Sileacan Aon-Crystal: Fás agus Airíonna

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

CZ MCZ Single crystal

Sileacan, a bhí agus a leanfaidh ar aghaidh mar an t-ábhar ceannasach sa tionscal leathsheoltóra le tamall anuas [13.1], tabharfaidh sé sinn isteach i ré an chomhtháthaithe ar scála mór (ULSI) agus i ré an chórais-ona-sliseanna (SOC).

De réir mar a chuaigh feistí leictreonacha chun cinn, tá feidhmíocht na bhfeistí níos íogaire do cháilíocht agus airíonna na n-ábhar a úsáidtear chun iad a thógáil.

Baineadh úsáid as Germanium (Ge) ar dtús mar ábhar asemiconductor le haghaidh gairis leictreonacha stáit sholadacha. Mar sin féin, cuireann bandaleithead caol (0.66 eV) Ge teorainn ar oibriú feistí gearmáiniam-bhunaithe go teocht thart ar 90∘C mar gheall ar na sruthanna sceite nach beag a breathnaíodh ag teochtaí níos airde. Os a choinne sin, mar thoradh ar an mbandaleithead níos leithne de shilicón (1.12 eV) tá gairis leictreonacha atá in ann oibriú suas le $\approx 200^{\circ} C$ . Mar sin féin, tá fadhb thromchúiseach amore ann ná an bandgap caol: ní sholáthraíonn gearmáiniam ciseal pasaithe inúsáidte ar an dromchla. Mar shampla, dé-ocsaíd gearmáiniam (GeO2) tá sé intuaslagtha in uisce agus díscaoileann sé ag thart ar 800∘C. Déanann sileacain, i gcodarsnacht leis an gearmáiniam, freastal go héasca ar shaothrú dromchla trí dhé-ocsaíd sileacain a fhoirmiú (SiO2), a sholáthraíonn leibhéal ard cosanta don fheiste bhunúsach. An SiO cobhsaí seo2tá buntáiste adecisive ag sileacain thar sileacain thar gearmáiniam mar an t-ábhar bunúsach leathsheoltóra a úsáidtear chun déantús leictreonach a dhéanamh. Mar thoradh ar an mbuntáiste seo tá líon mór teicneolaíochtaí nua ann, lena n-áirítear próisis maidir le dópáil idirleata agus patrúin casta a shainiú. Buntáistí eile a bhaineann le sileacain ná go bhfuil sé go hiomlán neamhthocsaineach, agus go bhfuil shilice ann (SiO2), tá thart ar 60 san amhábhar óna bhfaightear sileacan%d'ábhar mianraí screamh an Domhain. Tugann sé seo le tuiscint go bhfuil an t-amhábhar óna bhfaightear sileacain ar fáil go leor don chiorcad comhtháite (IC) tionscal. Thairis sin, is féidir sileacain de ghrád leictreonach a fháil ar níos lú ná an deichiú cuid de chostas gearmáiniam. Mar gheall ar na buntáistí seo go léir tá sileacain in áit gearmáiniam sa tionscal leathsheoltóra beagnach go hiomlán.

Cé nach é sileacain an rogha is fearr do gach feiste leictreonach, ciallaíonn a buntáistí gur cinnte go mbeidh tionchar an-mhór aige ar an tionscal leathsheoltóra le tamall anuas.

13.1Forbhreathnú

Tharla idirghníomhaíochtaí an-torthúla idir úsáideoirí agus déantúsóirí ábhair leathsheoltóra ó aireagán an trasraitheora pointe-teagmhála i 1947, nuair a bhí gá annfoirfe agus íonaithníodh criostail. Bhí an comórtas chomh minic sin nach bhféadfaí an caighdeán criostail a éilíonn feistí nua a chomhlíonadh ach trí fhás criostail a rialú trí úsáid a bhaint as trealamh leictreonach a tógadh leis na gairis nua seo. Ó fásadh criostail sileacain saor ó dislocation chomh luath leis na 1960idí ag baint úsáide as anTeicníc Fleasc[13.2], dhírigh taighde ábhair leathsheoltóra agus iarrachtaí forbartha ar íonacht ábhair, táirgeacht táirgeachta, agus fadhbanna a bhaineann le déantúsaíocht feistí.

Déantar gairis agus ciorcaid leathsheoltóra a dhéanamh trí úsáid a bhaint as éagsúlacht mheicniúil de phróisis mheicniúla, cheimiceacha, fhisiciúla agus theirmeacha. Taispeántar léaráid Aflow do ghnáthphróisis ullmhúcháin sileacain leathsheoltóra i bhFíor.13.1. Is é ullmhú foshraitheanna aonchriostail sileacain le dromchlaí snasta go meicniúil agus go ceimiceach an chéad chéim sa phróiseas fada casta de dhéantús feiste.

Fig. 13.1 — Fíor 13.1
Léaráid sreafa do ghnáthphróisis ullmhúcháin sileacain leathsheoltóra. (Tar éis[13.1])

Mar a dúradh thuas, is é sileacain an dara heilimint is flúirseach ar an Domhan; níos mó ná 90%de screamh an Domhain comhdhéanta de shilice agus de shiláití. I bhfianaise an tsoláthair gan teorainn seo d’amhábhar, is í an fhadhb ansin sileacain a athrú go dtí an staid inúsáidte a éilíonn an teicneolaíocht leathsheoltóra. Is é an chéad agus an príomhriachtanas ná go gcaithfidh an sileacain a úsáidtear le haghaidh feistí leictreonacha a bheith thar a bheith íon, ós rud é go bhfuil tionchar as cuimse ag méideanna an-bheag de roinnt eisíontais ar shaintréithe leictreonacha sileacain, agus mar sin ar fheidhmíocht na feiste leictreonaí. Is é an dara riachtanas ná criostail le trastomhas mór, ós rud é go méadaíonn an toradh sliseanna in aghaidh an wafer go mór le trastomhais níos mó, mar a thaispeántar i bhFíor.13.2i gcás DRAM [13.3], ceann de na gairis leictreonacha is coitianta. Chomh maith leis an íonacht agus an trastomhas, caithfidh costas táirgthe agus sonraíochtaí an ábhair, lena n-áirítear an dlús fabht fásta agus an aonchineálacht fhriotaitheach, éilimh thionsclaíocha reatha a chomhlíonadh.

Fig. 13.2 — Fíor 13.2
Sceallóga in aghaidh an wafer mar fhorfheidhmiú giniúint DRAM. (Tar éis[13.3])

Sa chaibidil seo, cuir chuige reatha maidir le hullmhú sileacain - an t-amhábhar a thiontú ina sileacain aonchriostalach (féach Fíor.13.1) - pléitear.

13.2Ábhair Tosaigh

13.2.1Sileacan Grád Miotaleolaíoch

Is é an t-ábhar tosaigh do chriostail aonair sileacain ard-íonachta ná shilice (SiO2). Is é an chéad chéim i monarú sileacain leá agus laghdú shilice. Cuirtear é seo i gcrích trí shilice agus carbón a mheascadh i bhfoirm guail, cóc nó sceallóga adhmaid agus an meascán a théamh go teocht ard i bhfoirnéis stua leictreoid asúite. Táirgeann an laghdú carbothermach seo de shilice sileacain chomhleáite

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

(13.1) Tarlaíonn sraith frithghníomhartha casta san fhoirnéis ag teochtaí idir 1500 agus 2000∘C. Tugtar sileacain de ghrád mhiotaleolaíoch (MG-Si) ar na cnapáin sileacain a fhaightear ón bpróiseas seo, agus tá a íonacht thart ar 98-99%.

13.2.2Sileacan Polycrystalline

Comhdhúile Ceimiceacha Idirmheánacha

Is é an chéad chéim eile MG-Si a íonú go leibhéal an sileacain de ghrád leathsheoltóra (SG-Si), a úsáidtear mar an t-ábhar tosaigh le haghaidh sileacain aonchriostalach. Is é an bunchoincheap ná go n-imoibrítear le MG-Si púdraithe le HCl ainhidriúil chun comhdhúile clóiríosilane éagsúla a fhoirmiú in imoibreoir leaba afluidithe. Ansin déantar na siollaí a íonú trí dhriogadh agus sil-leagan gaile ceimiceach (CVD) SG-polysilicon a fhoirmiú.

Breithníodh líon na gcomhdhúl ceimiceach idirmheánach, mar shampla monosilane (SiH4), teitreaclóiríd sileacain (SiCl4), trichlorosilane (SiHCl3) agus déchlorosilane (SiH2Cl2). Ina measc seo, úsáidtear trichlorosilane is minice le haghaidh sil-leagan polysilicon ina dhiaidh sin ar na cúiseanna seo a leanas:

1.
Is féidir é a fhoirmiú go héasca trí imoibriú clóiríd hidrigine ainhidriúil le MG-Si ag teochtaí réasúnta íseal (200–400∘C).
2.
Tá sé leachtach ag teocht an tseomra, mar sin is féidir an íonú a chur i gcrích trí theicnící caighdeánacha driogtha a úsáid.
3.
Tá sé furasta a láimhseáil agus is féidir é a stóráil in umair cruach carbóin nuair a bhíonn sé tirim.
4.
Déantar trichlorosilane leachtach a ghalú go héasca agus, nuair a dhéantar é a mheascadh le hidrigin, is féidir é a iompar i línte cruach.
5.
Is féidir é a laghdú ag brú an atmaisféir i láthair hidrigine.
6.
Is féidir a sil-leagan a dhéanamh ar shilicón téite, agus deireadh a chur leis an ngá le teagmháil le haon dromchlaí eachtracha a d’fhéadfadh an sileacain a thruaillíonn a éilliú.
7.
Imoibríonn sé ag teochtaí níos ísle (1000–1200∘C) agus ag rátaí níos gasta ná teitreaclóiríd sileacain.

