Chi tiết blog

Tại sao những sự ô uế tách ra trong thời gianSilicon đơn tinh thểTăng trưởng?

Để kiểm soát các tính chất điện của chất bán dẫn, một lượng nhỏ các nguyên tố nhóm III (như gallium) hoặc các nguyên tố nhóm V (như phốt pho) được cố ý đưa vào silicon.Các chất dopant nhóm III hoạt động như các chất chấp nhận electron trong silicon, tạo ra các lỗ di động và hình thành các trung tâm tích cực; chúng được gọi làCác tạp chất chấp nhậnhoặcCác chất kích thích loại pMặt khác, các chất dopant nhóm V hiến điện tử khi ion hóa trong silicon, tạo ra các điện tử di động và tạo thành các trung tâm tích điện âm; chúng được gọi làCác tạp chất hiến tặnghoặcchất kích thích loại n.

Ngoài việc cố tình đưa ra các yếu tố tăng cường, các tạp chất không cố ý khác chắc chắn được đưa vào trong quá trình tăng trưởng tinh thể.Những tạp chất này có thể xuất phát từ việc tinh chế chưa hoàn chỉnh nguyên liệu thôCuối cùng, các tạp chất này có thể xâm nhập vào tinh thể dưới dạng nguyên tử hoặc ion.Ngay cả một lượng nhỏ của tạp chất có thể thay đổi đáng kể các tính chất vật lý và điện của tinh thểDo đó, điều quan trọng là phải hiểu làm thế nào các tạp chất được phân phối trong chất nóng chảy trong quá trình tăng trưởng tinh thể, cũng như các yếu tố chính ảnh hưởng đến sự phân phối tạp chất.Bằng cách làm rõ những luật phân phối này, điều kiện sản xuất có thể được tối ưu hóa để sản xuất silic đơn tinh thể với nồng độ tạp chất đồng nhất.

Phân biệt và vận chuyển tạp chất trong Silicon Melt

Do hiện tượngphân tách tạp chất, các tạp chất trong silicon melt không được phân phối đồng đều dọc theo chiều dài của một thỏi silicon đơn tinh thể phát triển. Thay vào đó, nồng độ của chúng thay đổi theo vị trí không gian dọc theo tinh thể.Giao thông tạp chất trong silicon melt chủ yếu được điều chỉnh bởi hai cơ chế:

1. Giao thông phân tánđược điều khiển bởi các gradient nồng độ, và

2. Giao thông vận tảigây ra bởi dòng chảy nóng chảy vĩ mô.

Một minh họa sơ đồ về phân tách phốt pho được hiển thị trong hình tham chiếu. Trong sự phát triển tinh thể Czochralski, cả hai sự đối lưu tự nhiên và bị ép thường tồn tại trong thùng.Máy sưởi chính thường nằm dọc theo tường bên của lò nung, tạo ra một gradient nhiệt độ trong silicon nóng chảy. do sự mở rộng nhiệt, sự khác biệt mật độ phát sinh trong nóng chảy, và lực nổi được tạo ra bởi những biến đổi mật độ nàysự đối lưu tự nhiên.

Để duy trì sự đồng nhất của tạp chất và ổn định trường nhiệt, cả tinh thể phát triển và thạch đều được xoay ở tốc độ góc được chỉ định.Chuyển động tạo ra lực quán tính trong chất nóng chảy, và khi các lực quán tính này vượt qua lực nhớt,Chuyển động ép buộcDo đó, sự phân bố nồng độ dung dịch trong tinh thể bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi sự đối lưu tự nhiên và bị ép trong chất nóng chảy.

Cơ sở nhiệt động lực của phân tách tạp chất

Sự phát triển của silic đơn tinh thể là một quá trình tương đối chậm và có thể được coi là xảy ra trong điều kiện cân bằng nhiệt động lực gần như.sự cân bằng giữa pha rắn và pha lỏng tại giao diện rắn ẩm có thể được áp dụng.

