Der Prozess von Czochralski ist eine Methode des Kristallwachstums, das verwendet ist, um Monokristalle von Halbleitern (z.B Silikon, Germanium und Gallium arsenide), Metalle (z.B Palladium, Platin, Silber, Gold), Salze und synthetische Edelsteine zu erhalten. Der Prozess wird nach dem polnischen Wissenschaftler Jan Czochralski genannt, der die Methode 1916 entdeckt hat, während er die Kristallisierungsraten von Metallen untersucht hat.

Die wichtigste Anwendung kann das Wachstum von großen zylindrischen Barren oder boules von Monokristall-Silikon sein. Andere Halbleiter, wie Gallium arsenide, können auch durch diese Methode angebaut werden, obwohl niedrigere Defekt-Dichten in diesem Fall mit Varianten der Bridgman-Stockbarger Technik erhalten werden können.

Produktion von Silikon von Czochralski

Hohe Reinheit, Silikon des Halbleiter-Ranges (nur einige Teile pro Million von Unreinheiten) wird in einem Schmelztiegel geschmolzen, der gewöhnlich aus Quarz gemacht ist. Unreinheitsatome von Dopant wie Bor oder Phosphor können zum geschmolzenen Silikon in genauen Beträgen hinzugefügt werden, um das Silikon zu lackieren, so es in den P-Typ oder das n-leitende Silikon ändernd. Das beeinflusst die elektronischen Eigenschaften des Silikons. Ein genau orientierter Stange-bestiegener Impfkristall wird ins geschmolzene Silikon getaucht. Die Stange von Impfkristall wird aufwärts langsam gezogen und gleichzeitig rotieren gelassen. Durch das genaue Steuern der Temperaturanstiege, Rate des Ziehens und Geschwindigkeit der Folge, ist es möglich, einen großen, zylindrischen Einkristallbarren aus dem Schmelzen herauszuziehen. Das Ereignis von unerwünschten Instabilitäten im Schmelzen kann vermieden werden, indem es nachgeforscht wird und die Temperatur- und Geschwindigkeitsfelder während des Kristallwachstumsprozesses vergegenwärtigt wird. Dieser Prozess wird normalerweise in einer trägen Atmosphäre wie Argon in einem trägen Raum wie Quarz durchgeführt.

Größe von Kristallen

Wegen der Wirksamkeit von allgemeinen Oblate-Spezifizierungen hat die Halbleiter-Industrie Oblaten mit standardisierten Dimensionen verwendet. In den frühen Tagen waren die boules kleiner, nur einige Zoll breit. Mit der fortgeschrittenen Technologie verwenden Gerät-Hersteller des hohen Endes 200-mm- und 300-Mm-Diameter-Oblaten. Die Breite wird von der genauen Kontrolle der Temperatur, den Geschwindigkeiten der Folge und der Geschwindigkeit kontrolliert der Samen-Halter wird zurückgezogen. Die Kristallbarren, von denen diese Oblaten aufgeschnitten werden, können bis zu 2 Meter in der Länge sein, mehrere hundert Kilogramme wiegend. Größere Oblaten erlauben Verbesserungen in der Produktionsleistungsfähigkeit, weil mehr Chips auf jeder Oblate fabriziert werden können, also hat es einen unveränderlichen Laufwerk gegeben, um Silikonoblate-Größen zu vergrößern. Der nächste Schritt, 450 Mm, steht zurzeit für die Einführung 2012 auf dem Plan. Silikonoblaten sind normalerweise ungefähr 0.2-0.75 Mm dick, und können zur großen Flachheit poliert werden, um integrierte Stromkreise, oder strukturiert zu machen, um Sonnenzellen zu machen.

Der Prozess beginnt, wenn der Raum zu etwa 1500 Grad Celsius geheizt wird, das Silikon schmelzend. Wenn das Silikon völlig geschmolzen wird, wird ein auf dem Ende einer rotierenden Welle bestiegener Kern-Kristall langsam gesenkt, bis es gerade unter der Oberfläche des geschmolzenen Silikons eintaucht. Die Welle rotiert gegen den Uhrzeigersinn, und der Schmelztiegel rotiert im Uhrzeigersinn. Die rotierende Stange wird dann aufwärts sehr langsam gezogen, einem grob zylindrischen boule erlaubend, gebildet zu werden. Der boule kann von einem bis zwei Metern abhängig vom Betrag von Silikon im Schmelztiegel sein.

