลิกอนหลอมเหลวและพิจารณาถึงสิ่งเจือปนของคาร์บอนในผลึกซิลิกอน ดังนั้น ออกซิเจนและคาร์บอนจึงเป็นสิ่งเจือปนที่ไม่มีการเติมสารหลักสองชนิดที่รวมอยู่ในผลึกซิลิกอน CZ ในลักษณะที่แสดงเป็นแผนผังในรูปที่13.12. พฤติกรรมของสิ่งเจือปนเหล่านี้ในซิลิกอน ซึ่งส่งผลต่อคุณสมบัติของผลึกซิลิกอน CZ จำนวนหนึ่ง เป็นเรื่องของการศึกษาอย่างเข้มข้นตั้งแต่ช่วงปลายทศวรรษ 1950[13.21].

Fig. 13.12 — มะเดื่อ 13.12
การรวมตัวของออกซิเจนและคาร์บอนเข้ากับคริสตัลซิลิกอน Czochralski (หลังจาก[13.1])

13.4วิธีการเติบโตของคริสตัลใหม่

ผลึกซิลิคอนที่ใช้สำหรับการผลิตอุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ต้องเป็นไปตามข้อกำหนดต่างๆ ที่กำหนดโดยผู้ผลิตอุปกรณ์ นอกเหนือจากข้อกำหนดสำหรับซิลิกอนเวเฟอร์ความต้องการด้านผลึกศาสตร์ต่อไปนี้กลายเป็นเรื่องธรรมดามากขึ้นเนื่องจากการผลิตอุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ที่ให้ผลตอบแทนสูงและมีประสิทธิภาพสูง:

1.
เส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่
2.
ความหนาแน่นของข้อบกพร่องต่ำหรือควบคุมได้
3.
การไล่ระดับความต้านทานในแนวรัศมีที่สม่ำเสมอและต่ำ
4.
ความเข้มข้นของออกซิเจนเริ่มต้นที่เหมาะสมและการตกตะกอน

เป็นที่ชัดเจนว่าผู้ผลิตคริสตัลซิลิกอนไม่เพียงต้องตอบสนองความต้องการข้างต้นเท่านั้น แต่ยังต้องผลิตคริสตัลเหล่านั้นในราคาประหยัดและให้ผลผลิตสูงด้วย ข้อกังวลหลักของผู้ปลูกคริสตัลซิลิกอนคือความสมบูรณ์แบบของผลึกศาสตร์และการกระจายตามแนวแกนของสารเจือปนในซิลิกอน CZ เพื่อที่จะเอาชนะปัญหาบางอย่างด้วยวิธีการเติบโตของคริสตัล CZ แบบเดิม ได้มีการพัฒนาวิธีการเติบโตของคริสตัลแบบใหม่หลายวิธี

13.4.1Czochralski เติบโตด้วยสนามแม่เหล็กประยุกต์ (MCZ)

การไหลของการพาความร้อนหลอมในเบ้าหลอมส่งผลกระทบอย่างมากต่อคุณภาพผลึกของซิลิกอน CZ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง แถบการเจริญเติบโตที่ไม่เอื้ออำนวยถูกเหนี่ยวนำโดยการพาความร้อนหลอมที่ไม่คงที่ซึ่งส่งผลให้เกิดความผันผวนของอุณหภูมิที่ส่วนต่อประสานการเจริญเติบโต ความสามารถของสนามแม่เหล็กในการยับยั้งการพาความร้อนในของเหลวที่นำไฟฟ้าถูกนำมาใช้ครั้งแรกกับการเติบโตของผลึกของอินเดียมแอนติโมไนด์โดยใช้เทคนิคเรือแนวนอน[13.28] และเทคนิคการหลอมโซนแนวนอน[13.29]. จากการศึกษาวิจัยเหล่านี้ ได้รับการยืนยันว่าสนามแม่เหล็กที่มีความแรงเพียงพอสามารถระงับความผันผวนของอุณหภูมิที่มากับการพาความร้อนแบบหลอมเหลว และสามารถลดการเกิดแถบขยายได้อย่างมาก

ผลกระทบของสนามแม่เหล็กต่อการเจริญของเส้นริ้วอธิบายโดยความสามารถในการลดการพาความร้อนแบบปั่นป่วนของเอเมลต์ และลดความผันผวนของอุณหภูมิที่ส่วนต่อประสานระหว่างคริสตัลกับหลอมเหลว การหน่วงการไหลของของไหลที่เกิดจากสนามแม่เหล็กเกิดจากแรงแม่เหล็กเหนี่ยวนำเมื่อการไหลเป็นมุมฉากกับเส้นฟลักซ์แม่เหล็ก ซึ่งส่งผลให้ความหนืดจลน์ของวัตถุหลอมเหลวที่มีประสิทธิผลเพิ่มขึ้น

