السيليكون أحادي البلورة: النمو والخصائص

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

CZ MCZ Single crystal

السيليكون ، الذي كان وسيظل المادة المهيمنة في صناعة أشباه الموصلات لبعض الوقت في المستقبل [13.1] ، إلى عصر التكامل واسع النطاق (ULSI) وعصر النظام على الرقاقة (SOC).

نظرًا لأن الأجهزة الإلكترونية أصبحت أكثر تقدمًا ، فقد أصبح أداء الجهاز أكثر حساسية لجودة وخصائص المواد المستخدمة في بنائها.

تم استخدام الجرمانيوم (Ge) في الأصل كمواد غير موصلة للأجهزة الإلكترونية ذات الحالة الصلبة. ومع ذلك ، فإن فجوة النطاق الضيقة (0.66 eV) لـ Ge تحد من تشغيل الأجهزة القائمة على الجرمانيوم إلى درجات حرارة تقارب 90∘C بسبب تيارات التسرب الكبيرة التي لوحظت في درجات الحرارة المرتفعة. من ناحية أخرى ، ينتج عن فجوة النطاق الأوسع للسيليكون (1.12 فولت) أجهزة إلكترونية قادرة على العمل بسرعة تصل إلى $\approx 200^{\circ} C$ . ومع ذلك ، هناك مشكلة أكثر خطورة من فجوة الحزمة الضيقة: الجرمانيوم لا يوفر بسهولة طبقة تخميل مستقرة على السطح. على سبيل المثال ، ثاني أكسيد الجرمانيوم (GeO2) قابل للذوبان في الماء ويتفكك عند 800 تقريبًا∘جيم- السيليكون ، على عكس الجرمانيوم ، يتكيف بسهولة مع التخميل السطحي عن طريق تكوين ثاني أكسيد السيليكون (SiO)2) ، والذي يوفر درجة عالية من الحماية للجهاز الأساسي. هذا مستقر SiO2ينتج عن الطبقة ميزة adecisive للسيليكون على الجرمانيوم كمادة أشباه الموصلات الأساسية المستخدمة في تصنيع الأجهزة الإلكترونية. أدت هذه الميزة إلى عدد من التقنيات الجديدة ، بما في ذلك عمليات نشر المنشطات وتحديد الأنماط المعقدة. ومن المزايا الأخرى للسيليكون أنه غير سام تمامًا وأن السيليكا (SiO2) ، المادة الخام التي يتم الحصول منها على السيليكون ، تتكون من 60 تقريبًا%المحتوى المعدني لقشرة الأرض. هذا يعني أن المادة الخام التي يتم الحصول عليها من السيليكون متوفرة في إمداد وفير للدائرة المتكاملة (IC) صناعة. علاوة على ذلك ، يمكن الحصول على السيليكون الإلكتروني بأقل من عُشر تكلفة الجرمانيوم. كل هذه المزايا تسببت في أن يحل السيليكون محل الجرمانيوم بالكامل تقريبًا في صناعة أشباه الموصلات.

على الرغم من أن السيليكون ليس الخيار الأمثل لكل جهاز إلكتروني ، إلا أن مزاياه تعني أنه سيهيمن بشكل شبه مؤكد على صناعة أشباه الموصلات لبعض الوقت حتى الآن.

13.1ملخص

حدثت تفاعلات مثمرة للغاية بين المستخدمين والمصنعين لمواد أشباه الموصلات منذ اختراع ترانزستور نقطة التلامس في عام 1947 ، عندما دعت الضرورة إلى ذلك.مثالي ونقيتم التعرف على البلورات. كانت المنافسة في كثير من الأحيان بحيث لا يمكن تلبية جودة الكريستال التي تتطلبها الأجهزة الجديدة إلا من خلال التحكم في نمو البلورات باستخدام المعدات الإلكترونية التي تم إنشاؤها باستخدام هذه الأجهزة الجديدة. منذ أن نمت بلورات السيليكون الخالية من الخلع في وقت مبكر من الستينيات باستخدامتقنية اندفاعة[13.2] ، وقد تركزت جهود البحث والتطوير في مجال المواد شبه الموصلة على نقاء المواد ، وعوائد الإنتاج ، والمشكلات المتعلقة بتصنيع الجهاز.

يتم تصنيع أجهزة ودوائر أشباه الموصلات باستخدام مجموعة متنوعة من العمليات الميكانيكية والكيميائية والفيزيائية والحرارية. يظهر الشكل التوضيحي مخطط التدفق لعمليات تحضير السيليكون أشباه الموصلات النموذجية.13.1. يعد تحضير ركائز أحادية البلورة من السيليكون بأسطح مصقولة ميكانيكيًا وكيميائيًا هي الخطوة الأولى في العملية الطويلة والمعقدة لتصنيع الجهاز.

Fig. 13.1 — الشكل 13.1
مخطط التدفق لعمليات تحضير السيليكون أشباه الموصلات النموذجية. (بعد[13.1])

كما ذكر أعلاه ، فإن السيليكون هو ثاني أكثر العناصر وفرة على وجه الأرض ؛ أكثر من 90%تتكون قشرة الأرض من السيليكا والسيليكات. بالنظر إلى هذا الإمداد غير المحدود من المواد الخام ، تكمن المشكلة بعد ذلك في تحويل السيليكون إلى الحالة القابلة للاستخدام التي تتطلبها تقنية أشباه الموصلات. المطلب الأول والأساسي هو أن يكون السيليكون المستخدم للأجهزة الإلكترونية نقيًا للغاية ، حيث أن الكميات الصغيرة جدًا من بعض الشوائب لها تأثير قوي على الخصائص الإلكترونية للسيليكون ، وبالتالي على أداء الجهاز الإلكتروني. الشرط الثاني هو البلورات ذات القطر الكبير ، حيث أن محصول الرقاقة لكل رقاقة يزيد بشكل كبير مع أقطار أكبر ، كما هو موضح في الشكل.13.2لحالة DRAM [13.3] ، أحد أكثر الأجهزة الإلكترونية شيوعًا. إلى جانب النقاء والقطر ، يجب أن تلبي تكلفة الإنتاج ومواصفات المادة ، بما في ذلك كثافة الخلل المزروع والتجانس المقاوم ، المتطلبات الصناعية الحالية.

Fig. 13.2 — الشكل 13.2
رقائق لكل رقاقة كأثر من جيل DRAM. (بعد[13.3])

في هذا الفصل ، المناهج الحالية لتحضير السيليكون - تحويل المادة الخام إلى سيليكون أحادي البلورة (انظر الشكل.13.1)- تمت مناقشتها.

13.2بدء المواد

13.2.1السيليكون المعدني

مادة البداية لبلورات السيليكون المفردة عالية النقاء هي السيليكا (SiO2). الخطوة الأولى في صناعة السيليكون هي ذوبان وتقليل السيليكا. يتم تحقيق ذلك عن طريق خلط السيليكا والكربون على شكل فحم أو فحم الكوك أو رقائق الخشب وتسخين الخليط إلى درجات حرارة عالية في فرن القوس الكهربائي المغمور. ينتج هذا التقليل الكربوني للسليكا من السيليكون المنصهر

S i O_{2} + 2C \to سي + 2CO .

(13.1) تحدث سلسلة من التفاعلات Acomplex بالفعل في الفرن عند درجات حرارة تتراوح من 1500 إلى 2000∘ج. تسمى كتل السيليكون التي تم الحصول عليها من هذه العملية بالسيليكون المعدني (MG-Si) ، ونقاوته حوالي 98-99%.

13.2.2متعدد الكريستالات السيليكون

المركبات الكيميائية الوسيطة

تتمثل الخطوة التالية في تنقية MG-Si إلى مستوى السيليكون من درجة أشباه الموصلات (SG-Si) ، والذي يستخدم كمواد أولية للسيليكون أحادي البلورية. المفهوم الأساسي هو أن مسحوق MG-Si يتفاعل مع حمض الهيدروكلوريك اللامائي لتكوين مركبات كلوروسيلان مختلفة في مفاعل طبقة مفلورة. ثم يتم تنقية السيلانات بالتقطير وترسيب البخار الكيميائي (CVD) لتشكيل SG- بولي سيليكون.

تم أخذ عدد المركبات الكيميائية الوسيطة في الاعتبار ، مثل monosilane (SiH4) ورابع كلوريد السيليكون (SiCl4) ، ثلاثي كلورو سيلان (SiHCl3) و dichlorosilane (SiH2Cl2). من بين هؤلاء ، يستخدم ثلاثي كلورو سيلان بشكل شائع لترسيب البولي سيليكون اللاحق للأسباب التالية:

1.
يمكن تشكيله بسهولة عن طريق تفاعل كلوريد الهيدروجين اللامائي مع MG-Si عند درجات حرارة منخفضة بشكل معقول (200-400∘C).
2.
إنه سائل في درجة حرارة الغرفة ، لذلك يمكن تنقيته باستخدام تقنيات التقطير القياسية.
3.
من السهل التعامل معها ويمكن تخزينها في خزانات من الصلب الكربوني عندما تجف.
4.
يسهل تبخير ثلاثي كلورو سيلان السائل ، وعند مزجه مع الهيدروجين ، يمكن نقله في خطوط فولاذية.
5.
يمكن تقليله عند الضغط الجوي في وجود الهيدروجين.
6.
يمكن أن يحدث ترسبه على السيليكون الساخن ، مما يلغي الحاجة إلى الاتصال بأي أسطح غريبة قد تلوث السيليكون الناتج.
7.
يتفاعل عند درجات حرارة منخفضة (1000-1200∘ج) وبمعدلات أسرع من رابع كلوريد السيليكون.