Hidreaclóiriú Sileacan

Déantar trichlorosilane a shintéisiú trí MG-Si púdraithe a théamh ag thart ar 300∘C in imoibreoir leaba afluidized. Is é sin, déantar MG-Si a thiontú ina SiHCl3de réir an imoibrithe seo a leanas

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

(13.2) Tá an t-imoibriú an-eisiteirmeach agus mar sin caithfear teas a bhaint chun an toradh trichlorosilane a uasmhéadú. Agus MG-Si á thiontú go SiHCl3, baintear eisíontais éagsúla mar Fe, Al, agus B trí iad a thiontú ina hailídí (FeCl3, AlCl3, agus BCl3, faoi seach), agus seachtháirgí mar SiCl4agus H.2a tháirgeadh freisin.

Driogadh agus DianscaoileadhTlorlorosilane

Baineadh úsáid fhorleathan as driogadh chun trichlorosilane a íonú. An trichlorosilane, a bhfuil fiuchphointe alow aige (31.8∘C), a dhriogadh go codánach ó na hailídí neamhfhoirfe, agus íonacht mhéadaithe go mór mar thoradh air, le tiúchan eisíontas atá gníomhach go leictreach níos lú ná 1 ppba. Ansin déantar an trichlorosilane ard-íonachta a ghalú, a chaolú le hidrigin ard-íonachta, agus tugtar isteach san imoibreoir sil-leagain é. San imoibreoir, tá slata tanaí sileacain ar a dtugtar slata caol le tacaíocht ó leictreoidí graifíte ar fáil le haghaidh sil-leagan dromchla de shilicón de réir an imoibrithe

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

(13.3) Ina theannta sin, imoibríonn an t-imoibriú seo a leanas le linn sil-leagan polaisiúicríd, agus cruthaítear teitreaclóiríd sileacain (príomhtháirge an phróisis)

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

(13.4) Úsáidtear an teitreaclóiríd sileacain seo chun grianchloch ard-íonachta a tháirgeadh, mar shampla.

Ní gá a rá, caithfidh íonacht na slata caol a bheith inchomparáide le íonacht an sileacain taiscthe. Tá na slata caol réamhthéite go dtí thart ar 400∘C ag tús an phróisis CVD sileacain. Teastaíonn an réamhthéamh seo d’fhonn seoltacht slata caol ard-íonachta (ardfhriotaíochta) a mhéadú go leordhóthanach chun téamh frithsheasmhach a cheadú. Taisceadh ar feadh 200–300 h ag thart ar 1100∘Mar thoradh ar C tá slata polysilicon ard-íonachta trastomhas 150-200 mm. Múnlaítear na slata polysilicon i bhfoirmeacha éagsúla le haghaidh próisis fáis criostail ina dhiaidh sin, mar shampla smutáin d’fhás leá Czochralski agus slata fada sorcóireacha d’fhás crios snámhphointe. Rinneadh cur síos ar an bpróiseas chun trichlorosilane a laghdú ar shlat sileacain téite ag baint úsáide as hidrigin ag deireadh na 1950idí agus go luath sna 1960idí in líon na bpaitinní próisis a sannadh do Siemens; dá bhrí sin, is minic a thugtar an próiseas seo ar anModh Siemens[13.4].

Is iad na míbhuntáistí móra a bhaineann le modh Siemens ná a dhrochéifeachtúlachtaí tiontaithe sileacain agus clóirín, méid baisc réasúnta beag, agus tomhaltas ardchumhachta. Tá baint ag drochéifeachtúlachtaí tiontaithe sileacain agus clóirín leis an méid mór teitreaclóiríde sileacain a tháirgtear mar an seachtháirge sa phróiseas CVD. Níl ach thart ar 30%déantar an sileacain a chuirtear ar fáil san imoibriú CVD a thiontú go polysilicon ard-íonachta. Chomh maith leis sin, d’fhéadfadh go mbeadh an costas a bhaineann le polysilicon ard-íonachta a tháirgeadh ag brath ar úsáideacht an fhotháirge, SiCl4.

Próiseas Monosilane

Bunaíodh teicneolaíocht táirgeachta apolysilicon bunaithe ar tháirgeadh agus pirealú monosilane ag deireadh na 1960idí. D’fhéadfadh monosilane fuinneamh a shábháil toisc go dtaisceann sé polysilicon ag teocht níos éadroime agus go dtáirgeann sé polysilicon níos íon ná an próiseas tríchlóraitile; áfach, is ar éigean a úsáideadh é mar gheall ar easpa bealach eacnamaíoch go monosilane agus mar gheall ar fhadhbanna próiseála sa chéim teistíochta [13.5]. Mar sin féin, leis an bhforbairt le déanaí ar bhealaí eacnamaíocha chuig silane ard-íonachta agus oibriú rathúil gléasra ar scála aláraim, tharraing an teicneolaíocht seo aird an tionscail leathsheoltóra, a éilíonn sileacain íonachta níos airde.

I bpróisis reatha monosilane tionsclaíocha, téitear maignéisiam agus púdar MG-Si go 500∘C faoi atmaisféar ahydrogen d’fhonn silicíd magenesium a shintéisiú (Mg2Si), a dhéantar ansin chun imoibriú le clóiríd amóiniam (NH4Cl) in amóinia leachtach (NH3) faoi bhun 0∘C chun monosilane a fhoirmiú (SiH4). Ansin táirgtear polysilicon ard-íonachta trí phirealú na monosilane ar fhiliméid pholaisiúicríde a théitear go frithsheasmhach ag 700–800∘C. Sa phróiseas giniúna monosilane, baintear an chuid is mó de na neamhíonachtaí bórón ó silane trí imoibriú ceimiceach le NH3. Baineadh amach ábhar aboron de 0.01–0.02 ppba i polysilicon ag baint úsáide as an bpróiseas amonosilane. Tá an tiúchan seo an-íseal i gcomparáid leis an tiúchan a breathnaíodh i polysilicon a ullmhaíodh ó tríchlóraitile. Thairis sin, tá an polysilicon mar thoradh air níos lú éillithe le miotail a bhailítear trí phróisis iompair cheimiceacha toisc nach mbíonn fadhbanna creimeadh ina gcúis le dianscaoileadh monosilane.

Taisce Gráinneach Polysilicon

Forbraíodh próiseas atá difriúil go mór, a úsáideann dianscaoileadh monosilane in imoibreoir sil-leagain leaba afluidithe chun polysilicon gráinneach gan sreabhadh a tháirgeadh [13.5]. Déantar cáithníní síl sileacain bídeacha a sreabhú i meascán hidrigine amonosilane is, agus taisctear polysilicon chun cáithníní sféarúla saorshreafa a chruthú a bhfuil trastomhas 700 μm acu ar an meán le dáileadh asize 100–1500 μm. Rinneadh na síolta leaba sreabhánaithe ar dtús trí SG-Si a mheilt i muileann aball nó casúr agus láisteadh an táirge le haigéad, sárocsaíd hidrigine agus uisce. Tógann an próiseas seo an-chuid ama agus costasach, agus bhí sé de nós aige neamhíonachtaí neamh-inmhianaithe a thabhairt isteach sa chóras trí na meilteoirí miotail. Mar sin féin, ar bhealach nua, déantar cáithníní móra SG-Si a dhóiteáil ag a chéile le sruth ardluais gáis a fhágann go mbrisfidh siad i gcáithníní de mhéid inoiriúnaithe don leaba sreabhánaithe. Ní thugann an próiseas seo aon ábhair eachtracha isteach agus ní gá láisteadh a dhéanamh.

Mar gheall ar an achar dromchla níos mó atá ag polysilicon gráinneach, tá imoibreoirí leaba sreabhánaithe i bhfad níos éifeachtaí ná imoibreoirí slat traidisiúnta de chineál Siemens. Taispeánadh go bhfuil cáilíocht polysilicon leaba sreabhánaithe comhionann le polysilicon a tháirgtear leis an modh Siemens níos traidisiúnta. Thairis sin, cuireann polysilicon gráinneach de chruth a bhíonn ag sreabhadh i gcéin agus dlús mórchóir ar chumas saothróirí criostail an leas is fearr a bhaint as gach rith táirgeachta. Is é sin, i bpróiseas fáis criostail Czochralski (féach an chuid seo a leanas), is féidir breogáin a líonadh go tapa agus go héasca chuig ualaí aonfhoirmeacha a sháraíonn go hiondúil iad siúd de phíosaí polaisiúicríde cruachta go randamach a tháirgtear trí mhodh Siemens. Má smaoinímid freisin ar acmhainneacht na teicníochta bogadh ó oibriú baisc go tarraingt leanúnach (a phléifear níos déanaí), is féidir linn a fheiceáil go bhféadfadh gráinníní polaisiúicríde atá ag sreabhadh go saor bealach buntáisteach beatha auniform a sholáthar go leá stát-asteady. Dealraíonn sé gur ábhar tosaigh réabhlóideach é an táirge seo a bhfuil gealladh mór ann maidir le fás criostail sileacain.