Die elektrischen Eigenschaften des Silikons werden durch das Hinzufügen des Materials wie Phosphor oder Bor zum Silikon kontrolliert, bevor es geschmolzen wird. Das zusätzliche Material wird dopant genannt, und der Prozess wird genannt lackierend. Diese Methode wird auch mit Halbleiter-Materialien außer Silikon, wie Gallium arsenide verwendet.

Monokristallenes durch den Prozess von Czochralski angebautes Silikon ist das grundlegende Material in der Produktion der groß angelegten einheitlichen Stromkreis-Chips, die in Computern, Fernsehen, Mobiltelefonen und elektronischer Ausrüstung aller Arten verwendet sind.

Unreinheitsintegration

Wenn Silikon durch die Methode von Czochralski angebaut wird, wird das Schmelzen in einer Kieselerde (Quarz) Schmelztiegel enthalten. Während des Wachstums lösen sich die Wände des Schmelztiegels ins Schmelzen auf, und Silikon von Czochralski enthält deshalb Sauerstoff bei einer typischen Konzentration von 10 Cm. Sauerstoff-Unreinheiten können vorteilhafte Effekten haben. Sorgfältig gewählte Ausglühen-Bedingungen können die Bildung von Sauerstoff erlauben schlägt sich nieder. Diese haben die Wirkung, unerwünschte Übergang-Metallunreinheiten in einem Prozess bekannt als gettering zu fangen. Zusätzlich können Sauerstoff-Unreinheiten die mechanische Kraft von Silikonoblaten verbessern, indem sie irgendwelche Verlagerungen unbeweglich gemacht wird, die während der Gerät-Verarbeitung eingeführt werden können. Es wurde in den 1990er Jahren experimentell gezeigt, dass die hohe Sauerstoff-Konzentration auch für die Strahlenhärte von Silikonpartikel-Entdeckern vorteilhaft ist, die in der harten Strahlenumgebung (wie die LHC/S-LHC-Projekte von CERN) verwendet sind. Deshalb, wie man betrachtet, versprechen Strahlenentdecker, die aus Czochralski- und Magnetischem Czochralski-Silikon gemacht sind, Kandidaten für viele zukünftige energiereiche Physik-Experimente. Es ist auch gezeigt worden, dass die Anwesenheit von Sauerstoff in Silikonzunahme-Unreinheit, die während des Postimplantationsausglühens Fallen stellt, in einer Prozession geht.

Jedoch können Sauerstoff-Unreinheiten mit Bor in einer beleuchteten Umgebung, solcher, wie erfahren, durch Sonnenzellen reagieren. Das läuft auf die Bildung eines elektrisch aktiven Komplexes des Bor-Sauerstoffes hinaus, der die Zellleistung schmälert. Modul-Produktion fällt um etwa 3 % während der ersten paar Stunden der leichten Aussetzung.

Der mathematische Ausdruck der Unreinheitsintegration davon schmilzt

Die Unreinheitskonzentration im festen Kristall, der sich aus dem Einfrieren eines zusätzlichen Betrags des Volumens ergibt, kann bei der Rücksicht des Abtrennungskoeffizienten erhalten werden.

:: Abtrennungskoeffizient

:: Anfängliches Volumen

:: Zahl von Unreinheiten

:: Unreinheitskonzentration im Schmelzen

:: Volumen des Schmelzens

:: Zahl von Unreinheiten im Schmelzen

:: Konzentration von Unreinheiten im Schmelzen

:: Volumen von festem

:: Konzentration von Unreinheiten im festen

Während des Wachstumsprozesses schmilzt Volumen dessen Stopps, und es gibt Unreinheiten vom Schmelzen, die entfernt werden.

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Galerie

Methode-Schmelztiegel jpg|Crucibles von Image:Czochralski, die in der Methode von Czochralski verwendet sind

Image: Methode von Czochralski hat Schmelztiegel 1.jpg|Crucible verwendet, verwendet

Image:Monokristalines Silizium für sterben Waferherstellung.jpg|Silicon Barren

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Siehe auch

• Monokristallenes Silikon
• Bridgman-Stockbarger Technik
• Mit der Hin- und Herbewegungzonensilikon
• Lasererhitztes Sockel-Wachstum

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• Das Mikroziehen Unten

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Links

• Zwei Wachstumstechniken für monokristallenes Silikon, Czochralski gegen die Zone der Hin- und Herbewegung
• Doping von Czochralski bearbeitet