هيدروكلورة السيليكون

يتم تصنيع Trichlorosilane عن طريق تسخين مسحوق MG-Si عند حوالي 300∘C في مفاعل طبقة مفلورة. أي ، يتم تحويل MG-Si إلى SiHCl3حسب رد الفعل التالي

سي + 3HCl \to S i H C l_{3} + H_{2} .

(13.2) يكون التفاعل طاردًا للحرارة بدرجة عالية ولذلك يجب إزالة الحرارة لزيادة مردود ثلاثي كلورو سيلان. أثناء تحويل MG-Si إلى SiHCl3، يتم إزالة الشوائب المختلفة مثل Fe و Al و B عن طريق تحويلها إلى هاليدات (FeCl3، AlCl3، و BCl3، على التوالي) ، والمنتجات الثانوية مثل SiCl4و ح2يتم إنتاجها أيضًا.

تقطير وتحلل ثلاثي كلورو سيلان

يستخدم التقطير على نطاق واسع لتنقية ثلاثي كلورو سيلان. ثلاثي كلورو سيلان ، الذي يحتوي على نقطة غليان منخفضة (31.8∘C) ، مقطرًا جزئيًا من الهاليدات غير النقية ، مما يؤدي إلى زيادة النقاء بشكل كبير ، مع تركيز شوائب نشط كهربائيًا أقل من 1 جزء في البوصة. ثم يتم تبخير ثلاثي كلورو سيلان عالي النقاء ، وتخفيفه بهيدروجين عالي النقاء ، وإدخاله في مفاعل الترسيب. في المفاعل ، تتوفر قضبان رقيقة من السيليكون تسمى قضبان رفيعة مدعومة بأقطاب الجرافيت للترسيب السطحي للسيليكون وفقًا للتفاعل

S i H C l_{3} + H_{2} \to سي + 3HCl .

(13.3) بالإضافة إلى هذا التفاعل ، يحدث التفاعل التالي أيضًا أثناء ترسيب البولي سيليكون ، مما يؤدي إلى تكوين رباعي كلوريد السيليكون (المنتج الثانوي الرئيسي للعملية)

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

(13.4) يستخدم رباعي كلوريد السيليكون لإنتاج كوارتز عالي النقاء ، على سبيل المثال.

وغني عن القول ، أن نقاء القضبان الرفيعة يجب أن يكون مشابهًا لنقاء السيليكون المترسب. يتم تسخين القضبان الرفيعة مسبقًا إلى ما يقرب من 400∘C في بداية عملية CVD للسيليكون. هذا التسخين المسبق مطلوب من أجل زيادة موصلية قضبان رفيعة عالية النقاء (مقاومة عالية) بما يكفي للسماح بالتسخين المقاوم. الإيداع لمدة 200-300 ساعة في حوالي الساعة 1100∘ينتج C عن قضبان بولي سيليكون عالية النقاء بقطر 150-200 ملم. يتم تشكيل قضبان البولي سيليكون في أشكال مختلفة لعمليات النمو البلورية اللاحقة ، مثل القطع لنمو ذوبان Czochralski والقضبان الأسطوانية الطويلة لنمو منطقة الطفو. تم وصف عملية تقليل ثلاثي كلورو سيلان على قضبان السيليكون المحملة باستخدام الهيدروجين في أواخر الخمسينيات وأوائل الستينيات من القرن الماضي في عدد من براءات الاختراع العملية المخصصة لشركة سيمنز ؛ لذلك ، غالبًا ما تسمى هذه العملية بـطريقة سيمنز[13.4].

تتمثل العيوب الرئيسية لطريقة Siemens في ضعف كفاءة تحويل السيليكون والكلور ، وحجم الدُفعة الصغير نسبيًا ، والاستهلاك العالي للطاقة. ترتبط كفاءات التحويل الضعيفة للسيليكون والكلور بالحجم الكبير من رباعي كلوريد السيليكون المنتج كمنتج ثانوي في عملية الأمراض القلبية الوعائية. فقط حوالي 30%من السيليكون المتوفر في تفاعل الأمراض القلبية الوعائية يتم تحويله إلى بولي سيليكون عالي النقاء. أيضًا ، قد تعتمد تكلفة إنتاج البولي سيليكون عالي النقاء على فائدة المنتج الثانوي ، SiCl4.

عملية مونوسيلان

تم إنشاء تقنية إنتاج Apolysilicon القائمة على الإنتاج والانحلال الحراري لمونوسيلان في أواخر الستينيات. يحتمل أن يوفر مونوسيلان الطاقة لأنه يرسب البولي سيليكون عند درجة حرارة منخفضة وينتج بولي سيلكون أنقى من عملية ثلاثي كلورو سيلان ؛ ومع ذلك ، فقد تم استخدامه بصعوبة بسبب عدم وجود طريق اقتصادي لمونوسيلان وبسبب مشاكل المعالجة في خطوة الترسيب [13.5]. ومع ذلك ، مع التطور الأخير للطرق الاقتصادية إلى سيلان عالي النقاء والتشغيل الناجح لمصنع كبير الحجم ، جذبت هذه التكنولوجيا انتباه صناعة أشباه الموصلات ، والتي تتطلب سيليكون عالي النقاء.

في العمليات الصناعية الحالية أحادية السيلان ، يتم تسخين المغنيسيوم ومسحوق MG-Si إلى 500∘C تحت جو أهدروجين من أجل تخليق سيليسيد المغنيسيوم (Mg2Si) ، والذي يتم بعد ذلك التفاعل مع كلوريد الأمونيوم (NH4Cl) في الأمونيا السائلة (NH3) أقل من 0∘C لتشكيل monosilane (SiH4). يتم بعد ذلك إنتاج البولي سيليكون عالي النقاء عن طريق الانحلال الحراري للأحادي السليكون على خيوط البولي سيليكون المقاومة للتسخين عند 700-800∘ج. في عملية التوليد أحادي السيلان ، تتم إزالة معظم شوائب البورون من السيلان عبر تفاعل كيميائي مع NH43. تم تحقيق محتوى Aboron من 0.01-0.02 جزء في البوصة في البولي سيليكون باستخدام عملية amonosilane. هذا التركيز منخفض جدًا مقارنةً بالتركيز الملحوظ في البولي سيليكون المحضر من ثلاثي كلورو سيلان. علاوة على ذلك ، فإن البولي سيليكون الناتج يكون أقل تلوثًا بالمعادن الملتقطة من خلال عمليات النقل الكيميائي لأن تحلل أحادي السيلان لا يسبب أي مشاكل تآكل.

ترسيب حبيبات البولي سيليكون

تم تطوير عملية مختلفة بشكل غير ملحوظ ، والتي تستخدم تحلل أحادي السيلان في مفاعل ترسيب الطبقة الممتلئة لإنتاج البولي سيليكون الحبيبي المتدفق بحرية [13.5]. يتم تحويل جزيئات بذور السيليكون الصغيرة إلى خليط هيدروجين أمونوسيلان ، ويتم ترسيب البولي سيليكون لتكوين جزيئات كروية حرة التدفق يبلغ قطرها 700 ميكرومتر في المتوسط مع توزيع بحجم 100-1500 ميكرومتر. تم تصنيع بذور الطبقة المميعة في الأصل عن طريق طحن SG-Si في مطحنة أبال أو مطرقة وغسل المنتج بالحامض وبيروكسيد الهيدروجين والماء. كانت هذه العملية مستهلكة للوقت ومكلفة ، وتميل إلى إدخال شوائب غير مرغوب فيها في النظام من خلال المطاحن المعدنية. ومع ذلك ، في طريقة جديدة ، يتم إطلاق جسيمات SG-Si الكبيرة على بعضها البعض بواسطة تيار عالي السرعة من الغاز مما يؤدي إلى تكسيرها إلى جزيئات ذات حجم مناسب للطبقة المميعة. لا تقدم هذه العملية أي مواد غريبة ولا تتطلب ترشيحًا.

نظرًا للمساحة الأكبر لسطح البولي سيليكون الحبيبي ، تعد مفاعلات الطبقة المميعة أكثر كفاءة من مفاعلات القضيب التقليدية من نوع سيمنز. لقد ثبت أن جودة البولي سيليكون ذات الطبقة المميعة تعادل البولي سيليكون الذي تنتجه طريقة سيمنز الأكثر تقليدية. علاوة على ذلك ، فإن البولي سيليكون الحبيبي ذو الشكل الحر المتدفق والكثافة الظاهرية العالية يمكّن مزارعي البلورات من تحقيق أقصى استفادة من كل عملية إنتاج. أي أنه في عملية نمو بلورات Czochralski (انظر القسم التالي) ، يمكن تعبئة البوتقات بسرعة وسهولة في الأحمال المنتظمة التي تتجاوز عادةً قطع البولي سيليكون المكدسة عشوائيًا التي تنتجها طريقة سيمنز. إذا أخذنا في الاعتبار أيضًا إمكانات التقنية للانتقال من التشغيل على دفعات إلى السحب المستمر (تمت مناقشته لاحقًا) ، فيمكننا أن نرى أن حبيبات البولي سيليكون التي تتدفق بحرية يمكن أن توفر المسار المفيد للتغذية غير المنتظمة في حالة الذوبان المستقر. يبدو أن هذا المنتج هو مادة بداية ثورية واعدة كبيرة لنمو بلورات السيليكون.