13.3Fás Aon-Crystal

Cé gur úsáideadh teicnící éagsúla chun polysilicon a thiontú ina gcriostal aonair sileacain, bhí dhá theicníc chun tosaigh ar iad a tháirgeadh le haghaidh leictreonaice toisc go gcomhlíonann siad riachtanais thionscal na bhfeistí micreictreonaic. Is é ceann modh leá azone ar a dtugtar ancrios snámh (FZ) modh, agus an ceann eile modh apulling ar a dtugtar go traidisiúnta anCzochralski (CZ) modh, cé gur cheart anTeal-Modh beag. Taispeántar na prionsabail taobh thiar den dá mhodh fáis criostail seo i bhFíor.13.3. Sa mhodh FZ, ritear crios amolten trí shlat apolysilicon chun é a thiontú ina dtinní criostail asingle; sa mhodh CZ, saothraítear criostail asingle trí tharraingt ó amelt atá i breogán aquartz. Sa dá chás, rinne ancriostail sílTá ról tábhachtach ag gach duine maidir le criostail asingle a fháil le treoshuíomh criostalach adesired.

Fig. 13.3a,b — Fíor 13.3a, b
Prionsabail an fháis aonchriostail le (a) modh crios snámh agus (b) Modh Czochralski. (Tar éis[13.1])

Meastar go bhfuil thart ar 95%déantar gach sileacain aon-criostail a tháirgeadh tríd an modh CZ agus an chuid eile go príomha tríd an modh FZ. Éilíonn an tionscal leathsheoltóra sileacain tiúchan ard íonachta agus lochtanna ina gcriostal sileacain chun an toradh déantúsaíochta feiste agus feidhmíocht oibríochta a bharrfheabhsú. Tá na riachtanais seo ag éirí níos déine de réir mar a athraíonn an teicneolaíocht ó LSI go VLSI ∕ ULSI agus ansin SOC. Chomh maith le cáilíocht nó foirfeacht criostail sileacain, tá trastomhas criostail ag méadú go seasta freisin chun éilimh mhonaróirí feistí a chomhlíonadh. Ós rud é go dtáirgtear sceallóga micreictreonaic trícóras baisc, bíonn tionchar suntasach ag trastomhais na sliseog sileacain a úsáidtear le haghaidh monarú feiste ar an táirgiúlacht (mar a thaispeántar i bhFíor.13.2), agus an costas táirgthe ina dhiaidh sin.

Sna hailt seo a leanas, déanaimid an modh FZ a phlé ar dtús agus ansin bogfaimid ar aghaidh go dtí an modh CZ. Pléifear an dara ceann acu níos mionsonraithe mar gheall ar a thábhachtaí atá sé don tionscal micreictreonaic.

13.3.1Modh Crios Snámh

Nótaí Ginearálta

Tháinig an modh FZ ó leá crios, a úsáideadh chun cóimhiotail dhénártha a bheachtú [13.6] agus ba éTheuerer[13.7]. Mar thoradh ar imoibríocht sileacain leachta leis an ábhar a úsáideadh don bhreogán, forbraíodh an modh FZ [13.8], a cheadaíonn criostalú sileacain gan aon ghá le teagmháil ar bith leis an ábhar breogán, a theastaíonn chun a bheith in ann criostail den íonacht leathsheoltóra riachtanach a fhás.

Imlíne ar an bPróiseas

Sa phróiseas FZ, déantar slat apolysilicon a thiontú ina tinne criostail asingle trí chrios amolten a théamh le corna súl aneedle ó cheann ceann na slaite go dtí an ceann eile, mar a thaispeántar i bhFíor.13.3a. Ar dtús, déantar teagmháil le barr na slaite polysilicon agus comhleádh í le criostail aseed leis an treoshuíomh criostail atá ag teastáil. Tugtar an próiseas seosíolú. Gabhann an crios leáite sílithe tríd an tslat polysilicon tríd an síol criostail aonair a bhogadh síos an tslat ag an am céanna. Nuair a sholadaíonn an crios leáite sileacain, déantar polysilicon a thiontú ina sileacain aonchriostalach le cabhair ón gcriostal síl. De réir mar a théann an crios ar feadh an tslat polysilicon, reonn sileacain aonchriostail ag a deireadh agus fásann sé mar shíneadh ar an gcriostal síl.

Tar éis síolú, cruthaítear muineál athin thart ar 2 nó 3 mm ar trastomhas agus 10-20 mm ar fhad. Tugtar an próiseas seonecking. Cuireann aneck atá ag fás deireadh le dislocations is féidir a thabhairt isteach i sileacain aonchriostail nua-fhás le linn na hoibríochta síolú de bharr turraing theirmeach. An próiseas necking seo, ar a dtugtar anTeicníc Fleasc[13.2], dá bhrí sin, tá sé bunúsach maidir le criostail atá saor ó dislocation a fhás agus úsáidtear go huilíoch é sna modhanna FZ agus CZ araon. Taispeántar topagraf x-gha den síol, muineál agus an chuid cónúil de aon-criostail asilicon a fhásann an modh FZ i bhFíor.13.4. Is cosúil go gcuirtear deireadh go hiomlán le dislocations a ghintear ag an teagmháil leá trí necking. Tar éis an chuid cónúil a fhoirmiú, saothraítear an príomhchorp a bhfuil an trastomhas sprice iomlán aige. Le linn an phróisis fáis FZ ar fad, déantar cruth an chreasa leáite agus trastomhas an tinne a chinneadh tríd an gcumhacht a choigeartú don chorna agus don ráta taistil, a bhfuil an dá cheann acu faoi rialú ríomhaire. Úsáideann an teicníc is minice a úsáidtear chun an trastomhas a rialú go huathoibríoch sna modhanna FZ agus CZ braiteoir infridhearg atá dírithe ar an mbiachlár. Braitheann cruth an bhiachláir ar chriostal agrowing ar a uillinn teagmhála ag an teorainn trí chéim, an trastomhas criostail, agus méid an teannas dromchla. Braitheadh acomhal in uillinn meniscus (agus dá bhrí sin trastomhas criostail), agus tugtar an fhaisnéis ar ais d’fhonn na dálaí fáis a choigeartú go huathoibríoch.

Fig. 13.4 — Fíor 13.4
Topagrafaíocht X-gha de shíol, mhuineál agus chuid cónúil de shilicón sa chrios snámh. (Le caoinchead an Dr. T. Abe)

I gcodarsnacht le fás criostail CZ, ina ndéantar an criostail síl a thumadh isteach sa leá sileacain agus go dtarraingítear an criostail atá ag fás aníos, sa mhodh FZ cothaíonn an criostail síl tanaí an criostail atá ag fás, mar a dhéanann an tslat polysilicon ón mbun (Fíor.13.3). Mar aresult, déantar an tslat a chothromú go réamhchúramach ar an síol tanaí agus ar an muineál le linn an phróisis fáis ar fad. Is féidir leis an síol agus an muineál tacú le haicrileach suas le a20 kg chomh fada agus a fhanann lár meáchanlár an chriostal atá ag fás i lár an chórais fáis. Má ghluaiseann lár an domhantarraingthe ón lárlíne, brisfidh an síol go héasca. Dá réir sin, ba ghá teicníc chobhsaithe agus tacaíochta acrystal a chumadh sula bhféadfaí criostail sileacain FZ fada agus trom a fhás. Maidir le criostail mhóra, is gá tacú leis an gcriostal atá ag fás ar an mbealach a thaispeántar i bhFíor.13.5[13.9], go háirithe i gcás criostail FZ le déanaí a bhfuil trastomhais mhóra acu (150-200 mm), ós rud é go sáraíonn a gcuid meáchain 20 kg go héasca.

Fig. 13.5 — Fíor 13.5
Córas tacaíochta do chriostail sileacain sa chrios snámh. (Tar éis[13.9])

Doping

D’fhonn aon-chriostail sileacain n-nó p-cineál den fhriotaíocht riachtanach a fháil, caithfear an polaisiúicríd nó an criostail atá ag fás a dhopáil leis na neamhíonachtaí deontóra nó glacadóra iomchuí, faoi seach. Maidir le fás sileacain FZ, cé go ndearnadh roinnt teicnící dópála a thriail, is gnách go ndéantar na criostail a dhopáil trí ghás uchtaíoch a shéideadh mar fhosfín (PH3) le haghaidh sileacain nó diborane de chineál n (B.2H6) le haghaidh sileacain de chineál p ar an gcrios leáite. De ghnáth déantar an gás dopant a chaolú le gás níos géire, mar shampla argón. Is é an buntáiste mór a bhaineann leis an modh seo ná nach gá don mhonaróir criostail sileacain foinsí polysilicon a stóráil le friotaí difriúla.