การเติบโตของผลึกซิลิคอนโดยวิธี CZ (MCZ) ของสนามแม่เหล็กถูกรายงานเป็นครั้งแรกในปี 1980[13.30]. เดิมที MCZ มีไว้สำหรับการเติบโตของผลึกซิลิกอน CZ ที่มีความเข้มข้นของออกซิเจนต่ำ ดังนั้นจึงมีความต้านทานสูงโดยมีความแปรผันในแนวรัศมีต่ำ กล่าวอีกนัยหนึ่ง MCZ ซิลิกอนคาดว่าจะมาแทนที่ซิลิกอน FZ ที่ใช้ในการผลิตอุปกรณ์ไฟฟ้าโดยเฉพาะ ตั้งแต่นั้นมา การกำหนดค่าสนามแม่เหล็กต่างๆ ในแง่ของทิศทางของสนามแม่เหล็ก (แนวนอนหรือแนวตั้ง) และประเภทของแม่เหล็กที่ใช้ (การนำไฟฟ้าปกติหรือตัวนำยิ่งยวด) ได้รับการพัฒนา[13.31]. MCZ ซิลิกอนที่ผลิตด้วยความเข้มข้นของออกซิเจนที่ต้องการที่หลากหลาย (จากต่ำไปสูง) เป็นที่สนใจอย่างมากสำหรับการใช้งานอุปกรณ์ต่างๆ คุณค่าของซิลิกอน MCZ อยู่ที่คุณภาพสูงและความสามารถในการควบคุมความเข้มข้นของออกซิเจนในวงกว้าง ซึ่งไม่สามารถทำได้โดยใช้วิธี CZ ทั่วไป[13.32] เช่นเดียวกับอัตราการเติบโตที่เพิ่มขึ้น[13.33].

สำหรับคุณภาพของคริสตัล ไม่ต้องสงสัยเลยว่าวิธี MCZ จะให้ผลึกซิลิกอนที่เป็นประโยชน์มากที่สุดในอุตสาหกรรมอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ ต้นทุนการผลิตของซิลิกอน MCZ อาจสูงกว่าของซิลิกอน CZ ทั่วไป เนื่องจากวิธี MCZ ใช้พลังงานไฟฟ้ามากกว่า และต้องใช้อุปกรณ์เพิ่มเติมและพื้นที่ปฏิบัติการสำหรับแม่เหล็กไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม เมื่อพิจารณาถึงอัตราการเติบโตที่สูงขึ้นของ MCZ และเมื่อใช้แม่เหล็กยิ่งยวดที่ต้องการพื้นที่น้อยกว่าและใช้พลังงานไฟฟ้าน้อยกว่าเมื่อเทียบกับแม่เหล็กนำไฟฟ้า ต้นทุนการผลิตของผลึกซิลิกอน MCZ อาจเทียบได้กับผลึกซิลิกอน CZ ทั่วไป นอกจากนี้ คุณภาพคริสตัลที่ดีขึ้นของ MCZ silicon อาจเพิ่มผลผลิตและลดต้นทุนการผลิต

13.4.2วิธี Czochralski แบบต่อเนื่อง (CCZ)

ต้นทุนการผลิตคริสตัลขึ้นอยู่กับต้นทุนของวัสดุในระดับสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งต้นทุนของต้นทุนที่ใช้สำหรับถ้วยใส่ตัวอย่างควอตซ์ ในกระบวนการ CZ แบบเดิมเรียกว่า aกระบวนการแบทช์, คริสตัลถูกดึงออกมาจากประจุของเบ้าหลอมเดียว และเบ้าหลอมแบบควอตซ์นั้นถูกใช้เพียงครั้งเดียวและถูกทิ้ง เนื่องจากซิลิกอนที่เหลืออยู่จำนวนเล็กน้อยทำให้เบ้าหลอมแตกร้าวเมื่อเย็นตัวจากอุณหภูมิที่สูงในระหว่างการเติบโตแต่ละครั้ง