13.3نمو بلورة واحدة

على الرغم من استخدام تقنيات مختلفة لتحويل البولي سيليكون إلى بلورات أحادية من السيليكون ، فقد هيمنت تقنيتان على إنتاجها للإلكترونيات لأنها تلبي متطلبات صناعة أجهزة الإلكترونيات الدقيقة. أحدهما هو طريقة ذوبان الأوزون المعروفة باسمالمنطقة العائمة (منطقة حرة) طريقة، والطريقة الأخرى هي طريقة التبجيل التي تسمى تقليديًاكزوشرالسكي (تشيكوسلوفاكيا) طريقة، على الرغم من أنه يجب أن يطلق عليه في الواقع اسمالبط البري - طريقة صغيرة. تم توضيح المبادئ الكامنة وراء هاتين الطريقتين للنمو البلوري في الشكل.13.3. في طريقة FZ ، يتم تمرير المنطقة المنصهرة من خلال قضيب أبولي سيليكون لتحويلها إلى سبيكة بلورية واحدة ؛ في طريقة تشيكوسلوفاكيا ، تتم زراعة بلورة واحدة عن طريق السحب من الصهر الموجود في بوتقة الكوارتز. في كلتا الحالتين ، فإنبلورة البذوريلعب دورًا مهمًا جدًا في الحصول على بلورة واحدة ذات اتجاه بلوري مرغوب فيه.

Fig. 13.3a,b — الشكل 13.3 أ ، ب
مبادئ النمو أحادي البلورة بواسطة (a) طريقة المنطقة العائمة و (b) طريقة تشوخرالسكي. (بعد[13.1])

تشير التقديرات إلى أن حوالي 95%يتم إنتاج كل السيليكون أحادي البلورة بطريقة تشيكوسلوفاكيا والباقي بطريقة FZ بشكل أساسي. تتطلب صناعة أشباه الموصلات السيليكونية درجة نقاء عالية وأقل تركيز للعيوب في بلورات السيليكون الخاصة بها لتحسين إنتاجية تصنيع الجهاز والأداء التشغيلي. أصبحت هذه المتطلبات أكثر صرامة مع تغير التكنولوجيا من LSI إلى VLSI ULSI ثم SOC. إلى جانب جودة أو كمال بلورات السيليكون ، يتزايد قطر البلورات بشكل مطرد من أجل تلبية متطلبات الشركات المصنعة للأجهزة. حيث يتم إنتاج الرقائق الإلكترونية الدقيقة عبر أنظام دفعةتؤثر أقطار رقاقات السيليكون المستخدمة في تصنيع الجهاز بشكل كبير على الإنتاجية (كما هو موضح في الشكل.13.2) ، وبالتالي تكلفة الإنتاج.

في الأقسام التالية ، نناقش أولاً طريقة FZ ثم ننتقل إلى طريقة CZ. ستتم مناقشة هذا الأخير بمزيد من التفصيل نظرًا لأهميته القصوى في صناعة الإلكترونيات الدقيقة.

13.3.1طريقة المنطقة العائمة

تصريحات او ملاحظات عامه

نشأت طريقة المنطقة الحرة من ذوبان المنطقة ، والذي تم استخدامه لتنقية السبائك الثنائية [13.6] وابتكرهثويرر[13.7]. أدى تفاعل السيليكون السائل مع المادة المستخدمة في البوتقة إلى تطوير طريقة المنطقة الحرة [13.8] ، والذي يسمح ببلورة السيليكون دون الحاجة إلى أي اتصال مع مادة البوتقة ، والتي تكون ضرورية لتكوين بلورات بدرجة نقاء أشباه الموصلات المطلوبة.

الخطوط العريضة للعملية

في عملية FZ ، يتم تحويل قضيب Apolysilicon إلى سبيكة أحادية البلورة عن طريق تمرير المنطقة المنصهرة المسخنة بواسطة ملف عين إبرة من أحد طرفي القضيب إلى الطرف الآخر ، كما هو موضح في الشكل.13.3أ. أولاً ، يتم ملامسة طرف قضيب البولي سيليكون ودمجه مع بلورة أسيد مع اتجاه الكريستال المطلوب. هذه العملية تسمىالبذر. يتم تمرير المنطقة المصهورة المصهورة عبر قضيب البولي سيليكون عن طريق تحريك بذرة البلورة المفردة في نفس الوقت أسفل القضيب. عندما تصلب المنطقة المنصهرة من السيليكون ، يتم تحويل البولي سيليكون إلى سيليكون أحادي البلورية بمساعدة بلورة البذور. عندما تنتقل المنطقة على طول قضيب البولي سيليكون ، يتجمد السيليكون أحادي البلورة في نهايته وينمو كامتداد لبلورة البذور.

بعد البذر ، تتكون رقبة آثين بقطر حوالي 2 أو 3 مم وطول 10-20 مم. هذه العملية تسمىمعانقة. يؤدي نمو العنقة إلى القضاء على الاضطرابات التي يمكن إدخالها في السيليكون أحادي البلورة المزروع حديثًا أثناء عملية البذر بسبب الصدمة الحرارية. تسمى عملية التعنق هذهتقنية اندفاعة[13.2] ، هو أمر أساسي لتنمية البلورات الخالية من التفكك ويستخدم عالميًا في كل من طرق المنطقة الحرة وتشيكوسلوفاكيا. يوضح الشكل طبوغراف الأشعة السينية للبذرة والرقبة والجزء المخروطي من بلورة أسيليكون مفردة نمت بطريقة FZ.13.4. من الواضح أن الاضطرابات الناتجة عند التلامس الذائب يتم التخلص منها تمامًا عن طريق العنق. بعد تشكيل الجزء المخروطي ، ينمو الجسم الرئيسي بقطر الهدف الكامل. أثناء عملية نمو المنطقة الحرة بأكملها ، يتم تحديد شكل المنطقة المنصهرة وقطر السبيكة عن طريق ضبط القدرة على الملف ومعدل السفر ، وكلاهما يخضع لتحكم الكمبيوتر. تستخدم التقنية الأكثر شيوعًا للتحكم التلقائي في القطر في كل من طريقتي FZ و CZ مستشعر الأشعة تحت الحمراء الذي يركز على الغضروف المفصلي. يعتمد شكل الغضروف المفصلي على البلورة المتكاثرة على زاوية التلامس عند الحدود ثلاثية الطور ، وقطر البلورة ، وحجم التوتر السطحي. يتم استشعار التغيير في زاوية الغضروف المفصلي (وبالتالي قطر البلورة) ، ويتم تغذية المعلومات مرة أخرى من أجل ضبط ظروف النمو تلقائيًا.

Fig. 13.4 — الشكل 13.4
طبوغرافيا الأشعة السينية للبذور والرقبة والجزء المخروطي من منطقة السيليكون العائمة. (بإذن من د. ت. أبي)

على النقيض من نمو بلورات تشيكوسلوفاكيا ، حيث يتم غمس بلورة البذور في ذوبان السيليكون ويتم سحب البلورة النامية لأعلى ، في طريقة FZ ، تحافظ بلورة البذور الرقيقة على البلورة النامية ، كما يفعل قضيب البولي سيليكون من الأسفل (الشكل.13.3). نتيجة لذلك ، يتم توازن القضيب بشكل غير مستقر على البذرة الرقيقة والرقبة أثناء عملية النمو بأكملها. يمكن أن تدعم البذرة والرقبة أكريستال يصل إلى 20 كجم طالما ظل مركز ثقل البلورة النامية في مركز نظام النمو. إذا تحرك مركز الثقل بعيدًا عن خط الوسط ، فسوف تنكسر البذرة بسهولة. ومن ثم ، كان من الضروري ابتكار تقنية تثبيت ودعم البلورات قبل أن يتم زراعة بلورات السيليكون FZ الطويلة والثقيلة. بالنسبة للبلورات الكبيرة ، من الضروري دعم البلورة المتنامية بالطريقة الموضحة في الشكل.13.5[13.9] ، خاصة في حالة بلورات FZ الحديثة ذات الأقطار الكبيرة (150-200 مم) ، حيث أن أوزانها تتجاوز بسهولة 20 كجم.

Fig. 13.5 — الشكل 13.5
نظام دعم لبلورة السيليكون في المنطقة العائمة. (بعد[13.9])

منشطات

من أجل الحصول على بلورات أحادية السيليكون من النوع n أو p للمقاومة المطلوبة ، يجب مخدر البولي سيليكون أو البلورة المتنامية مع المتبرع المناسب أو الشوائب المستقبلة ، على التوالي. بالنسبة لنمو السيليكون FZ ، على الرغم من تجربة العديد من تقنيات المنشطات ، فإن البلورات عادةً ما يتم تخديرها عن طريق نفخ الغاز المتبني مثل الفوسفين (PH3) للسيليكون من النوع n أو diborane (B.2H6) للسيليكون من النوع p على المنطقة المنصهرة. عادة ما يتم تخفيف الغاز المشوب بغاز أكير ، مثل الأرجون. الميزة الكبرى لهذه الطريقة هي أن الشركة المصنعة لبلور السيليكون لا تحتاج إلى تخزين مصادر البولي سيليكون بمقاومات مختلفة.