Ós rud é go bhfuil deighilt (pléite sa chéad fho-alt eile) dopants eiliminteacha le haghaidh sileacain n-cineál i bhfad níos lú ná aontacht, tá grádáin dopant gathacha ag criostail FZ atá dópáilte leis an modh traidisiúnta. Thairis sin, ós rud é go n-athraíonn an ráta criostalaithe sa treo gathacha ar an scála micreascópach, dáileann na tiúchain dopant go timthriallach agus bíonn siad mar a thugtar orthu mar a thugtar orthu.stríoca dopant, as a dtagann mídhaonnacht friotaíochta gathacha. D’fhonn sileacain n-chineál atá dópáilte go haonchineálach a fháil, dópáil tras-aistrithe neodrón (NTD) curtha i bhfeidhm ar chriostail sileacain FZ [13.10]. Is éard atá i gceist leis an nós imeachta seo traschur núicléach sileacain go fosfar tríd an gcriostal a phléascadh le neodróin theirmeacha de réir an imoibrithe

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

(13.5) An t-iseatóp radaighníomhach31Cruthaítear Si nuair a30Gabhann Si aneutron agus ansin lobhadh isteach san iseatóp cobhsaí31P (adamh deontóra), nach bhfuil a dháileadh ag brath ar pharaiméadair fáis criostail. Díreach tar éis ionradaíochta taispeánann na criostail ardfhriotaíocht, a chuirtear i leith an líon mór lochtanna laitíse a eascraíonn as damáiste radaíochta. Ní mór, dá bhrí sin, an criostail ionradaithe a neamhniú i dtimpeallacht támh ag teochtaí timpeall 700∘C d’fhonn na lochtanna a dhíothú agus an fhriotaíocht a athbhunú go dtí an fhriotaíocht a dhíorthaítear ón dópáil fosfair. Faoin scéim NTD, saothraítear criostail gan dópáil agus ansin ionradaítear iad in imoibreoir anuclear le cóimheas scanrúil de neodrón teirmeach go tapa d’fhonn gabháil neodrón a fheabhsú agus chun damáiste don laitíse criostail a íoslaghdú.

Tá cur i bhfeidhm NTD teoranta go heisiach do chriostail FZ mar gheall ar a n-íonacht níos airde i gcomparáid le criostail CZ. Nuair a cuireadh an teicníc NTD i bhfeidhm ar chriostail sileacain CZ, fuarthas amach gur athraigh foirmiú deontóirí ocsaigine le linn an phróisis annealaithe tar éis ionradaíochta an fhriotaíocht ón méid a rabhthas ag súil leis, cé gur baineadh amach aonchineálacht deontóra fosfair [13.11]. Tá an t-easnamh breise ag NTD nach bhfuil aon phróiseas ar fáil le haghaidh dopants de chineál p agus go bhfuil tréimhse ionradaíochta ró-fhada ag teastáil le haghaidh friotachas íseal (sa raon 1–10 Ω cm).

Airíonna FZ-Silicon Crystal

Le linn fás criostail FZ, ní thagann an sileacain leáite i dteagmháil le haon substaint seachas an gás comhthimpeallach sa seomra fáis. Dá bhrí sin, déantar idirdhealú bunúsach idir criostail sileacain FZ mar gheall ar a íonacht níos airde i gcomparáid le criostail aCZ a fhástar ón leá - a bhaineann le teagmháil le breogán aquartz. Mar thoradh ar an teagmháil seo tá tiúchan ard eisíontas ocsaigine de thart ar 1018adaimh ∕ cm3i gcriostal CZ, cé go bhfuil níos lú ná 10 i sileacain FZ16adaimh ∕ cm3. Ligeann an íonacht níos airde seo do sileacain FZ friotachas ard a bhaint amach nach féidir a fháil trí sileacain CZ a úsáid. Tá seasmhacht idir 10 agus 200 Ω cm sa chuid is mó den sileacain FZ a ídítear, agus is gnách go n-ullmhaítear sileacain CZ le friotaí 50 Ω cm nó níos lú mar gheall ar an éilliú ón mbreogán grianchloch. Dá bhrí sin, úsáidtear sileacain FZ den chuid is mó chun gairis chumhachta leathsheoltóra a dhéanamh a thacaíonn le voltais droim ar ais os cionn 750-1000 V. Mar thoradh ar an bhfás criostail ard-íonachta agus ar shaintréithe dópála beachtais NTD FZ-Si úsáideadh brathadóirí infridhearg freisin [13.12], mar shampla.

Mar sin féin, má mheasann muid neart meicniúil, aithnítear le blianta fada go bhfuil sileacain FZ, ina bhfuil níos lú eisíontais ocsaigine ná sileacain CZ, níos laige go meicniúil agus níos leochailí ó strus teirmeach le linn monaraithe feiste [13.13,13.14]. Is minic a tháirgeann próiseáil ardteochta sliseog sileacain le linn déantúsaíocht gléasanna leictreonacha go leor strus teirmeach chun dislocations duillín agus warpage a ghiniúint. Cruthaíonn na héifeachtaí seo caillteanas toraidh mar gheall ar acomhail sceite, lochtanna tréleictreach, agus saolré laghdaithe, chomh maith le táirgeacht fótagrafach laghdaithe mar gheall ar dhíghrádú cothrom na sliseog. D’fhéadfadh cailliúint planarity geoiméadrach mar gheall ar théamh a bheith chomh dian sin nach ndéantar na sliseoga a phróiseáil a thuilleadh. Mar gheall air seo, baineadh úsáid i bhfad níos fairsinge as sliseoga sileacain CZ i ndéantús feiste IC ná mar a bhí ag sliseoga FZ. Is í an difríocht seo i gcobhsaíocht mheicniúil i gcoinne strusanna teirmeacha an chúis is mó a úsáidtear criostail sileacain CZ go heisiach chun ICanna a dhéanamh a éilíonn líon scanrúil céimeanna próisis theirmeacha.

D’fhonn na heasnaimh seo de shilicón FZ a shárú, fás criostail sileacain FZ le neamhíonachtaí dópála mar ocsaigin [13.15] agus nítrigin [13.16] rinneadh iarracht. Fuarthas amach go raibh dópáil criostail sileacain FZ le hocsaigin nó nítrigin ag tiúchan de $1 - 1.5 \times 10^{17} a t o m s / c m^{3}$ nó $1.5 \times 10^{15} a t o m s / c m^{3}$ , faoi seach, tá méadú suntasach ar neart meicniúil mar thoradh air.

13.3.2Modh Czochralski

Nótaí Ginearálta

Ainmníodh an modh seo i ndiaidh J. Czochralski, a bhunaigh atechnique chun treoluas criostalaithe miotail a chinneadh [13.17]. Mar sin féin, d’fhorbair an modh tarraingthe iarbhír a cuireadh i bhfeidhm go forleathan d’fhás aonchriostailTealagusBeag[13.18], a rinne bunphrionsabal Czochralski a mhodhnú. Ba iad na chéad daoine a d’fhás go rathúil criostail aonair gearmáiniam, 8 n-orlach ar fhad agus 0.75 orlach ar trastomhas, i 1950. Dhearadh siad gaireas eile ina dhiaidh sin d’fhás sileacain ag teochtaí níos airde. Cé gur beag athrú atá tagtha ar an bpróiseas táirgthe bunúsach le haghaidh sileacain aonchriostail ó chuir Teal agus coworkers tús leis, tá criostail aon-criostail sileacain trastomhais mór (suas le 400 mm) le leibhéal foirfeachta den scoth a chomhlíonann an fheiste úrscothach Fásadh éilimh tríd an teicníc Dash agus nuálaíochtaí teicneolaíochta i ndiaidh a chéile a ionchorprú sa ghaireas.

Tá iarrachtaí taighde agus forbartha an lae inniu maidir le criostail sileacain dírithe ar aonfhoirmeacht mhicreascópach airíonna criostail a bhaint amach mar fhriotaíocht agus tiúchan na n-eisíontas agus na microdefects, chomh maith le rialú micreascópach orthu, a phléifear in áiteanna eile sa Lámhleabhar seo.

