Szczegóły bloga

Dlaczego nieczystości oddzielają się podczasJednokrystaliczny krzemowyWzrost?

Aby kontrolować właściwości elektryczne półprzewodników, do krzemu celowo wprowadza się śladowe ilości pierwiastków grupy III (takich jak galium) lub pierwiastków grupy V (takich jak fosfor).Dopanty z grupy III działają jako akceptory elektronów w krzemu, tworząc ruchome otwory i tworząc pozytywnie naładowane ośrodki; są one określane jakozanieczyszczenia akceptorówlubdopanty typu pDopanty z grupy V, natomiast, oddają elektrony, gdy są jonizowane w krzemu, wytwarzając przenośne elektrony i tworząc ośrodki o naładowaniu ujemnym.zanieczyszczenia dawcówlubDopanty typu n.

Oprócz celowego wprowadzenia elementów dopujących, podczas procesu wzrostu kryształu nieuchronnie wprowadza się inne nieumyślne zanieczyszczenia.Zanieczyszczenia te mogą pochodzić z niepełnego oczyszczania surowcówW końcu zanieczyszczenia te mogą wchodzić do kryształu w postaci atomów lub jonów.Nawet drobne ilości zanieczyszczeń mogą znacząco zmienić właściwości fizyczne i elektryczne kryształuDlatego ważne jest, aby zrozumieć, w jaki sposób zanieczyszczenia są rozprowadzane w roztopieniu podczas wzrostu kryształu, a także kluczowe czynniki wpływające na rozkład zanieczyszczeń.Wyjaśniając te prawa dystrybucji, warunki produkcji mogą być zoptymalizowane w celu wytworzenia jednokrystalicznego krzemu o jednolitej stężeniu zanieczyszczeń.

Segregacja zanieczyszczeń i transport w stopieniu krzemu

W związku z zjawiskiemsegregacja zanieczyszczeńW tym przypadku, w przypadku, gdy w roztopionym krzemu znajdują się zanieczyszczenia, nie są one równomiernie rozmieszczone wzdłuż długości rosnącej jednokrystalicznej ingotki krzemu.Transport zanieczyszczeń w roztopieniu krzemu jest głównie regulowany przez dwa mechanizmy:

1. Transport dyfuzyjnynapędzane przez gradienty stężenia, oraz

2. Transport konwekcyjnyIndukowane przez makroskopowy przepływ topnienia.

W przypadku wzrostu kryształu Czochralskiego, zarówno naturalna, jak i przymusowa konwekcja występują powszechnie w tyżurze.Główne ogrzewanie jest zazwyczaj umieszczone wzdłuż ściany bocznej tyglikaW wyniku rozszerzenia termicznego w roztopieniu powstają różnice gęstości, a siły pływania generowane przez te zmiany gęstości napędzająnaturalna konwekcja.

Aby utrzymać jednolitość zanieczyszczeń i ustabilizować pole cieplne, zarówno rosnący kryształ, jak i ciecierzyń obraca się z określonymi prędkościami kątowymi.Obrót wytwarza siły inercyjne w stopieniu, a gdy te siły inercyjne pokonają siły lepkości,konwekcja przymusowaW konsekwencji rozkład stężenia rozpuszczonego w krysztale jest silnie wpływany zarówno przez naturalną, jak i przymusową konwekcję w stopie.

Termodynamiczna podstawa segregacji zanieczyszczeń

Wzrost jednokrystalicznego krzemu jest stosunkowo powolnym procesem i może być, w dobrym przybliżeniu, traktowany jako występujący w warunkach prawie termodynamicznej równowagi.można zastosować równowagę pomiędzy fazą stałą a płynną na interfejsie stała/płynna.

Jeśli stężenie rozpuszczonego w stanie równowagi w stałym na interfejsie jest oznaczone jakoC0C_{s0}Cs0- Nie., i że w płynie jestWymaganiaCL0- Nie.,współczynnik segregacji równowagijest zdefiniowany jako:

k0=Cs0CL0k_0 = frac{C_{s0}}{C_{L0}}k0- Nie.=CL0- Nie.Cs0- Nie.- Nie.