กลยุทธ์หนึ่งสำหรับการเติมเบ้าหลอมอควาทซ์ด้วยการหลอมอย่างประหยัดคือการเพิ่มฟีดอย่างต่อเนื่องเมื่อคริสตัลโตขึ้นและด้วยเหตุนี้จึงรักษาระดับการหลอมที่ปริมาณคงที่ นอกเหนือจากการประหยัดต้นทุนเบ้าหลอมแล้ว วิธี Czochralski (CCZ) แบบชาร์จต่อเนื่องยังให้สภาพแวดล้อมในอุดมคติสำหรับการเติบโตของผลึกซิลิกอน ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว ความไม่สม่ำเสมอหลายอย่างในผลึกที่ปลูกโดยกระบวนการแบทช์ CZ แบบเดิมนั้นเป็นผลโดยตรงของจลนศาสตร์ที่ไม่คงที่ซึ่งเกิดจากการเปลี่ยนแปลงของปริมาตรหลอมเหลวระหว่างการเติบโตของผลึก วิธีการ CCZ มีจุดมุ่งหมายไม่เพียงเพื่อลดต้นทุนการผลิตเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการปลูกคริสตัลภายใต้สภาวะคงที่อีกด้วย โดยการรักษาปริมาตรหลอมที่ระดับคงที่ จะทำให้เกิดสภาวะความร้อนและการไหลของของเหลวที่คงที่ได้ (ดูรูปที่13.9ซึ่งแสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงในสภาพแวดล้อมทางความร้อนระหว่างการเติบโตของ CZ แบบเดิม

โดยทั่วไปแล้วการชาร์จแบบต่อเนื่องจะดำเนินการโดยการป้อนโพลีซิลิคอน ดังแสดงในรูป13.13[13.34]. ระบบนี้ประกอบด้วย ahopper สำหรับจัดเก็บวัตถุดิบโพลีซิลิคอนและตัวป้อนแบบสั่นที่ถ่ายโอนโพลีซิลิคอนไปยังเบ้าหลอม ในถ้วยใส่ตัวอย่างที่มีซิลิโคนหลอมเหลว ต้องใช้แผ่นกั้น aquartz เพื่อป้องกันความปั่นป่วนของของเหลวที่เกิดจากการป้อนวัสดุที่เป็นของแข็งรอบๆ ส่วนต่อประสานการเจริญเติบโต เม็ดพอลิซิลิกอนแบบไหลอิสระดังที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้มีประโยชน์อย่างเห็นได้ชัดสำหรับวิธี CCZ

Fig. 13.13 — มะเดื่อ 13.13
ภาพประกอบแผนผังของวิธี Czochralski ที่ชาร์จอย่างต่อเนื่อง (หลังจาก[13.34])

วิธี CCZ สามารถแก้ปัญหาส่วนใหญ่ที่เกี่ยวข้องกับความไม่เท่าเทียมกันในผลึกที่ปลูกโดยวิธี CZ แบบเดิม นอกจากนี้ การรวมกันของ MCZ และ CCZ ( CZ แบบต่อเนื่องที่ใช้สนามแม่เหล็ก (MCCZ) วิธีการ) คาดว่าจะเป็นวิธีการเจริญเติบโตของผลึกที่ดีที่สุด โดยให้ผลึกซิลิกอนในอุดมคติสำหรับการใช้งานไมโครอิเล็กทรอนิกส์ที่หลากหลาย[13.1]. อันที่จริง มันถูกใช้เพื่อปลูกผลึกซิลิกอนคุณภาพสูงที่มีไว้สำหรับอุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์[13.35].

อย่างไรก็ตาม ควรเน้นว่าประวัติความร้อนที่แตกต่างกันของส่วนต่างๆ ของคริสตัล (ตั้งแต่เมล็ดจนถึงปลายหาง ดังแสดงในรูปที่13.9) จะต้องพิจารณาแม้ว่าคริสตัลจะเติบโตด้วยวิธีการเติบโตในอุดมคติก็ตาม เพื่อทำให้ผลึกที่โตเป็นเนื้อเดียวกันหรือเพื่อให้ได้ความสม่ำเสมอของแกนในประวัติศาสตร์ความร้อน รูปแบบหลังการบำบัดบางรูปแบบ เช่น การหลอมที่อุณหภูมิสูง[13.36] จำเป็นสำหรับคริสตัล

13.4.3วิธีการเจริญเติบโตแบบไม่มีคอ

ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ กระบวนการทำคอของ Dash (ซึ่งมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของคอบาง 3-5 มม., รูปที่.13.7) เป็นขั้นตอนที่สำคัญระหว่างการเติบโตของคริสตัล CZ เนื่องจากช่วยขจัดความคลาดเคลื่อนที่โตแล้ว เทคนิคนี้เป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมมากว่า 40 ปี อย่างไรก็ตาม ความต้องการล่าสุดสำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางคริสตัลขนาดใหญ่ (> 300 มม. ซึ่งมีน้ำหนักมากกว่า 300 กก.) ส่งผลให้ต้องใช้คอที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ขึ้นซึ่งไม่ทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนในคริสตัลที่กำลังเติบโต เนื่องจากคอบางมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 3-5 มม. ไม่สามารถรองรับคริสตัลขนาดใหญ่เช่นนี้ได้