Imlíne ar an bPróiseas

Taispeántar na trí chéim is tábhachtaí i bhfás criostail CZ go scéimeach i bhFíor.13.3b. I bprionsabal, tá an próiseas fáis CZ cosúil leis an bpróiseas fáis FZ: (1) polysilicon leá, (2) síolú agus (3) ag fás. Tá an nós imeachta tarraingthe CZ, áfach, níos casta ná an nós imeachta maidir le fás FZ agus déantar idirdhealú air trí úsáid a bhaint as breogán aquartz chun an sileacain leáite a choinneáil ann. Fíor13.6Taispeánann sé radharc aschematach ar ghnáth-threalamh fáis criostail CZ nua-aimseartha. Is iad seo a leanas céimeanna tábhachtacha sa seicheamh fáis criostail sileacain CZ iarbhír nó caighdeánach:

1.
Cuirtear smutáin nó gráin polysilicon i mbreogán aquartz agus leáítear iad ag teochtaí níos airde ná leáphointe sileacain (1420∘C) i ngás comhthimpeallach támh.
2.
Coinnítear an leá ag teocht ard ar feadh suaimhnis d’fhonn a chinntiú go leáíonn agus go scriosfar boilgeoga beaga bídeacha, a d’fhéadfadh a bheith ina gcúis le folúntais nó lochtanna criostail diúltacha, ón leá.
3.
Déantar criostail Aseed leis an treoshuíomh criostail atá ag teastáil a thumadh isteach sa leá go dtí go dtosaíonn sé ag leá féin. Ansin aistarraingítear an síol ón leá ionas go ndéantar an muineál a fhoirmiú tríd an trastomhas a laghdú de réir a chéile; is é seo an chéim is íogair. Le linn an phróisis fáis criostail ar fad, sreabhann gás támh (argón de ghnáth) síos tríd an seomra tarraingthe d’fhonn táirgí imoibrithe mar SiO agus CO a bhaint.
4.
Trí thrastomhas na criostail a mhéadú de réir a chéile, saothraítear an chuid cónúil agus an ghualainn. Méadaítear an trastomhas suas go dtí an sprioc-trastomhas tríd an ráta tarraingthe agus ∕ nó an teocht leá a laghdú.
5.
Faoi dheireadh, saothraítear an chuid sorcóireach den chorp a bhfuil trastomhas comhshóite aige tríd an ráta tarraingthe agus an teocht leá a rialú agus é ag cúiteamh as an titim sa leibhéal leá de réir mar a fhásann an criostail. De ghnáth laghdaítear an ráta tarraingthe i dtreo dheireadh eireaball criostail agrowing, go príomha mar gheall ar radaíocht teasa a mhéadú ón mballa breogán de réir mar a thiteann an leibhéal leá agus a nochtann balla níos breogán don chriostal atá ag fás. In aice le deireadh an phróisis fáis, ach sula ndéantar an breogán a dhraenáil go hiomlán de shilicón leáite, caithfear an trastomhas criostail a laghdú de réir a chéile chun cón deiridh a dhéanamh d’fhonn turraing theirmeach a íoslaghdú, rud a d’fhéadfadh a bheith ina chúis le dislocations duillín ag deireadh an eireaball. Nuair a éiríonn an trastomhas beag go leor, is féidir an criostail a scaradh ón leá gan dislocations a ghiniúint.

Fíor13.7Taispeánann an chuid deireadh síl de chriostal sileacain CZ mar a fhásann sé. Cé go gcruthófar arbhar aseed, arb é an réigiún trasdula ón síol go dtí an chuid sorcóireach é, de ghnáth chun a bheith cothrom ar chúiseanna eacnamaíocha, b’fhéidir go mbeadh cruth barrchaolaithe amore inmhianaithe ó thaobh cáilíochta aicrileach de. Níor cheart an chuid ghualainn agus a chomharsanacht a úsáid le haghaidh déantús feistí toisc go meastar go bhfuil an chuid seo ina réigiún atrátha i go leor céadfaí agus go bhfuil tréithe criostail mídhaonna ann mar gheall ar an athrú tobann i ndálaí fáis.

Fig. 13.6 — Fíor 13.6
Amharc scéimeach ar ghnáthchóras fás criostail sileacain Czochralski. (Tar éis[13.1])

Fig. 13.7 — Fíor 13.7
Cuid deireadh síolta de chriostal sileacain Czochralski mar a fhásann

Fíor13.8Taispeánann tinne criostail sileacain CZ seach-mhór 400 mm ar trastomhas agus 1800 mm ar fhad a d’fhás Corparáid Institiúid Taighde Crystal Crystal Super sa tSeapáin [13.3].

Fig. 13.8 — Fíor 13.8
Tinne sileacain Czochralski breise mar a fhástar 400 mm ar trastomhas agus 1800 mm ar fhad. (Le caoinchead Corparáid Institiúid Taighde Super Silicon Crystal, an tSeapáin)

Tionchar Suíomh Spásúil inaGrownCrystal

Mar Fíor.13.9léirítear go soiléir, déantar gach cuid de chriostal aCZ a fhás ag am suarach le dálaí fáis éagsúla [13.19]. Dá bhrí sin, tá sé tábhachtach a thuiscint go bhfuil tréithe neamhshonracha de thréithe criostail agus stair theirmeach admhála ag gach cuid mar gheall ar a suíomh difriúil ar feadh fad an chriostal. Mar shampla, tá stair theirmeach chomh maith ag an gcuid deireadh síl, idir leáphointe 1420 agus thart ar 400∘C in apuller, cé go bhfuil stair ashorter ag an gcuid deiridh eireaball agus fuaraítear é go tapa ón leáphointe. I ndeireadh na dála, d’fhéadfadh tréithe fisiciceimiceacha éagsúla a bheith ag gach sliseog sileacain a ullmhaítear ó chuid neamhshuim de chriostal agrown ag brath ar a shuíomh san tinne. Déanta na fírinne, tuairiscíodh go léiríonn an t-iompar deascadh ocsaigine an spleáchas is mó ar shuíomh, a théann i bhfeidhm, ar a uain, ar ghiniúint mórchóir lochtanna [13.20].

Fig. 13.9 — Fíor 13.9
Timpeallacht theirmeach le linn fás criostail Czochralski ag na céimeanna tosaigh agus deiridh.Saigheadatabhair treoracha gar don sreabhadh teasa. (Tar éis[13.19])

Chomh maith leis sin, tarlaíonn dáileadh neamh-aonfhoirmeach lochtanna criostail agus neamhíonachtaí ar fud an chuid thrasnach de wafer aflat a ullmhaítear ó leá sileacain criostail aCZ arna chriostalú nó arna sholadú i ndiaidh a chéile ag an gcomhéadan leá criostail, atá cuartha go ginearálta sa phróiseas fáis criostail CZ. Is féidir a leithéid de mhídhaonnachtaí a urramú marstríoca, a phléitear níos déanaí.

13.3.3Neamhíonachtaí i Sileacan Czochralski

Tá airíonna na leathsheoltóirí sileacain a úsáidtear i bhfeistí leictreonacha an-íogair d’eisíontais. Mar gheall ar an íogaireacht seo, is féidir airíonna leictreonacha leictreacha sileacain a rialú go beacht trí mhéid asopall dopant a chur leis. Chomh maith leis an íogaireacht dopant seo, bíonn tionchar diúltach ag éilliú ó eisíontais (go háirithe miotail trasdula) ar airíonna sileacain agus déantar díghrádú tromchúiseach ar fheidhmíocht feiste dá bharr. Thairis sin, ionchorpraítear ocsaigin ag leibhéil na ndeich adamh in aghaidh an mhilliúin i gcriostal sileacain CZ mar gheall ar an imoibriú idir an leá sileacain agus an breogán grianchloch. Beag beann ar an méid ocsaigine atá sa chriostal, bíonn tionchar mór ag tiúchan agus iompar ocsaigine ar shaintréithe criostail sileacain [13.21]. Ina theannta sin, ionchorpraítear carbón i gcriostal sileacain CZ ó amhábhair polysilicon nó le linn an phróisis fáis, mar gheall ar na codanna graifíte a úsáidtear sa trealamh tarraingthe CZ. Cé go mbíonn tiúchan an charbóin i gcriostal sileacain CZ tráchtála níos lú ná 0.1 ppma de ghnáth, is eisíontas é carbón a théann i bhfeidhm go mór ar iompar ocsaigine [13.22,13.23]. Chomh maith leis sin, criostail sileacain CZ dópáilte nítrigine [13.24,13.25] tharraing siad a lán aire le déanaí mar gheall ar a gcáilíocht ard criostail micreascópach, a d’fhéadfadh na ceanglais maidir le gairis leictreonacha úrscothacha a chomhlíonadh [13.26,13.27].

Mídhaonnacht eisíontas

Le linn criostalaithe ó amelt, ionchorpraítear eisíontais éagsúla (lena n-áirítear dopants) atá sa leá sa chriostal atá ag fás. De ghnáth bíonn tiúchan eisíontas na céime soladaí difriúil ó thiúchan na céime leachta mar gheall ar aphenomenon ar a dtugtardeighilt.

Scaradh

Is féidir an t-iompar deighilte cothromaíochta a bhaineann le soladú na gcóras ilchomhpháirteach a chinneadh ón léaráid chéime chomhfhreagrach de chóras abinary le atuaslagán(an eisíontas) agus atuaslagóir(an t-ábhar óstach) mar chomhpháirteanna.

An cóimheas idir intuaslagthacht eisíontas sileacain sholadach Ain [CA]schuige sin i sileacain leachtach [CA]L

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

(13.6) dá ngairtear ancomhéifeacht deighilte cothromaíochta. Tá an intuaslagthacht eisíontas i sileacain leachtach níos airde i gcónaí ná an tuaslagán i sileacain sholadach; Is é sin,k0& lt; 1.An comhéifeacht deighilte cothromaíochtak0níl sé infheidhme ach maidir le soladú ag rátaí fáis atá faillíoch go mall. Maidir le rátaí daingnithe críochta nó níos airde, adamh eisíontas lek0& lt; Diúltaíonn an solad atá ag dul ar aghaidh 1 ag ráta agreater 1 ná mar is féidir leo idirleathadh isteach sa leá. Sa phróiseas fáis criostail CZ, déantar deighilt ag tús an sholadú ag comhéadan leá síol agiven, agus tosaíonn na hadaimh eisíontas diúltaithe ag carnadh sa chiseal leá in aice leis an gcomhéadan fáis agus idirleata i dtreo an chuid is mó den leá. Sa chás seo, ancomhéifeacht deighilte éifeachtachkeffis féidir a shainiú tráth ar bith le linn fás criostail CZ, agus an tiúchan eisíontas [C]si aCZ is féidir criostail a dhíorthú le

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

(13.7) i gcás [C0] an tiúchan eisíontas tosaigh sa leá agusgan bhfuil an codán daingnithe.