نظرًا لأن الفصل (الذي تمت مناقشته في القسم الفرعي التالي) من dopants الأولي للسيليكون من النوع n أقل بكثير من الوحدة ، فإن بلورات FZ المخدرة بالطريقة التقليدية لها تدرجات شعاعية شعاعية. علاوة على ذلك ، نظرًا لأن معدل التبلور يختلف في الاتجاه الشعاعي على المقياس المجهري ، فإن تركيزات الشوائب تتوزع دوريًا وتؤدي إلى ما يسمىالتصدعات المخدرة، مما أدى إلى عدم تجانس المقاومة الشعاعية. من أجل الحصول على السيليكون من النوع n المخدر بشكل أكثر تجانسًا ، فإن المنشطات التحويلية النيوترونية (NTD) تم تطبيقه على بلورات السيليكون FZ [13.10]. يتضمن هذا الإجراء التحويل النووي للسيليكون إلى الفوسفور عن طريق قصف البلورة بالنيوترونات الحرارية وفقًا للتفاعل

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

(13.5) النظير المشع31يتم تشكيل Si عندما30يلتقط Si aneutron ثم يتحلل في النظير المستقر31P (الذرات المانحة) ، التي لا يعتمد توزيعها على معايير نمو البلورات. مباشرة بعد التشعيع ، تظهر البلورات مقاومة عالية ، والتي تُعزى إلى العدد الكبير من عيوب الشبكة الناتجة عن التلف الإشعاعي. لذلك ، يجب أن يتم تلدين البلورة المشععة في محيط خامل عند درجات حرارة حوالي 700∘ج ـ من أجل القضاء على العيوب واستعادة المقاومة لتلك المشتقة من تعاطي المنشطات الفسفورية. في إطار مخطط NTD ، تزرع البلورات دون تعاطي المنشطات ثم يتم تشعيعها في مفاعل نووي مع نسبة كبيرة من النيوترونات الحرارية إلى النيوترونات السريعة من أجل تعزيز التقاط النيوترونات وتقليل الضرر الذي يلحق بالشبكة البلورية.

اقتصر تطبيق NTD بشكل حصري تقريبًا على بلورات المنطقة الحرة نظرًا لنقاوتها الأعلى مقارنة ببلورات تشيكوسلوفاكيا. عندما تم تطبيق تقنية NTD على بلورات السيليكون تشيكوسلوفاكيا ، وجد أن تكوين مانح الأكسجين أثناء عملية التلدين بعد التشعيع يغير المقاومة عن تلك المتوقعة ، على الرغم من تحقيق التجانس مع مانح الفوسفور [13.11]. يحتوي NTD على عيب إضافي يتمثل في عدم وجود عملية متاحة للمضادات من النوع p وأن هناك حاجة إلى فترة طويلة جدًا من التشعيع للمقاومة المنخفضة (في نطاق 1-10 سم).

خصائص كريستال FZ-Silicon Crystal

أثناء نمو بلورات FZ ، لا يتلامس السيليكون المصهور مع أي مادة بخلاف الغاز المحيط في غرفة النمو. لذلك ، تتميز بلورة السيليكون FZ بطبيعتها بنقاوتها العالية مقارنة بلورة aCZ التي تنمو من الذوبان - بما في ذلك ملامسة بوتقة الكوارتز. يؤدي هذا التلامس إلى ارتفاع تركيزات شوائب الأكسجين بحوالي 1018ذرات ∕ سم3في بلورات تشيكوسلوفاكيا ، بينما يحتوي السيليكون FZ على أقل من 1016ذرات ∕ سم3. يسمح هذا النقاء العالي لسيليكون المنطقة الحرة بتحقيق مقاومة عالية لا يمكن الحصول عليها باستخدام سيليكون تشيكوسلوفاكيا. معظم سليكون المنطقة الحرة المستهلكة له مقاومة تتراوح بين 10 و 200 سم ، في حين أن تشيكوسلوفاكيا السيليكون عادة ما يتم تحضيره لمقاومة 50 سم أو أقل بسبب التلوث من بوتقة الكوارتز. لذلك يتم استخدام السيليكون FZ بشكل أساسي لتصنيع أجهزة طاقة أشباه الموصلات التي تدعم الفولتية العكسية التي تزيد عن 750-1000 فولت. أدى نمو البلورات عالية النقاء وخصائص المنشطات الدقيقة لـ NTD FZ-Si أيضًا إلى استخدامها في أجهزة الكشف عن الأشعة تحت الحمراء [13.12]، على سبيل المثال.

ومع ذلك ، إذا أخذنا في الاعتبار القوة الميكانيكية ، فقد تم الاعتراف لسنوات عديدة أن السيليكون FZ ، الذي يحتوي على شوائب أكسجين أقل من تشيكوسلوفاكيا السيليكون ، أضعف ميكانيكيًا وأكثر عرضة للإجهاد الحراري أثناء تصنيع الجهاز [13.13,13.14]. غالبًا ما ينتج عن المعالجة ذات درجات الحرارة العالية لرقائق السيليكون أثناء تصنيع الأجهزة الإلكترونية إجهادًا حراريًا كافيًا لتوليد اضطرابات الانزلاق والانفتال. تؤدي هذه التأثيرات إلى خسارة الغلة بسبب الوصلات المتسربة والعيوب العازلة وتقليل العمر الافتراضي ، فضلاً عن انخفاض الغلة الليثوغرافية الضوئية بسبب تدهور استواء الرقاقة. يمكن أن يكون فقدان التسوية الهندسية بسبب الالتواء شديدًا بحيث لا تتم معالجة الرقائق أكثر. لهذا السبب ، تم استخدام رقائق السيليكون تشيكوسلوفاكيا على نطاق واسع في تصنيع أجهزة IC أكثر من رقائق FZ. هذا الاختلاف في الاستقرار الميكانيكي ضد الضغوط الحرارية هو السبب المهيمن وراء استخدام بلورات السيليكون تشيكوسلوفاكيا حصريًا لتصنيع الدوائر المتكاملة التي تتطلب عددًا كبيرًا من خطوات العملية الحرارية.

من أجل التغلب على أوجه القصور هذه في FZ silicon ، فإن نمو بلورات السيليكون FZ مع شوائب المنشطات مثل الأكسجين [13.15] والنيتروجين [13.16]. وجد أن منشطات بلورات السيليكون FZ بالأكسجين أو النيتروجين بتركيزات $1 - 1.5 \times 10^{17} a t o m s / c m^{3}$ أو $1.5 \times 10^{15} a t o m s / c m^{3}$ ، على التوالي ، يؤدي إلى زيادة ملحوظة في القوة الميكانيكية.

13.3.2طريقة Czochralski

تصريحات او ملاحظات عامه

سميت هذه الطريقة على اسم J. Czochralski ، الذي أسس تقنية لتحديد سرعات تبلور المعادن [13.17]. ومع ذلك ، تم تطوير طريقة السحب الفعلية التي تم تطبيقها على نطاق واسع لنمو بلورة مفردة بواسطةبط نهري صغيروالقليل[13.18] ، الذي عدل مبدأ تشوكرالسكي الأساسي. كانوا أول من نجح في تنمية بلورات أحادية من الجرمانيوم ، بطول 8 بوصات وقطرها 0.75 بوصة ، في عام 1950. وصمموا لاحقًا جهازًا آخر لنمو السيليكون في درجات حرارة أعلى. على الرغم من أن عملية الإنتاج الأساسية للسيليكون أحادي البلورة قد تغيرت قليلاً منذ أن ابتكرها Teal وزملاء العمل ، إلا أن بلورات السيليكون أحادية القطر كبيرة (حتى 400 مم) مع درجة عالية من الكمال تلبي أحدث الأجهزة نمت الطلبات من خلال دمج تقنية داش والابتكارات التكنولوجية المتعاقبة في الجهاز.

تتجه جهود البحث والتطوير الحالية المتعلقة ببلورات السليكون نحو تحقيق التوحيد المجهري لخصائص البلورات مثل المقاومة وتركيزات الشوائب والعيوب الدقيقة ، فضلاً عن التحكم المجهري فيها ، والتي ستتم مناقشتها في مكان آخر في هذا الدليل.