Nếu nồng độ dung dịch cân bằng trong chất rắn ở giao diện được biểu thị như sau:C0C_{s0}Cs0​, và trong chất lỏng làCL0C_{L0}CL0​,hệ số phân tách cân bằngđược định nghĩa là:

k0=Cs0CL0k_0 = frac{C_{s0}}{C_{L0}}k0​=CL0​Cs0​​

Mối quan hệ này luôn giữ ở giao diện rắn 液 trong điều kiện cân bằng.k0k_0k0​Có thể nhỏ hơn hoặc lớn hơn 1. Ví dụ, hệ số phân tách của phốt pho là khoảng 0.35, trong khi oxy là khoảng 1.27.

• Khi nào$k0<1$Khi tăng trưởng tinh thể, nồng độ dung dịch trong dung dịchCL0C_{L0}CL0​tăng liên tục.k0k_0k0​vẫn ổn định, nồng độ dung dịch trong tinh thểC0C_{s0}Cs0​Kết quả là, các tạp chất như vậy thể hiện mộtnồng độ thấp ở đầu và nồng độ cao ở đuôiPhosphorus thường cho thấy hành vi phân phối này.

• Khi nào$k0>1$Khi tăng trưởng, nồng độ dung dịch trong dung dịch tan giảm,do đó làm cho nồng độ dung dịch trong tinh thể giảmTrong trường hợp này, sự phân bố tạp chất cho thấy mộtnồng độ cao ở đầu và nồng độ thấp ở đuôicủa thỏi.

Vai trò của phương tiện vận chuyển hàng loạt và vận chuyển

Phân bố tạp chất cuối cùng trong tinh thể được xác định bằng cách vận chuyển tạp chất trong silicon nóng chảy trong quá trình đông cứng.Một mô hình cân bằng nhiệt động lực thuần túy là không đủ để giải thích đầy đủ phân bố dung dịch; do đó, một mô hình vật lý của sự phát triển tinh thể cũng phải được xem xét.

Trong sự phát triển tinh thể thực tế, giao diện không tiến triển vô cùng chậm nhưng phát triển với tốc độ hữu hạn.phân tán dung dịchThêm vào đó, sự phát triển tinh thể diễn ra trong một trường hấp dẫn và luôn đi kèm với sự đối lưu tự nhiên.xoay ép được giới thiệu bằng cách xoay tinh thể và nồi nghiềnKết quả là, cả haikhuếch tán và đối lưuphải được tính đến khi phân tích phân tách tạp chất.

Dòng chảy nóng chảy trong quá trình tăng trưởng tinh thể đảm bảo vận chuyển khối lượng từ nóng chảy lớn đến giao diện rắn ẩm và do đó hạn chế lượng tạp chất có thể được kết hợp vào tinh thể.

Phân phối tạp chất trục vàPhương trình Gulliver-Scheil

Các cơ chế kết hợp này dẫn đến sự phân bố tạp chất không đồng đều dọc theo hướng trục của tinh thể.

• một hệ thống khép kín mà không có sự bốc hơi hoặc khuếch tán trạng thái rắn của các chất kích thích,

• và trộn nóng chảy đủ mạnh để đảm bảo nồng độ dung dịch đồng đều trong nóng chảy,

Sự phân bố tạp chất dọc theo tinh thể cứng được mô tả bởiPhương trình Gulliver-Scheil:

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

trong đó:

• CSC_SCS​là nồng độ tạp chất trong silic đơn tinh thể,

• C0C_0C0​là nồng độ tạp chất ban đầu trong chất nóng chảy trước khi cứng,

• fSf_SfS​là phần của vật liệu đã cứng, và

• Keffk_{text{eff}}kef​làhệ số phân tách hiệu quả, được định nghĩa là tỷ lệ nồng độ tạp chất trong chất rắnCSC_SCS​đến đó trong sự tan chảyCLC_LCL​.

Tỷ lệ phân tách hiệu quảKeffk_{text{eff}}kef​phụ thuộc vào hệ số phân tách cân bằngk0k_0k0​(ví dụ:$k0=0.35$đối với phốt pho), hệ số khuếch tán tạp chấtDDDtrong sự tan chảy, tốc độ tăng trưởng tinh thểvvv, và độ dày của lớp ranh giới dung dịchδdeltaδở giao diện chất rắn ối.