Dá bhrí sin, is léir go bhfuil éagsúlacht fhadlíne amacroscópach sa leibhéal eisíontas, rud a fhágann go bhfuil avariation sa fhriotaíocht mar gheall ar an éagsúlacht sa tiúchan dopant, ina gné dhílis den phróiseas fáis bhaisc CZ; tá sé seo mar gheall ar an bhfeiniméan deighilte. Thairis sin, bíonn tionchar ag dáileadh fadaimseartha na n-eisíontas ar athruithe i méid agus nádúr an chomhiompair leá a tharlaíonn de réir mar a laghdaítear an cóimheas gné leá le linn fás criostail.

Striations

I bhformhór na bpróiseas fáis criostail, tá trasnaithe sna paraiméadair amhail ráta fáis micreascópach meandarach agus tiús na ciseal teorann idirleata a mbíonn éagsúlachtaí sa chomhéifeacht deighilte éifeachtach mar thoradh air.keff. Eascraíonn mídhaonnachtaí cumadóireachta micreascópacha i bhfoirmstríocacomhthreomhar leis an gcomhéadan leá criostail. Is féidir striations a mhíniú go héasca le roinnt teicnící, mar shampla eitseáil cheimiceach fhabhrach agus topagrafaíocht x-gha. Fíor13.10taispeántar na sreanga a nochtann eitseáil cheimiceach sa chuid ghualainn de thrasghearradh fadaimseartha de chriostal sileacain aCZ. Tugtar faoi deara go soiléir an t-athrú de réir a chéile ar chruth an chomhéadain fáis.

Fig. 13.10 — Fíor 13.10
Stiallacha fáis, arna nochtadh ag eitseáil cheimiceach, i bhfollán de shilicón Czochralski

Déantar deighiltí go fisiciúil de bharr deighilt eisíontais agus lochtanna pointe; áfach, is iad luaineachtaí teochta gar don chomhéadan leá criostail is cúis leis na sreanga go praiticiúil, a tharlódh trí chomhiompar teirmeach éagobhsaí sa leá agus rothlú criostail i dtimpeallacht theirmeach neamhshiméadrach. Ina theannta sin, is féidir le tonnchrith mheicniúla mar gheall ar dhroch-mheicníochtaí rialaithe tarraingthe sa trealamh fáis luaineachtaí teochta a chur faoi deara.

Fíor13.11léiríonn sé go trasghearrthach trasghearradh criostail a fhástar aCZ ina bhfuil comhéadan leáite criostail-leáite, a mbíonn mídhaonnachtaí ar dhromchla na luaithrigh mar thoradh air. De réir mar a slisnítear gach sliseog planar, tá codanna éagsúla ann de roinnt stríoca cuartha. Difriúilfáinní foghraíochta, dá ngairtearsclóine, is féidir ansin tarlú i ngach sliseog, ar féidir breathnú air ar fud an wafer ag úsáid na dteicnící a luaitear thuas.

Fig. 13.11 — Fíor 13.11
Léaráid scéimeach de thrasghearradh criostail Czochralski ina bhfuil comhéadan leáite criostail-leáite agus sliseoga planar arna slisniú ina chodanna éagsúla. (Tar éis[13.1])

Doping

D’fhonn an fhriotaíocht inmhianaithe a fháil, cuirtear méid áirithe dopant (adamh deontóra nó glacadóra) le leá asilicon de réir an ghaoil seasmhachta-tiúchana. Is gnáthchleachtas dopants a chur leis i bhfoirm cáithníní nó smutáin sileacain an-dópáilte de fhriotaíocht 0.01 Ω cm, ar a dtugtar an daingneán dopant, ós rud é go bhfuil an méid dopant íon atá ag teastáil beag neamh-inbhainistithe, seachas ábhair sileacain atá dópáilte go mór (n+nó lch+sileacain).

Is iad na critéir chun uchtaitheoir a roghnú le haghaidh ábhar asemiconductor ná go bhfuil na hairíonna seo a leanas aige:

1.
Leibhéil fuinnimh oiriúnacha
2.
Intuaslagthacht ard
3.
Diffusivity oiriúnach nó íseal
4.
Brú gaile íseal.

Mar thoradh ar diffusivity ard nó brú ard gaile tá idirleathadh nó galú neamh-inmhianaithe dopants, rud a fhágann go mbíonn oibriú feiste éagobhsaí agus deacrachtaí maidir le rialú beacht seasmhachta a bhaint amach. Cuireann dothuaslagthacht atá ró-bheag teorainn leis an bhfriotaíocht is féidir a fháil. Chomh maith leis na critéir sin, caithfear na hairíonna ceimiceacha (an tocsaineacht mar shampla) a mheas. Breithniú breise ó thaobh an fháis criostail de ná go bhfuil comhéifeacht comhiomlánaithe ag an dopant atá gar don aontacht d’fhonn an fhriotaíocht a dhéanamh chomh haonfhoirmeach agus is féidir ón deireadh síl go dtí deireadh eireaball an tinne criostail CZ. Dá bhrí sin, is iad fosfar (P) agus bórón (B) na dopants deontóra agus glacadóra is coitianta a úsáidtear le haghaidh sileacain, faoi seach. Le haghaidh n+sileacain, ina ndéantar adamh deontóra a dhopáil go mór, úsáidtear antamón (Sb) de ghnáth in ionad fosfar mar gheall ar a diffusivity níos lú, in ainneoin a chomhéifeacht deighilte beag agus brú ard gaile, as a dtagann éagsúlachtaí móra i dtiúchan san aiseach agus san ais na treoracha gathacha.

Ocsaigin agus Carbón

Mar a thaispeántar go scéimeach in Figs.13.3b agus13.6, aquartz (SiO2) úsáidtear eilimintí teasa breogán agus graifít sa mhodh fáis criostail CZ-Si. Déantar dromchla an bhreogáin a théann i dteagmháil leis an leá sileacain a thuaslagadh de réir a chéile mar gheall ar an imoibriú

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

(13.8) Saibhríonn an t-imoibriú seo an leá sileacain le hocsaigin. Éalaíonn an chuid is mó de na hadaimh ocsaigine ón dromchla leá mar aon-ocsaíd sileacain so-ghalaithe (SiO), ach tá cuid acu ionchorpraithe i gcriostal asilicon tríd an gcomhéadan leá criostail. Cibé ar bith, is ón tús polacriostalach a thagann an carbón i gcriostal sileacain CZ den chuid is mó. ábhar. Tá leibhéil charbóin idir 0.1 agus 1 ppma, ag brath ar an monaróir, le fáil sa pholaireatán. Glactar leis gur eisíontais ina bhfuil carbón den chuid is mó atá le fáil sa trichlorosilane a úsáidtear i dtáirgeadh polysilicon is ea foinsí carbóin i bpolaisiúicríd. Féadann páirteanna graifíte i dtrealamh tarraingthe CZ cur le héilliú carbóin trí imoibriú le hocsaigin, atá i gcónaí i láthair le linn an fháis chomhthimpeallaigh. Táirgí CO agus CO mar thoradh air2a thuaslagadh isteach sa leá sileacain agus cuntas a thabhairt ar na neamhíonachtaí carbóin i gcriostal sileacain. Dá bhrí sin, is iad ocsaigin agus carbón an dá mhór-eisíontas nondoping a ionchorpraítear i gcriostal sileacain CZ ar an mbealach a thaispeántar go scéimeach i bhFíor.13.12. Tá iompar na n-eisíontas seo i sileacain, a théann i bhfeidhm ar líon na n-airíonna atá ag criostail sileacain CZ, faoi réir dian-staidéir ó dheireadh na 1950idí [13.21].

Fig. 13.12 — Fíor 13.12
Ionchorprú ocsaigine agus carbóin i gcriostal sileacain Czochralski. (Tar éis[13.1])

13.4Modhanna Nua Fáis Crystal

Ní mór do chriostail sileacain a úsáidtear le haghaidh monaraithe feiste micreictreonaic freastal ar an iliomad riachtanas atá leagtha síos ag déantúsóirí feistí. Chomh maith leis na ceanglais maidir le sileacainabhlanna, tá na héilimh chripteagrafacha seo a leanas níos coitianta mar gheall ar mhonarú feistí micreictreonaic ard-toraidh agus ardfheidhmíochta:

1.
Trastomhas mór
2.
Dlús locht íseal nó rialaithe
3.
Grádán aonfhoirmeach agus friotachas gathacha íseal
4.
An tiúchan ocsaigine tosaigh is fearr agus a deascadh.