الخطوط العريضة للعملية

يتم عرض أهم ثلاث خطوات في نمو بلورات تشيكوسلوفاكيا بشكل تخطيطي في الشكل.13.3ب. من حيث المبدأ ، تشبه عملية نمو منطقة تشيكوسلوفاكيا عملية نمو المنطقة الحرة: (1) ذوبان البولي سيليكون ، (2) البذر و (3) النمو. ومع ذلك ، فإن إجراء سحب تشيكوسلوفاكيا أكثر تعقيدًا من تلك الخاصة بنمو المنطقة الحرة وتتميز عنها باستخدام بوتقة الكوارتز لاحتواء السيليكون المصهور. شكل13.6يُظهر عرضًا تقريبيًا لمعدات نمو بلورات تشيكوسلوفاكيا النموذجية الحديثة. الخطوات المهمة في تسلسل نمو بلورات السيليكون CZ الفعلي أو القياسي هي كما يلي:

1.
يتم وضع قطع أو حبيبات البولي سيليكون في بوتقة الكوارتز ويتم صهرها عند درجات حرارة أعلى من درجة انصهار السيليكون (1420)∘ج) في غاز محيط خامل.
2.
يتم الاحتفاظ بالذوبان في درجة حرارة عالية لفترة لضمان الذوبان الكامل وطرد الفقاعات الصغيرة ، والتي قد تسبب فراغات أو عيوبًا بلورية سلبية من الذوبان.
3.
يتم غمس بلورة Aseed ذات الاتجاه البلوري المرغوب في الذوبان حتى تبدأ في الذوبان. ثم يتم سحب البذرة من الذوبان بحيث يتم تشكيل العنق عن طريق تقليل القطر تدريجيًا ؛ هذه هي الخطوة الأكثر دقة. أثناء عملية نمو البلورات بأكملها ، يتدفق الغاز الخامل (عادة الأرجون) إلى أسفل عبر غرفة السحب من أجل حمل منتجات التفاعل مثل SiO و CO.
4.
عن طريق زيادة قطر البلورة تدريجيًا ، ينمو الجزء المخروطي والكتف. يتم زيادة القطر حتى القطر المستهدف عن طريق تقليل معدل السحب و ∕ أو درجة حرارة الذوبان.
5.
أخيرًا ، تتم تنمية الجزء الأسطواني من الجسم ذي القطر الثابت من خلال التحكم في معدل السحب ودرجة حرارة الذوبان مع تعويض الانخفاض في مستوى الذوبان مع نمو البلورة. يتم تقليل معدل السحب بشكل عام نحو نهاية ذيل البلورة المتكاثرة ، ويرجع ذلك أساسًا إلى زيادة الإشعاع الحراري من جدار البوتقة حيث ينخفض مستوى الذوبان ويعرض جدار بوتقة أكثر للبلورة المتنامية. بالقرب من نهاية عملية النمو ، ولكن قبل استنزاف البوتقة تمامًا من السيليكون المصهور ، يجب تقليل قطر البلورة تدريجياً لتشكيل مخروط نهائي لتقليل الصدمة الحرارية ، والتي يمكن أن تسبب اضطرابات الانزلاق في نهاية الذيل. عندما يصبح القطر صغيراً بدرجة كافية ، يمكن فصل البلورة عن الذوبان دون حدوث خلع.

شكل13.7يُظهر الجزء النهائي للبذرة من بلورة السيليكون تشيكوسلوفاكيا المزروعة. على الرغم من أن ذرة أسيد ، وهي المنطقة الانتقالية من البذرة إلى الجزء الأسطواني ، تتشكل عادة لتكون مسطحة نوعًا ما لأسباب اقتصادية ، قد يكون الشكل المدبب الأموري مرغوبًا من وجهة نظر الجودة الكريستالية. لا ينبغي استخدام جزء الكتف ومحيطه لتصنيع الجهاز لأن هذا الجزء يعتبر منطقة انتقالية في العديد من النواحي ويظهر خصائص بلورية غير متجانسة بسبب التغيير المفاجئ في ظروف النمو.

Fig. 13.6 — الشكل 13.6
عرض تخطيطي لنظام نمو بلورات السيليكون Czochralski النموذجي. (بعد[13.1])

Fig. 13.7 — الشكل 13.7
جزء نهاية البذور من بلورة السيليكون Czochralski المزروعة

شكل13.8تُظهر سبيكة بلورية من السيليكون تشيكوسلوفاكيا كبيرة جدًا كما نمت بقطر 400 ملم وطول 1800 ملم نمت بواسطة شركة Super Silicon Crystal Research Institute Corporation في اليابان [13.3].

Fig. 13.8 — الشكل 13.8
سبيكة كبيرة جدًا من السيليكون Czochralski قطرها 400 مم وطولها 1800 مم. (بإذن من شركة Super Silicon Crystal Research Institute Corporation ، اليابان)

تأثير الموقع المكاني في البلورة

مثل التين.13.9يصور بوضوح ، كل جزء من بلورة aCZ يزرع في وقت مختلف مع ظروف نمو مختلفة [13.19]. وبالتالي ، من المهم أن نفهم أن كل جزء يحتوي على مجموعة مختلفة من الخصائص البلورية وتاريخ حراري مختلف بسبب موقعه المختلف على طول طول البلورة. على سبيل المثال ، يحتوي جزء نهاية البذرة على تاريخ حراري طويل ، يتراوح من نقطة الانصهار من 1420 إلى حوالي 400∘C في Apuller ، في حين أن الجزء الخلفي له تاريخ أقصر ويتم تبريده بسرعة إلى حد ما من نقطة الانصهار. في نهاية المطاف ، يمكن أن تظهر كل رقاقة سيليكون محضرة من جزء مختلف من البلورة النضرة خصائص فيزيائية-كيميائية مختلفة اعتمادًا على موقعها في السبيكة. في الواقع ، تم الإبلاغ عن أن سلوك هطول الأكسجين يُظهر الاعتماد الأكبر على الموقع ، والذي بدوره يؤثر على توليد العيوب السائبة [13.20].

Fig. 13.9 — الشكل 13.9
البيئة الحرارية خلال نمو بلورة Czochralski في المراحل الأولية والنهائية.السهامتشير إلى الاتجاهات التقريبية لتدفق الحرارة. (بعد[13.19])

أيضًا ، يحدث التوزيع غير المنتظم لكل من العيوب والشوائب البلورية عبر المقطع العرضي للرقاقة المسطحة المحضرة من ذوبان السيليكون البلوري aCZ المتبلور أو المتصلب على التوالي عند واجهة الصهر البلوري ، والتي تكون منحنية بشكل عام في عملية نمو بلورات تشيكوسلوفاكيا. يمكن ملاحظة عدم التجانس مثلالتصدعات، والتي ستتم مناقشتها لاحقًا.

13.3.3الشوائب في Czochralski Silicon

تعتبر خصائص أشباه الموصلات السيليكونية المستخدمة في الأجهزة الإلكترونية حساسة للغاية للشوائب. بسبب هذه الحساسية ، يمكن التحكم في الخواص الإلكترونية الكهربائية للسيليكون بدقة عن طريق إضافة كمية صغيرة من dopant. بالإضافة إلى هذه الحساسية الشائبة ، فإن التلوث بالشوائب (خاصة المعادن الانتقالية) يؤثر سلبًا على خصائص السيليكون ويؤدي إلى تدهور خطير في أداء الجهاز. علاوة على ذلك ، يتم دمج الأكسجين بمستويات عشرات الذرات لكل مليون في بلورات السيليكون تشيكوسلوفاكيا بسبب التفاعل بين ذوبان السيليكون وبوتقة الكوارتز. بغض النظر عن كمية الأكسجين الموجودة في البلورة ، تتأثر خصائص بلورات السيليكون بشكل كبير بتركيز وسلوك الأكسجين [13.21]. بالإضافة إلى ذلك ، يتم أيضًا دمج الكربون في بلورات السيليكون تشيكوسلوفاكيا إما من المواد الخام من البولي سيليكون أو أثناء عملية النمو ، بسبب أجزاء الجرافيت المستخدمة في معدات سحب تشيكوسلوفاكيا. على الرغم من أن تركيز الكربون في بلورات السيليكون تشيكوسلوفاكيا التجارية عادة ما يكون أقل من 0.1 جزء في المليون ، فإن الكربون هو شوائب تؤثر بشكل كبير على سلوك الأكسجين [13.22,13.23]. أيضًا ، بلورات السيليكون تشيكوسلوفاكيا المخدرة بالنيتروجين [13.24,13.25] جذبت اهتمامًا كبيرًا مؤخرًا نظرًا لجودتها البلورية عالية الدقة ، والتي قد تفي بمتطلبات أحدث الأجهزة الإلكترونية [13.26,13.27].

عدم تجانس النجاسة

أثناء التبلور من الصهر ، يتم دمج العديد من الشوائب (بما في ذلك الشوائب) الموجودة في المصهور في البلورة النامية. يختلف تركيز الشوائب في الطور الصلب بشكل عام عن تركيز الطور السائل بسبب ظاهرة معروفة باسمالفصل.

الفصل

يمكن تحديد سلوك الفصل المتوازن المرتبط بتصلب الأنظمة متعددة المكونات من مخطط الطور المقابل للنظام الداخلي معالمذاب(النجاسة) وأمذيب(المادة المضيفة) كمكونات.

نسبة ذوبان شوائب العين الصلبة السليكونية [CA]sإلى ذلك في السيليكون السائل [CA]L

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

(13.6) يشار إليه باسممعامل فصل التوازن. تكون قابلية ذوبان الشوائب في السيليكون السائل أعلى دائمًا من ذوبانها في السيليكون الصلب ؛ هذا هو،k0& لتر ؛ 1- معامل فصل التوازنk0ينطبق فقط على التصلب بمعدلات نمو بطيئة بشكل مهم. لمعدلات تصلب محدودة أو أعلى ، ذرات الشوائب معk0& لتر ؛ يتم رفض 1 بواسطة المادة الصلبة المتقدمة بمعدل أكبر مما يمكن أن تنتشر في الذوبان. في عملية نمو بلورات تشيكوسلوفاكيا ، يحدث الفصل في بداية التصلب في واجهة ذوبان البذور النشطة ، وتبدأ ذرات الشوائب المرفوضة في التراكم في طبقة الذوبان بالقرب من واجهة النمو وتنتشر في اتجاه الجزء الأكبر من الذوبان. في هذه الحالة ، أمعامل الفصل الفعالkإفيمكن تحديدها في أي لحظة أثناء نمو بلورات تشيكوسلوفاكيا ، وتركيز الشوائب [C]sفي aCZ الكريستال يمكن اشتقاقه بواسطة

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

(13.7) حيث [C0] هو تركيز الشوائب الأولي في الذوبان وgهل الكسر متصلب.

