Введение

Метод роста кристаллов

Метод Чохральского, также техника Чохральского или процесс Чохральского, — это метод выращивания кристаллов, используемый для получения монокристаллов полупроводников (например, кремния, германия и арсенида галлия), металлов (например, палладия, платины, серебра, золота), солей и синтетических драгоценных камней. Метод назван в честь польского ученого Яна Чохральского, который изобрел его в 1915 году, исследуя скорости кристаллизации металлов. Он сделал это открытие случайно: вместо того, чтобы окунуть перо в чернильницу, он окунул его в расплавленный олово и вытянул оловянную нить, которая впоследствии оказалась монокристаллом. Этот метод до сих пор используется более чем в 90 процентах всей мировой электроники, использующей полупроводники. Наиболее важным применением является выращивание крупных цилиндрических слитков, или булей, монокристаллического кремния, используемых в электронной промышленности для производства полупроводниковых приборов, таких как интегральные схемы. Другие полупроводники, такие как арсенид галлия, также могут быть выращены этим методом, хотя в этом случае можно добиться более низкой плотности дефектов, используя варианты метода Бриджмана — Стокбаргера. Метод не ограничивается производством металлических или полуметаллических кристаллов. Например, он используется для изготовления кристаллов солей сверхвысокой чистоты, включая материалы с контролируемым изотопным составом, для использования в экспериментах по физике частиц, с жестким контролем (измерения в долях на миллиард) содержания примесей в виде ионов металлов и воды, поглощаемой в процессе производства.

Применение

Монокристаллический кремний (mono Si), выращенный методом Чохральского, часто называют монокристаллическим кремнием, полученным методом Чохральского (Cz Si). Он является основным материалом в производстве интегральных схем, используемых в компьютерах, телевизорах, мобильных телефонах и всех типах электронного оборудования и полупроводниковых приборов. Монокристаллический кремний также широко используется в фотоэлектрической промышленности для производства традиционных монокристаллических кремниевых солнечных элементов. Его почти идеальная кристаллическая структура обеспечивает наивысшую эффективность преобразования света в электричество среди кремниевых материалов.

Производство кремния Czochralski

Силикон полупроводникового класса высокой чистоты (содержание примесей всего несколько частей на миллион) плавится в тигле при температуре , обычно изготовленном из кварца. Допирующие примеси, такие как бор или фосфор, могут добавляться в расплавленный кремний в точном количестве для допирования, превращая его в кремний p-типа или n-типа с различными электронными свойствами. Точно ориентированный затравка на стержне опускается в расплавленный кремний. Стержень затравки медленно вытягивается вверх и одновременно вращается. Путем точного контроля температурных градиентов, скорости вытягивания и скорости вращения можно извлечь из расплава большой цилиндрический однокристаллический слиток. Возникновение нежелательных нестабильностей в расплаве можно предотвратить, исследуя и визуализируя поля температуры и скорости в процессе роста кристалла. Этот процесс обычно проводится в инертной атмосфере, например, аргоне, в инертной камере, например, кварцевой.

Размеры кристаллов

В силу эффекта масштаба полупроводниковая промышленность часто использует пластины со стандартизированными размерами, или общими спецификациями пластин. Изначально, слитки были небольшими, всего несколько сантиметров в диаметре. С развитием технологий, производители высокотехнологичных устройств используют пластины диаметром 200 мм и 300 мм. Диаметр контролируется точным регулированием температуры, скорости вращения и скорости извлечения держателя затравки. Кристаллические слитки, из которых нарезаются пластины, могут достигать 2 метров в длину и весить несколько сотен килограммов. Более крупные пластины повышают эффективность производства, так как на каждой пластине можно изготовить больше чипов с меньшими относительными потерями, поэтому наблюдается устойчивая тенденция к увеличению размеров кремниевых пластин. Следующий шаг – переход к 450 мм – был запланирован на 2018 год. Кремниевые пластины обычно имеют толщину от 0,2 до 0,75 мм и могут быть отполированы до высокой плоскостности для производства интегральных схем или текстурированы для изготовления солнечных элементов.

Содержит примесей

При выращивании кремния методом Чохральского расплав содержится в кремнеземном (кварцевом) тигле. В процессе роста стенки тигля растворяются в расплаве, поэтому кремний, полученный методом Чохральского, содержит кислород в типичной концентрации 10 см. Примеси кислорода могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние. Правильно подобранные условия отжига могут приводить к образованию осадков кислорода. Эти осадки захватывают нежелательные примеси переходных металлов в процессе, известном как геттеринг, тем самым повышая чистоту окружающего кремния. Однако образование осадков кислорода в непредусмотренных местах может приводить к разрушению электрических структур. Кроме того, примеси кислорода могут повышать механическую прочность кремниевых пластин, фиксируя дислокации, которые могут возникать в процессе производства приборов. Экспериментально было показано в 1990-х годах, что высокая концентрация кислорода также благоприятна для радиационной стойкости кремниевых детекторов частиц, используемых в условиях интенсивного излучения (например, в проектах LHC/HL-LHC в CERN). Следовательно, радиационные детекторы, изготовленные из кремния, полученного методами Чохральского и магнито-Чохральского, рассматриваются как перспективные кандидаты для многих будущих экспериментов в области физики высоких энергий. Также было показано, что присутствие кислорода в кремнии увеличивает захват примесей в процессе отжига после имплантации. Однако примеси кислорода могут взаимодействовать с бором в освещенной среде, например, в солнечных элементах. Это приводит к образованию электрически активного комплекса бор-кислород, который снижает эффективность элемента. Выход модуля снижается примерно на 3% в течение первых нескольких часов облучения светом.