Is léir go gcaithfidh monaróirí criostail sileacain ní amháin na ceanglais thuas a chomhlíonadh ach na criostail sin a tháirgeadh go heacnamaíoch agus le táirgeacht ard déantúsaíochta. Is iad na príomhchúiseanna imní atá ag saothróirí criostail sileacain ná foirfeacht chriostagrafach agus dáileadh aiseach dopants i sileacain CZ. D’fhonn roinnt fadhbanna a shárú leis an ngnáthmhodh fáis criostail CZ, forbraíodh roinnt modhanna nua fáis criostail.

13.4.1Fás Czochralski withanAppliedMagneticField (MCZ)

Bíonn tionchar láidir ag an sreabhadh comhiompair leá sa bhreogán ar cháilíocht criostail sileacain CZ. Go háirithe, spreagtar comhrianta fáis neamhfhabhracha trí chomhiompar leá neamhshábháilte agus bíonn luaineachtaí teochta ag an gcomhéadan fáis dá bharr. Cuireadh cumas réimse an mhaighnéadaigh cosc a chur ar chomhiompar teirmeach i sreabhán a sheoltar go leictreach i bhfeidhm ar dtús ar fhás criostail antimonide indium tríd an teicníc báid chothrománach [13.28] agus an teicníc leá criosach leá [13.29]. Trí na himscrúduithe seo, deimhníodh gur féidir le réimse amagnetic a bhfuil neart leordhóthanach aige na luaineachtaí teochta a ghabhann le comhiompar leá a bhaint, agus go bhféadann sé stríoca fáis a laghdú go suntasach.

Mínítear éifeacht an réimse mhaighnéadaigh ar shraitheanna fáis de bharr a chumais comhiompar teirmeach corraitheach amelt a laghdú agus na luaineachtaí teochta ag an gcomhéadan leá criostail a laghdú. Is de bharr an fhórsa mhaighnéadaigh spreagtha a bhíonn an taise sreabhach sreabhach de bharr an réimse mhaighnéadaigh nuair a bhíonn an sreabhadh orthogonal go dtí na línte flosc maighnéadacha, rud a fhágann go dtiocfaidh méadú ar shlaodacht chinéimiteach éifeachtach an leá seolta.

Tuairiscíodh fás criostail sileacain de réir an mhodha CZ (MCZ) a cuireadh i bhfeidhm sa réimse maighnéadach den chéad uair i 1980 [13.30]. Bhí MCZ beartaithe ar dtús d’fhás criostail sileacain CZ ina bhfuil tiúchan íseal ocsaigine agus dá bhrí sin tá friotachas ard acu le héagsúlachtaí gathacha ísle. Is é sin le rá, bhíothas ag súil go gcuirfeadh sileacain MCZ ionad an sileacain FZ a úsáidtear beagnach go heisiach le haghaidh monarú feiste cumhachta. Ó shin i leith, forbraíodh cumraíochtaí éagsúla réimse maighnéadach, i dtéarmaí treo an réimse mhaighnéadaigh (cothrománach nó ingearach) agus an cineál maighnéid a úsáidtear (gnáth seoltaí nó sár-seoltánach) [13.31]. Ba mhór an spéis i bhfeidhmchláir éagsúla gléas sileacain MCZ a tháirgtear le raon suaimhneach na dtiúchan ocsaigine inmhianaithe (ó íseal go hard). Tá luach sileacain MCZ suite ar a ardchaighdeán agus ar a chumas an tiúchan ocsaigine a rialú thar an raon awide, nach féidir a bhaint amach trí úsáid a bhaint as an modh traidisiúnta CZ [13.32], chomh maith lena ráta fáis feabhsaithe [13.33].

Maidir le cáilíocht na criostail, níl aon amhras ach go soláthraíonn an modh MCZ na criostail sileacain is fabhraí do thionscal na bhfeistí leathsheoltóra. Féadfaidh costas táirgthe sileacain MCZ a bheith níos airde ná costas gnáth-sileacain CZ toisc go n-ídíonn an modh MCZ níos mó cumhachta leictreachais agus go dteastaíonn trealamh breise agus spás oibriúcháin do na leictreamaighnéad; áfach, agus an ráta fáis níos airde de MCZ á chur san áireamh, agus nuair a úsáidtear maighnéid sár-seoltacha a dteastaíonn spás níos lú uathu agus a itheann níos lú cumhachta leictreachais i gcomparáid le maighnéid seoltaí, d’fhéadfadh costas táirgthe criostail sileacain MCZ a bheith inchomparáide le costas gnáthchriostail sileacain CZ. Ina theannta sin, féadfaidh cáilíocht criostail fheabhsaithe sileacain MCZ táirgeacht táirgeachta a mhéadú agus an costas táirgthe a ísliú.

13.4.2Modh Leanúnach Czochralski (CCZ)

Braitheann costais táirgeachta criostail go mór ar chostas na n-ábhar, go háirithe costas na gcostas a úsáidtear le haghaidh breogán grianchloch. Sa ghnáthphróiseas CZ, ar a dtugtar apróiseas baisc, tarraingítear acrystal ó mhuirear breogán asingle, agus ní úsáidtear an breogán grianchloch ach uair amháin agus ansin cuirtear i leataobh é. Tarlaíonn sé seo toisc go scoilteann an méid beag sileacain atá fágtha an breogán agus é ag fuarú ó theocht ard le linn gach rith fáis.

Is é an onestrategy chun breogán aquartz a athlánú leá go heacnamaíoch ná beatha a chur leis go leanúnach de réir mar a fhástar an chriostal agus ar an gcaoi sin an leá a choinneáil ag toirt áirithe. Chomh maith le costais breogán a shábháil, soláthraíonn an modh Czochralski (CCZ) atá ag muirearú go leanúnach timpeallacht oiriúnach d’fhás criostail sileacain. Mar a luadh cheana, tá go leor de na mídhaonnachtaí i gcriostal a fhásann an gnáthphróiseas bhaisc CZ mar thoradh adamhach ar na cinéitic neamhshábháilte a éiríonn as an athrú ar mhéid leá le linn fás criostail. Tá sé mar aidhm ag an modh CCZ ní amháin costais táirgthe a laghdú ach freisin criostail a fhás faoi dhálaí seasta. Tríd an toirt leáite a choinneáil ag leibhéal cinntitheach, is féidir dálaí seasta teirmeacha agus sreabhadh leá a bhaint amach (féach Fíor.13.9, a thaispeánann an t-athrú ar thimpeallachtaí teirmeacha le linn gnáthfhás CZ).

Is gnách go ndéantar muirearú leanúnach trí bheathú polysilicon, mar a thaispeántar i bhFíor.13.13[13.34]. Is éard atá sa chóras seo ahopper chun an t-amhábhar polysilicon agus an friothálacha avibratory a aistríonn an polysilicon a aistriú go dtí an breogán. Sa bhreogán ina bhfuil an leá sileacain, tá baifle aquartz ag teastáil chun an suaitheadh leáite a chosc de bharr an t-ábhar soladach a bheathú timpeall an chomhéadain fáis. Is léir go bhfuil gráinníní polysilicon gan sreabhadh mar iad siúd a luadh cheana buntáisteach don mhodh CCZ.

Fig. 13.13 — Fíor 13.13
Léaráid scéimeach ar an modh Czochralski atá ag muirearú go leanúnach. (Tar éis[13.34])

Is cinnte go réitíonn an modh CCZ an chuid is mó de na fadhbanna a bhaineann le mídhaonnachtaí i gcriostal a fhásann an modh traidisiúnta CZ. Thairis sin, an teaglaim de MCZ agus CCZ (an CZ leanúnach arna chur i bhfeidhm ag réimse maighnéadach (MCCZTáthar ag súil go soláthróidh) modh) an modh deiridh fáis criostail, ag tabhairt criostail sileacain idéalach chun éagsúlacht na bhfeidhmchlár micreictreonach a sholáthar [13.1]. Go deimhin, úsáideadh é chun criostail sileacain ardchaighdeáin a fhás atá beartaithe le haghaidh feistí micreictreonaic [13.35].

Mar sin féin, ba chóir a aibhsiú go gcríochnaíonn stair theirmeach éagsúil codanna éagsúla den chriostal (ón síol go dtí an eireaball, mar a thaispeántar i bhFíor.13.9) caithfear iad a mheas fiú nuair a fhástar an criostail tríd an modh fáis idéalach. D’fhonn an criostail fhásta a aonrú nó chun aonfhoirmeacht aiseach a fháil sa stair theirmeach, cineál éigin iarchóireála, mar shampla análú ardteochta [13.36], ag teastáil don chriostal.

13.4.3Modh Fáis Neckingless

Mar a luadh cheana, próiseas necking Dash (a fhásann muineál athin trastomhas 3-5 mm, Fíor.13.7) is céim acritical le linn fás criostail CZ toisc go gcuireann sé deireadh le dislocations fásta. Tá an teicníc seo mar chaighdeán an tionscail le breis agus 40 bliain. Mar sin féin, mar thoradh ar éilimh le déanaí ar thrastomhais criostail mhóra (& gt; 300 mm, ag meáchan os cionn 300 kg) tá gá le muineál trastomhais níos mó nach dtugann isteach dislocations sa chriostal atá ag fás, ós rud é go bhfuil trastomhas muineál athin 3-5 mm ar trastomhas ní féidir leo tacú le criostail mhóra den sórt sin.