وبالتالي ، من الواضح أن الاختلاف الطولي في مستوى الشوائب ، والذي يسبب الطيران في المقاومة بسبب التباين في تركيز الشوائب ، متأصل في عملية نمو دفعة تشيكوسلوفاكيا ؛ هذا بسبب ظاهرة التفرقة. علاوة على ذلك ، يتأثر التوزيع الطولي للشوائب بالتغيرات في حجم وطبيعة الحمل الحراري الذائب الذي يحدث عندما تنخفض نسبة الذوبان أثناء نمو البلورات.

الشقوق

في معظم عمليات النمو البلوري ، توجد عابرات في المعلمات مثل معدل النمو المجهري الآني وسماكة الطبقة الحدودية للانتشار والتي تؤدي إلى اختلافات في معامل الفصل الفعالkإف. تؤدي هذه الاختلافات إلى ظهور عدم تجانس تركيبي مجهري في شكلالتصدعاتبالتوازي مع واجهة تذوب الكريستال. يمكن تحديد الخطوط بسهولة باستخدام عدة تقنيات ، مثل النقش الكيميائي التفضيلي والتضاريس بالأشعة السينية. شكل13.10يُظهر التصدعات التي كشفت عنها النقش الكيميائي في جزء الكتف من المقطع العرضي الطولي لبلورة السيليكون aCZ. كما لوحظ بوضوح التغيير التدريجي في شكل واجهة النمو.

Fig. 13.10 — الشكل 13.10
شقوق النمو ، التي تم الكشف عنها بالحفر الكيميائي ، في كتف تشوكرالسكي السيليكون

تحدث الشقوق ماديًا بسبب فصل الشوائب وأيضًا عن عيوب النقطة ؛ ومع ذلك ، فإن التشققات ناتجة عمليًا عن تقلبات درجة الحرارة بالقرب من واجهة الصهر البلوري ، الناتجة عن الحمل الحراري غير المستقر في المصهور ودوران البلورات في بيئة حرارية غير متماثلة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تسبب الاهتزازات الميكانيكية بسبب آليات التحكم في السحب الضعيفة في معدات النمو تقلبات في درجة الحرارة.

شكل13.11يوضح بشكل تخطيطي المقطع العرضي البلوري المزروع في aCZ والذي يحتوي على واجهة ذوبان الكريستال المنحنية ، مما يؤدي إلى عدم تجانس على سطح المنحدر. نظرًا لأن كل رقاقة مستوية يتم تقطيعها إلى شرائح ، فإنها تحتوي على أجزاء مختلفة من عدة خطوط منحنية. مختلفحلقات الفونوغراف، المشار إليها باسمدوامة، يمكن أن يحدث بعد ذلك في كل رقاقة ، والتي يمكن ملاحظتها عبر الرقاقة باستخدام التقنيات المذكورة أعلاه.

Fig. 13.11 — الشكل 13.11
رسم توضيحي تخطيطي للمقطع العرضي البلوري Czochralski الذي يحتوي على واجهة ذوبان كريستال منحنية ورقاقات مستوية مقطعة إلى أجزاء مختلفة. (بعد[13.1])

منشطات

من أجل الحصول على المقاومة المرغوبة ، يتم إضافة كمية معينة من الإشابة (إما ذرات مانحة أو مستقبلية) إلى ذوبان السليكون وفقًا لعلاقة المقاومة والتركيز. من الشائع إضافة منشطات على شكل جزيئات سيليكون مخدرة بدرجة عالية أو قطع مقاومة تبلغ 0.01 Ω سم تقريبًا ، والتي تسمى تركيبات dopant ، نظرًا لأن كمية الإشابة النقية المطلوبة صغيرة بشكل لا يمكن التحكم فيه ، باستثناء مواد السيليكون المخدرة بشدة (n+أو ص+السيليكون).

معايير اختيار المواد اللاصقة للمواد اللاصقة هي أن لها الخصائص التالية:

1.
مستويات الطاقة المناسبة
2.
الذوبان العالي
3.
انتشار مناسب أو منخفض
4.
ضغط بخار منخفض.

يؤدي الانتشار العالي أو ارتفاع ضغط البخار إلى انتشار غير مرغوب فيه أو تبخر المنشطات ، مما يؤدي إلى تشغيل الجهاز غير المستقر وصعوبات في تحقيق التحكم الدقيق في المقاومة. إن قابلية الذوبان الصغيرة جدًا تحد من المقاومة التي يمكن الحصول عليها. بالإضافة إلى هذه المعايير ، يجب مراعاة الخصائص الكيميائية (السمية على سبيل المثال). مزيد من النظر من وجهة نظر النمو البلوري هو أن dopant لها معامل فصل قريب من الوحدة من أجل جعل المقاومة موحدة قدر الإمكان من نهاية البذرة إلى نهاية ذيل سبيكة الكريستال تشيكوسلوفاكيا. وبالتالي ، فإن الفوسفور (P) والبورون (B) هما أكثر الأدوية المانعة والمقبولة استخدامًا للسيليكون ، على التوالي. ل n+السيليكون ، حيث يتم تخدير الذرات المانحة بشدة ، عادةً ما يستخدم الأنتيمون (Sb) بدلاً من الفوسفور بسبب انتشاره الأصغر ، على الرغم من معامل الفصل الصغير وضغط البخار المرتفع ، مما يؤدي إلى اختلافات كبيرة في التركيز في كل من المحوري و الاتجاهات الشعاعية.

الأكسجين والكربون

كما هو مبين بشكل تخطيطي في التين.13.3حافظة مسافة13.6، أكوارتز (SiO2) تستخدم عناصر تسخين البوتقة والجرافيت في طريقة نمو بلورات تشيكوسلوفاكيا-سي. سطح البوتقة التي تلامس ذوبان السيليكون يذوب تدريجياً بسبب التفاعل

S i O_{2} + سي \to 2 S i O .

(13.8) هذا التفاعل يثري ذوبان السيليكون بالأكسجين. تتبخر معظم ذرات الأكسجين من السطح المنصهر على شكل أكسيد السيليكون الأحادي المتطاير (SiO) ، ولكن بعضها يتم دمجه في بلورة أسيليكون من خلال واجهة ذوبان الكريستال. مواد. توجد مستويات من الكربون تتراوح من 0.1 إلى 1 جزء في المليون ، اعتمادًا على الشركة المصنعة ، في البولي سيليكون. يُفترض أن تكون مصادر الكربون في البولي سيليكون بشكل أساسي عبارة عن شوائب تحتوي على الكربون توجد في ثلاثي كلورو سيلان المستخدم في إنتاج البولي سيليكون. يمكن أن تساهم أجزاء الجرافيت في معدات سحب تشيكوسلوفاكيا أيضًا في تلوث الكربون من خلال التفاعل مع الأكسجين ، والذي يكون موجودًا دائمًا أثناء النمو المحيط. المنتجات الناتجة من أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون2يتم إذابتها في ذوبان السيليكون وتحسب شوائب الكربون في بلورات السيليكون. وبالتالي ، فإن الأكسجين والكربون هما الشوائب الرئيسية غير المشتعلة التي يتم دمجها في بلورات السيليكون تشيكوسلوفاكيا بالطريقة الموضحة تخطيطيًا في الشكل.13.12. كان سلوك هذه الشوائب في السيليكون ، والذي يؤثر على عدد من خصائص بلورات السيليكون تشيكوسلوفاكيا ، موضوع دراسة مكثفة منذ أواخر الخمسينيات [13.21].

Fig. 13.12 — الشكل 13.12
دمج الأكسجين والكربون في بلورة تشوخرالسكي السليكونية. (بعد[13.1])

13.4طرق النمو البلورية الجديدة

يجب أن تفي بلورات السيليكون المستخدمة في تصنيع الأجهزة الإلكترونية الدقيقة بمجموعة متنوعة من المتطلبات التي تحددها الشركات المصنعة للأجهزة. بالإضافة إلى متطلبات السيليكونرقائق، أصبحت المتطلبات البلورية التالية أكثر شيوعًا بسبب تصنيع الأجهزة الإلكترونية الدقيقة عالية الإنتاجية وعالية الأداء:

1.
قطر كبير
2.
كثافة عيب منخفضة أو خاضعة للرقابة
3.
تدرج مقاومة شعاعي منتظم ومنخفض
4.
تركيز الأكسجين الأولي الأمثل وترسيبها.

من الواضح أن مصنعي بلورات السيليكون يجب ألا يفيوا بالمتطلبات المذكورة أعلاه فحسب ، بل يجب عليهم أيضًا إنتاج تلك البلورات اقتصاديًا وعوائد التصنيع العالية. تتمثل الاهتمامات الرئيسية لمزارعي بلورات السيليكون في الكمال البلوري والتوزيع المحوري للشوائب في سيليكون تشيكوسلوفاكيا. للتغلب على بعض المشاكل مع طريقة نمو بلورات تشيكوسلوفاكيا التقليدية ، تم تطوير العديد من طرق نمو البلورات الجديدة.