เมล็ดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ซึ่งโดยทั่วไปจะมีความยาว 170 มม. โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางต่ำสุด> 10 มม. และเฉลี่ย 12 มม. ที่ปลูกจากซิลิคอนละลายเจือหนักด้วยโบรอน (

& จีที; 10^{19} a t o m s / c m^{3}

) ถูกนำมาใช้ในการปลูกผลึกซิลิกอน CZ ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 200 มม. ที่ปราศจากความคลาดเคลื่อน[13.37,13.38]. คาดว่าคอที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ 12 มม. สามารถรองรับคริสตัลที่มีน้ำหนักมากถึง 2,000 กก.[13.39]. รูป13.14a,bแสดงคริสตัลซิลิกอน CZ ที่ปราศจากความคลาดเคลื่อนขนาด a200 มม. ที่ปลูกโดยไม่มีกระบวนการคอ Dash และรูปที่13.14a,bb แสดงเมล็ดที่ขยายใหญ่ขึ้น (เปรียบเทียบกับรูปที่13.7). กลไกที่ไม่รวมความคลาดเคลื่อนในผลึกที่กำลังเติบโตนั้นมีสาเหตุหลักมาจากผลกระทบของการเติมโบรอนอย่างหนักในซิลิกอน

Fig. 13.14a,b — มะเดื่อ 13.14a,b
คริสตัลซิลิกอน Czochralski ที่ปราศจากความคลาดเคลื่อนเส้นผ่านศูนย์กลาง 200 มม. ที่ปลูกโดยไม่มีกระบวนการคอ Dash (a)ทั้งตัว (b)เมล็ดและโคน (ได้รับความอนุเคราะห์จาก Prof. K. Hoshikawa)