Síolta móra trastomhais atá 170 mm ar fhad de ghnáth, le trastomhas uasta> Leáigh 10 mm agus 12 mm ar an meán a fhástar ó sileacain dópáilte go mór le bórón (

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

) gur úsáideadh iad chun criostail sileacain CZ 200 mm-trastomhas saor ó trastomhas a fhás [13.37,13.38]. Meastar gur féidir le muineál mór trastomhais 12 mm ar trastomhas CZ criostail a thacú chomh trom le 2000 kg [13.39]. Fíor13.14a,bcriostail sileacain CZ saor ó dislocation a200 mm-trastomhas a fhástar gan an próiseas necking Dash, agus Fíor.13.14a,bb taispeánann sé a síol méadaithe (déan comparáid le Fíor.13.7). Cuireadh an mheicníocht trína n-ionchorpraítear dislocations sa chriostal atá ag fás go príomha le héifeacht chruaithe an dópála trom bórón sa sileacain.

Fig. 13.14a,b — Fíor 13.14a, b
Criostail sileacain Czochralski saor ó dislocation 200 mm-trastomhas a fhástar gan an próiseas necking Dash. (a) Comhlacht iomlán, (b) síol agus cón. (Le caoinchead an Ollaimh K. Hoshikawa)

Tagairtí

13.1F. Shimura:Teicneolaíocht Leathsheoltóra Sileacan Crystal(Acadúil, Nua Eabhrac 1988)Google Scholar
13.2WC Fleasc: J. Appl. Corp.29, 736 (1958)CrossRefGoogle Scholar
13.3K.Takada, H.Yamagishi, H.Minami, M.Imai: In:Sileacan Leathsheoltóra(An Cumann Leictriceimiceach, Pennington 1998) lch.376Google Scholar
13.4JRMcCormic: In:Sileacan Leathsheoltóra(An Cumann Leictriceimiceach, Pennington 1986) lch.43Google Scholar
13.5PA Taylor: Teicneolaíocht Stáit Soladach.Iúil, 53 (1987)Google Scholar
13.6WG Pfann: Trans. Am. Inst. Min. Miotalach. Eng.194, 747 (1952)Google Scholar
13.7CHTheuerer: Paitinn SAM 3060123 (1962)Google Scholar
13.8PH Keck, MJE Golay: Corp. Rev.89, 1297 (1953)CrossRefGoogle Scholar
13.9W. Keller, A. Mühlbauer:Sileacan Crios Snámh(Marcel Dekker, Nua Eabhrac 1981)Google Scholar
13.10JM Meese:Doping Transmutation Neutron i Leathsheoltóirí(Plenum, Nua Eabhrac 1979)CrossRefGoogle Scholar
13.11HMLiaw, CJVarker: In:Sileacan Leathsheoltóra(An Cumann Leictriceimiceach, Pennington 1977) lch.116Google Scholar
13.12ELKern, LSYaggy, JABarker: In:Sileacan Leathsheoltóra(An Cumann Leictriceimiceach, Pennington 1977) lch.52Google Scholar
13.13SM Hu: Appl. Corp. Lig.31, 53 (1977)CrossRefGoogle Scholar
13.14K. Sumino, H. Harada, I. Yonenaga: Jpn. J. Appl. Corp.19, L49 (1980)CrossRefGoogle Scholar
13.15K. Sumino, I. Yonenaga, A. Yusa: Jpn. J. Appl. Corp.19, L763 (1980)CrossRefGoogle Scholar
13.16T.Abe, K.Kikuchi, S.Shirai: In:Sileacan Leathsheoltóra(An Cumann Leictriceimiceach, Pennington 1981) lch.54Google Scholar
13.17J. Czochralski: Z. Phys. Ceimic.92, 219 (1918)Google Scholar
Teal 13.18GK, JB Little: Phys. Rev.78, 647 (1950)Google Scholar
13.19W. Zulehner, D. Huber: In:Criostail 8: Sileacan, Eitseáil Cheimiceach(Springer, Beirlín, Heidelberg 1982) lch. 1Google Scholar
13.20H. Tsuya, F. Shimura, K. Ogawa, T. Kawamura: J. Leictriceimic. Soc.129, 374 (1982)CrossRefGoogle Scholar
13.21F. Shimura (Ed.):Ocsaigin i Sileacan(Acadúil, Nua Eabhrac 1994)Google Scholar
13.22S. Kishino, Y. Matsushita, M. Kanamori: Appl. Corp. Lig.35, 213 (1979)CrossRefGoogle Scholar
13.23F. Shimura: J. Appl. Corp.59, 3251 (1986)CrossRefGoogle Scholar
13.24HD Chiou, J. Moody, R. Sandfort, F. Shimura: Teicneolaíocht eolaíochta VLSI, Proc. 2ú Int. Symp. Integr Scála an-Mhóra. (An Cumann Leictriceimiceach, Pennington 1984) lch. 208Google Scholar
13.25F. Shimura, RS Hocket: Appl. Corp. Lig.48, 224 (1986)CrossRefGoogle Scholar
13.26A.Huber, M.Kapser, J.Grabmeier, U.Lambert, WvAmmon, R.Pech: In:Sileacan Leathsheoltóra(An Cumann Leictriceimiceach, Pennington 2002) lch.280Google Scholar
13.27GARozgonyi: In:Sileacan Leathsheoltóra(An Cumann Leictriceimiceach, Pennington 2002) lch.149Google Scholar
13.28HP Utech, MC Flemings: J. Appl. Corp.37, 2021 (1966)CrossRefGoogle Scholar
13.29HA Chedzey, DT Hurtle: Nádúr210, 933 (1966)CrossRefGoogle Scholar
13.30K.Hoshi, T.Suzuki, Y.Okubo, N.Isawa: Ext. Abstr. Leictriceimic. Soc. 157ú Cruinniú. (An Cumann Leictriceimiceach, Pennington 1980) lch.811Google Scholar
13.31M.Ohwa, T.Higuchi, E.Toji, M.Watanabe, K.Homma, S.Takasu: In:Sileacan Leathsheoltóra(An Cumann Leictriceimiceach, Pennington 1986) lch.117Google Scholar
13.32M.Futagami, K.Hoshi, N.Isawa, T.Suzuki, Y.Okubo, Y.Kato, Y.Okamoto: In:Sileacan Leathsheoltóra(An Cumann Leictriceimiceach, Pennington 1986) lch.939Google Scholar
13.33T.Suzuki, N.Isawa, K.Hoshi, Y.Kato, Y.Okubo: In:Sileacan Leathsheoltóra(An Cumann Leictriceimiceach, Pennington 1986) lch.142Google Scholar
13.34W.Zulehner: In:Sileacan Leathsheoltóra(An Cumann Leictriceimiceach, Pennington 1990) lch.30Google Scholar
13.35Y.Arai, M.Kida, N.Ono, K.Abe, N.Machida, H.Futuya, K.Sahira: In:Sileacan Leathsheoltóra(An Cumann Leictriceimiceach, Pennington 1994) lch.180Google Scholar
13.36F. Shimura: In:Eolaíocht agus Teicneolaíocht VLSI(An Cumann Leictriceimiceach, Pennington 1982) lch. 17Google Scholar
13.37S.Chandrasekhar, KMKim: In:Sileacan Leathsheoltóra(An Cumann Leictriceimiceach, Pennington 1998) lch.411Google Scholar
13.38K. Hoshikawa, X. Huang, T. Taishi, T. Kajigaya, T. Iino: Jpn. J. Appl. Corp.38, L1369 (1999)CrossRefGoogle Scholar
13.39KM Kim, P. Smetana: J. Cryst. Fás100, 527 (1989)CrossRefGoogle Scholar

13.1Forbhreathnú

13.2Ábhair Tosaigh

13.2.1Sileacan Grád Miotaleolaíoch

13.2.2Sileacan Polycrystalline

Comhdhúile Ceimiceacha Idirmheánacha

Hidreaclóiriú Sileacan

Driogadh agus DianscaoileadhTlorlorosilane

Próiseas Monosilane

Taisce Gráinneach Polysilicon

13.3Fás Aon-Crystal

13.3.1Modh Crios Snámh

Nótaí Ginearálta

Imlíne ar an bPróiseas

Doping

Airíonna FZ-Silicon Crystal

13.3.2Modh Czochralski

Nótaí Ginearálta

Imlíne ar an bPróiseas

Tionchar Suíomh Spásúil inaGrownCrystal

13.3.3Neamhíonachtaí i Sileacan Czochralski

Mídhaonnacht eisíontas

Scaradh

Striations

Doping

Ocsaigin agus Carbón

13.4Modhanna Nua Fáis Crystal

13.4.1Fás Czochralski withanAppliedMagneticField (MCZ)

13.4.2Modh Leanúnach Czochralski (CCZ)

13.4.3Modh Fáis Neckingless

Tagairtí

Industrias relacionadas

Glaoigh Linn