13.4.1نمو Czochralski مع الحقل المغناطيسي التطبيقي (MCZ)

يؤثر تدفق الحمل الحراري الذائب في البوتقة بشدة على جودة الكريستال لسيليكون تشيكوسلوفاكيا. على وجه الخصوص ، تحدث خطوط النمو غير المواتية بسبب الحمل الحراري غير المستقر للذوبان مما يؤدي إلى تقلبات في درجة الحرارة في واجهة النمو. تم تطبيق قدرة المجال المغنطيسي على تثبيط الحمل الحراري في سائل موصل كهربائيًا لأول مرة على النمو البلوري لمضاد الإنديوم الأنديوم عبر تقنية القارب الأفقي [13.28] وتقنية ذوبان المنطقة الأفقية [13.29]. من خلال هذه التحقيقات ، تم التأكيد على أن المجال المغناطيسي ذي القوة الكافية يمكن أن يوقف تقلبات درجة الحرارة التي تصاحب الحمل الحراري الذائب ، ويمكن أن يقلل بشكل كبير من تشققات النمو.

يتم تفسير تأثير المجال المغناطيسي على خطوط النمو من خلال قدرته على تقليل الحمل الحراري المضطرب للذوبان وبالتالي تقليل تقلبات درجة الحرارة عند السطح البيني للذوبان البلوري. يرجع التخميد الناجم عن المجال المغناطيسي إلى القوة الدافعة المغناطيسية المستحثة عندما يكون التدفق متعامدًا مع خطوط التدفق المغناطيسي ، مما يؤدي إلى زيادة اللزوجة الحركية الفعالة للذوبان الموصل.

تم الإبلاغ عن نمو بلورات السيليكون بواسطة المجال المغناطيسي المطبق بطريقة تشيكوسلوفاكيا (MCZ) لأول مرة في عام 1980 [13.30]. في الأصل ، كان MCZ مخصصًا لنمو بلورات السيليكون تشيكوسلوفاكيا التي تحتوي على تركيزات منخفضة من الأكسجين وبالتالي تتميز بمقاومة عالية مع اختلافات شعاعية منخفضة. بمعنى آخر ، كان من المتوقع أن تحل MCZ silicon محل FZ silicon الذي يستخدم بشكل حصري تقريبًا في تصنيع أجهزة الطاقة. منذ ذلك الحين ، تم تطوير تكوينات مختلفة للمجال المغناطيسي ، من حيث اتجاه المجال المغناطيسي (أفقيًا أو رأسيًا) ونوع المغناطيس المستخدم (موصل عادي أو فائق التوصيل) [13.31]. لقد كان السيليكون MCZ الذي تم إنتاجه بمجموعة واسعة من تركيزات الأكسجين المطلوبة (من الأقل إلى المرتفع) ذا أهمية كبيرة لتطبيقات الأجهزة المختلفة. تكمن قيمة السيليكون MCZ في جودته العالية وقدرته على التحكم في تركيز الأكسجين على نطاق واسع ، وهو ما لا يمكن تحقيقه باستخدام طريقة تشيكوسلوفاكيا التقليدية [13.32] ، وكذلك معدل نموها المعزز [13.33].

فيما يتعلق بجودة الكريستال ، ليس هناك شك في أن طريقة MCZ توفر بلورات السيليكون الأكثر ملاءمة لصناعة أجهزة أشباه الموصلات. قد تكون تكلفة إنتاج السيليكون MCZ أعلى من تكلفة السيليكون تشيكوسلوفاكيا التقليدية لأن طريقة MCZ تستهلك المزيد من الطاقة الكهربائية وتتطلب معدات إضافية ومساحة تشغيل للمغناطيسات الكهربائية ومع ذلك ، مع الأخذ في الاعتبار معدل النمو الأعلى لـ MCZ ، وعندما يتم استخدام مغناطيس فائق التوصيل يحتاج إلى مساحة أصغر ويستهلك طاقة كهربائية أقل مقارنة بالمغناطيسات الموصلة ، قد تصبح تكلفة إنتاج بلورات السيليكون MCZ قابلة للمقارنة مع بلورات السيليكون التقليدية من تشيكوسلوفاكيا. بالإضافة إلى ذلك ، فإن جودة الكريستال المحسّنة لسيليكون MCZ قد تزيد من عوائد الإنتاج وتقلل من تكلفة الإنتاج.

13.4.2طريقة Czochralski المستمرة (CCZ)

تعتمد تكاليف إنتاج الكريستال إلى حد كبير على تكلفة المواد ، ولا سيما تكلفة تلك المستخدمة في بوتقات الكوارتز. في عملية CZ التقليدية ، تسمى أعملية دفعة، يتم سحب الكريستال من شحنة بوتقة واحدة ، ويتم استخدام بوتقة الكوارتز مرة واحدة فقط ثم يتم التخلص منها. وذلك لأن الكمية الصغيرة المتبقية من السيليكون تكسر البوتقة لأنها تبرد من درجة حرارة عالية خلال كل دورة نمو.

تتمثل إستراتيجية تجديد بوتقة الكوارتز بالذوبان اقتصاديًا في إضافة العلف باستمرار أثناء نمو البلورة وبالتالي الحفاظ على الذوبان عند حجم ثابت. بالإضافة إلى توفير تكاليف البوتقة ، توفر طريقة Czochralski (CCZ) ذات الشحن المستمر بيئة مثالية لنمو بلورات السيليكون. كما ذكرنا سابقًا ، فإن العديد من عدم التجانس في البلورات التي نمت من خلال عملية دفعات تشيكوسلوفاكيا التقليدية هي نتيجة مباشرة للحركية غير المستقرة الناتجة عن التغيير في حجم الصهر أثناء نمو البلورات. لا تهدف طريقة CCZ إلى تقليل تكاليف الإنتاج فحسب ، بل تهدف أيضًا إلى تنمية البلورات في ظل ظروف ثابتة. من خلال الحفاظ على حجم الذوبان عند مستوى ثابت ، يمكن تحقيق ظروف حرارية ثابتة وتدفق مصهور (انظر الشكل.13.9، والذي يوضح التغير في البيئات الحرارية أثناء نمو تشيكوسلوفاكيا التقليدي).

يتم إجراء الشحن المستمر عادةً عن طريق التغذية بالبولي سيليكون ، كما هو موضح في الشكل.13.13[13.34]. يتكون هذا النظام من ahopper لتخزين المواد الخام من البولي سيليكون والمغذي الاهتزازي الذي ينقل البولي سيليكون إلى البوتقة. في البوتقة التي تحتوي على ذوبان السيليكون ، يلزم حاجز الكوارتز لمنع اضطراب الذوبان الناتج عن التغذية في المادة الصلبة حول واجهة النمو. من الواضح أن حبيبات البولي سيليكون المتدفقة مثل تلك المذكورة سابقًا مفيدة لطريقة CCZ.

Fig. 13.13 — الشكل 13.13
توضيح تخطيطي لطريقة Czochralski ذات الشحن المستمر. (بعد[13.34])

من المؤكد أن طريقة CCZ تحل معظم المشكلات المتعلقة بعدم التجانس في البلورات المزروعة بطريقة تشيكوسلوفاكيا التقليدية. علاوة على ذلك ، فإن الجمع بين MCZ و CCZ (تشيكوسلوفاكيا المستمر المطبق في المجال المغناطيسي (MCCZ) طريقة) من المتوقع أن توفر طريقة نمو البلورات النهائية ، مما يعطي بلورات السيليكون المثالية لمجموعة متنوعة من التطبيقات الإلكترونية الدقيقة [13.1]. في الواقع ، لقد تم استخدامه لتنمية بلورات السيليكون عالية الجودة المخصصة للأجهزة الإلكترونية الدقيقة [13.35].

ومع ذلك ، يجب التأكيد على أن التواريخ الحرارية المختلفة لأجزاء مختلفة من البلورة (من البذرة إلى نهايات الذيل ، كما هو موضح في الشكل.13.9) حتى عندما تزرع البلورة بطريقة النمو المثالية. من أجل تجانس البلورة المزروعة أو للحصول على انتظام محوري في التاريخ الحراري ، هناك شكل من أشكال المعالجة اللاحقة ، مثل التلدين بدرجة حرارة عالية [13.36] ، مطلوب للبلور.

13.4.3طريقة النمو بدون عنق

كما ذكرنا سابقًا ، فإن عملية تعنق داش (التي تنمو بقطر يتراوح من 3 إلى 5 مم في العنق ، الشكل 1 ب).13.7) خطوة حاسمة أثناء نمو بلورات تشيكوسلوفاكيا لأنها تقضي على الاضطرابات المزروعة. كانت هذه التقنية هي المعيار الصناعي لأكثر من 40 عامًا. ومع ذلك ، فإن الطلبات الأخيرة على أقطار بلورية كبيرة (& gt ؛ 300 مم ، تزن أكثر من 300 كجم) أدت إلى الحاجة إلى أعناق ذات قطر أكبر لا تسبب خلعًا في البلورة النامية ، منذ رقبة أثينا بقطر 3-5 مم لا يمكن أن تدعم مثل هذه البلورات الكبيرة.