อ้างอิง

13.1F. ชิมูระ:เทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ซิลิคอนคริสตัล(วิชาการ นิวยอร์ก 1988)Google Scholar
13.2WC Dash: J. Appl. สรีรวิทยา29, 736 (1958)CrossRefGoogle Scholar
13.3K.Takada, H.Yamagishi, H.Minami, M.Imai: ใน:เซมิคอนดักเตอร์ ซิลิคอน(The Electrochemical Society, Pennington 1998) หน้า 376Google Scholar
13.4JRMcCormic: ใน:เซมิคอนดักเตอร์ ซิลิคอน(The Electrochemical Society, Pennington 1986) หน้า 43Google Scholar
13.5PA เทย์เลอร์: เทคโนโลยีโซลิดสเตตกรกฎาคม, 53 (1987)Google Scholar
13.6WG แฟน: ทรานส์. น. สถาบัน นาที. โลหะ อังกฤษ194, 747 (1952)Google Scholar
13.7CHผู้ตรวจสอบ: สิทธิบัตรสหรัฐอเมริกา 3060123 (1962)Google Scholar
13.8PH Keck, MJE Golay: ฟิสิกส์ รายได้89, 1297 (1953)CrossRefGoogle Scholar
13.9W. Keller, A. Mühlbauer:ซิลิโคนโซนลอยตัว(มาร์เซล เดคเกอร์ นิวยอร์ก 1981)Google Scholar
13.10JM มีส:ยาสลบการเปลี่ยนรูปนิวตรอนในเซมิคอนดักเตอร์(เพลนัม นิวยอร์ก 1979)CrossRefGoogle Scholar
13.11HMLiaw, CJVarker: ใน:เซมิคอนดักเตอร์ ซิลิคอน(The Electrochemical Society, Pennington 1977) หน้า 116Google Scholar
13.12ELKern, LSyaggy, JABarker: ใน:เซมิคอนดักเตอร์ ซิลิคอน(The Electrochemical Society, Pennington 1977) หน้า 52Google Scholar
13.13SM หู: Appl. สรีรวิทยา เลตต์.31, 53 (1977)CrossRefGoogle Scholar
13.14K. Sumino, H. Harada, I. โยเนนากะ: Jpn. เจ. แอพพ์. สรีรวิทยา19, L49 (1980)CrossRefGoogle Scholar
13.15K. Sumino, I. Yonenaga, A. Yusa: ญ. เจ. แอพพ์. สรีรวิทยา19, L763 (1980)CrossRefGoogle Scholar
13.16T.Abe, K.Kikuchi, S.Shirai: ใน:เซมิคอนดักเตอร์ ซิลิคอน(The Electrochemical Society, Pennington 1981) หน้า 54Google Scholar
13.17จ. Czochralski: Z. สรีรวิทยา. เคมี.92, 219 (1918)Google Scholar
13.18GK นกเป็ดน้ำ, JB Little: Phys. รายได้78, 647 (1950)Google Scholar
13.19W. Zulehner, D. Huber: ใน:คริสตัล 8: ซิลิคอน, การกัดด้วยสารเคมี(สปริงเกอร์ เบอร์ลิน ไฮเดลเบิร์ก 1982) น. 1Google Scholar
13.20น. Tsuya, F. Shimura, K. Ogawa, T. Kawamura: J. Electrochem. ซ.129, 374 (1982)CrossRefGoogle Scholar
13.21F. ชิมูระ (บรรณาธิการ):ออกซิเจนในซิลิคอน(วิชาการ นิวยอร์ก 1994)Google Scholar
13.22ส. Kishino, Y. Matsushita, M. Kanamori: อ้างอิง สรีรวิทยา เลตต์.35, 213 (1979)CrossRefGoogle Scholar
13.23F. ชิมูระ: J. Appl. สรีรวิทยา59, 3251 (1986)CrossRefGoogle Scholar
13.24HD Chiou, J. Moody, R. Sandfort, F. Shimura: เทคโนโลยีวิทยาศาสตร์ VLSI, Proc. ครั้งที่ 2 อาการ Integr ขนาดใหญ่มาก (The Electrochemical Society, Pennington 1984) น. 208Google Scholar
13.25F. ชิมูระ, RS Hocket: Appl. สรีรวิทยา เลตต์.48, 224 (1986)CrossRefGoogle Scholar
13.26A.Huber, M.Kapser, J.Grabmeier, U.Lambert, WvAmmon, R.Pech: ใน:เซมิคอนดักเตอร์ ซิลิคอน(The Electrochemical Society, Pennington 2002) หน้า 280Google Scholar
13.27GARozgonyi: ใน:เซมิคอนดักเตอร์ ซิลิคอน(The Electrochemical Society, Pennington 2002) หน้า 149Google Scholar
13.28 แรงม้า Utech, MC Flemings: J. Appl. สรีรวิทยา37, 2021 (1966)CrossRefGoogle Scholar
13.29HA Chedzey, DT Hurtle: Nature210, 933 (1966)CrossRefGoogle Scholar
13.30 น. Hoshi, T.Suzuki, Y.Okubo, N.Isawa: ต่อ บทคัดย่อ อิเล็กโทรเคม ซ. ครั้งที่ 157 เจอกัน (The Electrochemical Society, Pennington 1980) หน้า 811Google Scholar
13.31M.Ohwa, T.Higuchi, E.Toji, M.Watanabe, K.Homma, S.Takasu: ใน:เซมิคอนดักเตอร์ ซิลิคอน(The Electrochemical Society, Pennington 1986) หน้า 117Google Scholar
13.32M.Futagami, K.Hoshi, N.Isawa, T.Suzuki, Y.Okubo, Y.Kato, Y.Okamoto: ใน:เซมิคอนดักเตอร์ ซิลิคอน(The Electrochemical Society, Pennington 1986) หน้า 939Google Scholar
13.33T.Suzuki, N.Isawa, K.Hoshi, Y.Kato, Y.Okubo: ใน:เซมิคอนดักเตอร์ ซิลิคอน(The Electrochemical Society, Pennington 1986) หน้า 142Google Scholar
13.34W.Zulehner: ใน:เซมิคอนดักเตอร์ ซิลิคอน(The Electrochemical Society, Pennington 1990) หน้า 30Google Scholar
13.35Y.Arai, M.Kida, N.Ono, K.Abe, N.Machida, H.Futuya, K.Sahira: ใน:เซมิคอนดักเตอร์ ซิลิคอน(The Electrochemical Society, Pennington 1994) หน้า 180Google Scholar
13.36F. ชิมูระ: ใน:VLSI วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี(The Electrochemical Society, Pennington 1982) น. 17Google Scholar
13.37ส.จันทรเสกขาร, KMKim: ใน:เซมิคอนดักเตอร์ ซิลิคอน(The Electrochemical Society, Pennington 1998) หน้า 411Google Scholar
13.38K. Hoshikawa, X. Huang, T. Taishi, T. Kajigaya, T. Iino: ญ.ป. เจ. แอพพ์. สรีรวิทยา38, L1369 (1999)CrossRefGoogle Scholar
13.39KM Kim, P. Smetana: J. Cryst. การเจริญเติบโต100, 527 (1989)CrossRefGoogle Scholar