Stosunek ten utrzymuje się zawsze na interfejsie stały/płynny w warunkach równowagi.K0k_0k0- Nie.Na przykład współczynnik segregacji fosforu wynosi około 0.35, podczas gdy tlen wynosi około 1.27.

• Kiedy?$k0<1$, rozpuszczalnik jest preferowanie odrzucony do stopu podczas utwardzania.WymaganiaCL0- Nie.Od czasu, gdyK0k_0k0- Nie.pozostaje stała, stężenie rozpuszczonego w krysztaleC0C_{s0}Cs0- Nie.W rezultacie takie zanieczyszczenia wykazująniskie stężenie w głowie i wysokie stężenie w ogonieFosfor zazwyczaj wykazuje takie zachowanie dystrybucji.

• Kiedy?$k0>1$, rozpuszczalnik jest preferowanie włączany do ciała stałego, zamiast pozostawać w stopieniu.co z kolei powoduje zmniejszenie stężenia rozpuszczonego w krysztaleW tym przypadku rozkład zanieczyszczeń pokazujewysokie stężenie w głowie i niskie w ogoniez ingotu.

Rola transportu masowego i konwekcji

Ostateczne rozmieszczenie zanieczyszczeń w krysztale jest określane przez transport zanieczyszczeń w stopieniu krzemu podczas utwardzania.Modele równowagi czysto termodynamicznej są niewystarczające do pełnego wyjaśnienia rozkładu rozpuszczalnikówW związku z tym należy również rozważyć fizyczny model wzrostu kryształu.

W rzeczywistym rozwoju kryształu, interfejs nie rozwija się nieskończenie powoli, ale rośnie w ograniczonym tempie.dyfuzja rozpuszczonegoW celu zwiększenia ciepła i przeniesienia masy, w celu zwiększenia temperatury, w celu zwiększenia temperatury, w celu zwiększenia temperatury,wprowadza się przymusowe mieszanie poprzez obrót kryształu i tyglikaW rezultacie obadyfuzja i konwekcjanależy wziąć pod uwagę przy analizie segregacji zanieczyszczeń.

Przepływ roztopu podczas wzrostu kryształu zapewnia transport masy z roztopu masowego do interfejsu stałego/płynnego, a tym samym ogranicza ilość zanieczyszczeń, które mogą zostać włączone do kryształu.

Aksyjne rozmieszczenie zanieczyszczeń iRównanie Gullivera-Scheila

Te połączone mechanizmy prowadzą do nierównomiernego rozmieszczenia zanieczyszczeń wzdłuż kierunku osiowego kryształu.

• system zamknięty bez parowania lub dystrybucji dopantów w stanie stałym,

• i wystarczająco silne mieszanie roztopu w celu zapewnienia jednolitego stężenia rozpuszczonego w roztopie,

rozkład zanieczyszczeń wzdłuż kryształu utwardzonego opisywany jest przezRównanie Gullivera-Scheila:

CS=C0 keff (1−fS)keff−1C_S = C_0, k_{text{eff}}, (1 - f_S) ^{k_{text{eff}} - 1}CS- Nie.=C0- Nie.kEff- Nie.(1- Nie.fS- Nie.)kEff- Nie.- Nie.1

gdzie:

• CSC_SCS- Nie.jest stężeniem zanieczyszczeń w krzemu jednokrystalicznym,

• C0C_0C0- Nie.jest początkowym stężeniem zanieczyszczeń w roztopieniu przed utwardzeniem,

• fSf_SfS- Nie.jest frakcją materiału, który utwardzył się, oraz

• - Nie, nie, nie.kEff- Nie.jestskuteczny współczynnik segregacji, zdefiniowany jako stosunek stężenia zanieczyszczenia w stałymCSC_SCS- Nie.do tego w stopieniuCLC_LCL- Nie..

Efektywny współczynnik segregacji- Nie, nie, nie.kEff- Nie.zależy od współczynnika segregacji równowagiK0k_0k0- Nie.(np.$k0=0.35$dla fosforu), współczynnik dyfuzji zanieczyszczeńDDDw stopieniu, tempo wzrostu kryształuvvV, a grubość warstwy granicznej rozpuszczonegoδdeltaδw interfejsie stałe/ ciekłe.