بذور ذات قطر كبير يبلغ طولها عادة 170 مم ، ويبلغ قطرها الأدنى> ؛ 10 ملم ومتوسط 12 ملم ينمو من السيليكون المصهور بشدة مع البورون (

& gt ؛ 10^{19} a t o m s / c m^{3}

) لزراعة بلورات سيليكون تشيكوسلوفاكيا خالية من الخلع بقطر 200 مم [13.37,13.38]. تشير التقديرات إلى أن الأعناق الكبيرة التي يبلغ قطرها 12 مم يمكن أن تدعم تشيكوسلوفاكيا بلورات ثقيلة تصل إلى 2000 كجم [13.39]. شكل13.14a,bالرماد عبارة عن بلورة سيليكون تشيكوسلوفاكيا خالية من الخلع بقطر 200 مم نمت دون عملية التعنق داش ، والشكل.13.14a,bيظهر ب بذرته الموسعة (قارن مع الشكل.13.7). تُعزى الآلية التي لا يتم بها دمج الاضطرابات في البلورة المتنامية في المقام الأول إلى تأثير التصلب الناتج عن تعاطي المنشطات الثقيل للبورون في السيليكون.

Fig. 13.14a,b — الشكل 13.14 أ ، ب
نمت بلورة سيليكون Czochralski الخالية من الخلع بقطر 200 مم بدون عملية تعنق داش. (a)كل الجسم، (b) البذور والمخروط. (بإذن من البروفيسور ك. هوشيكاوا)

مراجع

13.1F. شيمورا:تكنولوجيا كريستال السيليكون أشباه الموصلات(أكاديمية ، نيويورك 1988)منحة جوجل
13.2WC Dash: J.Apple. فيز.29, 736 (1958)كروسريفمنحة جوجل
تاكادا ، ياماغيشي ، إم. مينامي ، إم إيماي ، 13.3 ألف: في:السيليكون أشباه الموصلات(الجمعية الكهروكيميائية ، بنينجتون 1998) ص 376منحة جوجل
13.4JRMcCormic: في:السيليكون أشباه الموصلات(الجمعية الكهروكيميائية ، بنينجتون 1986) ص 43منحة جوجل
13.5PA تايلور: تقنية الحالة الصلبة.تموز, 53 (1987)منحة جوجل
13.6WG Pfann: Trans. أكون. إنست. دقيقة. ميتال. م.194, 747 (1952)منحة جوجل
13.7CH Theuerer: براءة الاختراع الأمريكية 3060123 (1962)منحة جوجل
13.8PH Keck ، MJE Golay: Phys. القس.89, 1297 (1953)كروسريفمنحة جوجل
13.9 واط. كيلر ، إيه مولباور:عائم منطقة السيليكون(مارسيل ديكر ، نيويورك 1981)منحة جوجل
13.10JM Meese:تعاطي المنشطات في تحويل النيوترونات في أشباه الموصلات(بلينوم ، نيويورك 1979)كروسريفمنحة جوجل
13.11HMLiaw ، CJVarker: في:السيليكون أشباه الموصلات(الجمعية الكهروكيميائية ، بنينجتون 1977) ص 116منحة جوجل
13.12 ELKern، LSYaggy، JABarker: In:السيليكون أشباه الموصلات(الجمعية الكهروكيميائية ، بنينجتون 1977) ص 52منحة جوجل
13.13SM هو: تطبيق. فيز. بادئة رسالة.31, 53 (1977)كروسريفمنحة جوجل
13.14 ك. سومينو ، هـ.هارادا ، إيونيناجا: Jpn. J. أبل. فيز.19, L49 (1980)كروسريفمنحة جوجل
13.15 ك. سومينو ، آي يونيناغا ، إيه يوسا: Jpn. J. أبل. فيز.19, L763 (1980)كروسريفمنحة جوجل
13.16 تي آبي ، كيكوتشي ، شيراي: في:السيليكون أشباه الموصلات(الجمعية الكهروكيميائية ، بنينجتون 1981) ص 54منحة جوجل
13.17J. كزوخرالسكي: Z. Phys. تشيم.92, 219 (1918)منحة جوجل
13.18GK Teal، JB Little: Phys. القس.78, 647 (1950)منحة جوجل
13.19 واط. زولينر ، د. هوبر: في:البلورات 8: السيليكون ، النقش الكيميائي(سبرينغر ، برلين ، هايدلبرغ 1982) ص. 1منحة جوجل
13.20 هـ. تسويا ، إف شيمورا ، ك.أوجاوا ، ت. كاوامورا: جيه إلكتروشيم. شركة129, 374 (1982)كروسريفمنحة جوجل
13.21F. شيمورا (محرر):الأكسجين في السيليكون(أكاديمي ، نيويورك 1994)منحة جوجل
13.22 ثانية. كيشينو ، واي.ماتسوشيتا ، إم كاناموري: أبل. فيز. بادئة رسالة.35, 213 (1979)كروسريفمنحة جوجل
13.23F. شيمورا: ج. فيز.59, 3251 (1986)كروسريفمنحة جوجل
13.24 HD تشيو ، جيه مودي ، آر ساندفورت ، إف شيمورا: تكنولوجيا علوم VLSI ، Proc. كثافة العمليات الثانية. سيمب. تكامل مقياس كبير جدا. (الجمعية الكهروكيميائية ، بنينجتون 1984) ص. 208منحة جوجل
13.25F. شيمورا ، RS Hocket: Appl. فيز. بادئة رسالة.48, 224 (1986)كروسريفمنحة جوجل
13.26AHuber، M.Kapser، J.Grabmeier، U.Lambert، WvAmmon، R.Pech: In:السيليكون أشباه الموصلات(الجمعية الكهروكيميائية ، بنينجتون 2002) ص 280منحة جوجل
13.27 جاروزغوني: في:السيليكون أشباه الموصلات(الجمعية الكهروكيميائية ، بنينجتون 2002) ص 149منحة جوجل
13.28HP Utech، MC Flemings: J.Apple. فيز.37, 2021 (1966)كروسريفمنحة جوجل
13.29HA Chedzey ، DT Hurtle: الطبيعة210, 933 (1966)كروسريفمنحة جوجل
13.30 ألف هوشي ، سوزوكي ، واي أوكوبو ، إن إيساوا: تحويلة. أبستر. الكتروكيم. شركة اللقاء 157. (الجمعية الكهروكيميائية ، بنينجتون 1980) ص 811منحة جوجل
13.31 مليون أوهوا ، تي هيغوتشي ، إي توجي ، إم واتانابي ، كيه هوما ، إس تاكاسو: في:السيليكون أشباه الموصلات(الجمعية الكهروكيميائية ، بنينجتون 1986) ص 117منحة جوجل
13.32 م فوتاغامي ، كيه هوشي ، إن إيساوا ، ت سوزوكي ، واي أوكوبو ، واي كاتو ، واي أوكاموتو: في:السيليكون أشباه الموصلات(الجمعية الكهروكيميائية ، بنينجتون 1986) ص 939منحة جوجل
13.33 تي سوزوكي ، إن إيساوا ، كيه هوشي ، واي كاتو ، واي أوكوبو: في:السيليكون أشباه الموصلات(الجمعية الكهروكيميائية ، بنينجتون 1986) ص 142منحة جوجل
13.34 واط زولينر: في:السيليكون أشباه الموصلات(الجمعية الكهروكيميائية ، بنينجتون 1990) ص 30منحة جوجل
13.35 س عراي ، كيدا ، إن أونو ، آبي ، إن ماتشيدا ، فوتويا ، ك صحيرة: في:السيليكون أشباه الموصلات(الجمعية الكهروكيميائية ، بنينجتون 1994) ص 180منحة جوجل
13.36F. شيمورا: في:VLSI العلوم والتكنولوجيا(الجمعية الكهروكيميائية ، بنينجتون 1982) ص. 17منحة جوجل
13.37 S.Chandrasekhar، KMKim: In:السيليكون أشباه الموصلات(الجمعية الكهروكيميائية ، بنينجتون 1998) ص 411منحة جوجل
13.38 ك. Hoshikawa، X. Huang، T. Taishi، T. Kajigaya، T. Iino: Jpn. J. أبل. فيز.38, L1369 (1999)كروسريفمنحة جوجل
13.39 كيلومتر كيم ، بي سميتانا: جي كريست. نمو100, 527 (1989)كروسريفمنحة جوجل

13.1ملخص

13.2بدء المواد

13.2.1السيليكون المعدني

13.2.2متعدد الكريستالات السيليكون

المركبات الكيميائية الوسيطة

هيدروكلورة السيليكون

تقطير وتحلل ثلاثي كلورو سيلان

عملية مونوسيلان

ترسيب حبيبات البولي سيليكون

13.3نمو بلورة واحدة

13.3.1طريقة المنطقة العائمة

تصريحات او ملاحظات عامه

الخطوط العريضة للعملية

منشطات

خصائص كريستال FZ-Silicon Crystal

13.3.2طريقة Czochralski

تصريحات او ملاحظات عامه

الخطوط العريضة للعملية

تأثير الموقع المكاني في البلورة

13.3.3الشوائب في Czochralski Silicon

عدم تجانس النجاسة

الفصل

الشقوق

منشطات

الأكسجين والكربون

13.4طرق النمو البلورية الجديدة

13.4.1نمو Czochralski مع الحقل المغناطيسي التطبيقي (MCZ)

13.4.2طريقة Czochralski المستمرة (CCZ)

13.4.3طريقة النمو بدون عنق

مراجع

الصناعة ذات الصلة

إرسال التحقيق