Derzeit nehmen Siliziummaterialien im Bereich Halbleiter und Solarenergie noch eine bedeutende Stellung ein. Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie hat der Produktionsprozess von integrierten Schaltkreisen und Solarzellen neue Anforderungen an Siliziummaterialien gestellt. Die Züchtungstechnologie von Silizium-Einkristallen mit großem Durchmesser und hoher Qualität hat sich zu einem Forschungs- und Entwicklungs-Hotspot im Bereich Halbleitermaterialien und Solarenergie entwickelt. Wenn der Durchmesser des Silizium-Einkristalls zunimmt, wird die Zufuhrmenge zunehmen, und auch der Tiegeldurchmesser und die Wärmefeldgröße werden entsprechend zunehmen, was zwangsläufig zu einer verstärkten Wärmekonvektion in der Schmelze führen wird. Wenn der Kristall durch das herkömmliche Czochralski-Verfahren gezüchtet wird, ist die Schmelze anfällig für Wirbelströme, die Form der Fest-Flüssig-Grenzfläche, der Temperaturgradient und die Gleichmäßigkeit der Sauerstoffkonzentrationsverteilung sind schwierig zu kontrollieren und schwierig zu erreichen das Gleichgewicht der Punktfehler. Das Anlegen des Magnetfelds an den in Czochralski gezüchteten Einkristall kann die thermische Konvektion wirksam hemmen, den Gehalt an Verunreinigungen gleichmäßig verteilen und die Kristallqualität erheblich verbessern.PAM-XIAMEN kann magnetische Czochralski (MCZ)-Siliziumwafer liefern. Weitere Informationen zu unseren MCZ-Siliziumwafern finden Sie unterhttps://www.powerwaywafer.com/pam-xiamen-offers-mcz-silicon-ingot-and-silicon-wafer.html.
1. Magnetische Czochralski-Methoden
Je nachdem, ob die Magnetfeldrichtung parallel zur Wachstumsachse oder senkrecht zur Wachstumsachse verläuft, gibt es entsprechende Längsmagnetfeldverfahren und Quermagnetfeldverfahren. Um die inhärenten Mängel dieser beiden Magnetfelder zu überwinden, wurden auch verschiedene ungleichmäßig verteilte Magnetfelder entwickelt, wie z. B. ein Spitzenmagnetfeld. Die magnetische Czochralski-Methode ist wie folgt:
1.1 Transversales Magnetfeldverfahren
Der Einkristallofen ist zwischen den beiden Magnetpolen des transversalen Magnetfelds angeordnet, und die Magnetfeldlinien sind parallel, um die Silizium-Einkristallschmelze in dem Einkristallofen zu durchqueren, das heißt, die Magnetfeldlinien sind parallel zur radialen Richtung des Einkristalls, und die Magnetfeldlinien verlaufen durch den Ofenkörper, um ein magnetisches Ein transversales Magnetfeld zu bilden, wie in Abbildung 1 gezeigt. Es wurde festgestellt, dass das transversale Magnetfeld den Sauerstoffgehalt der Kristalle und die Kontamination verringern kann verursacht durch Verunreinigungen im Tiegel beim Kristallwachstum in größeren Schmelzen.
Abb.1 Schematische Darstellung des transversalen Magnetfelds
Beim transversalen Magnetfeldsystem (horizontales Magnetfeld) wird die Schmelzekonvektion in der Schmelze in axialer Richtung und senkrecht zur Magnetfeldrichtung unterdrückt, während die Schmelzekonvektion parallel zur Magnetfeldrichtung nicht beeinflusst wird. Das Czochralski-Czochralski-Transversalmagnetfeld kann einen Silizium-Einkristall mit geringerem Sauerstoffgehalt und besserer radialer Gleichmäßigkeit als das gewöhnliche Czochralski-Verfahren erhalten, aber es kann die Marangoni-Konvektion auf der Schmelzoberfläche nicht verhindern.
1.2 Längsmagnetfeldmethode
Durch Wickeln eines Elektromagneten außerhalb der Ofenkammer eines Einkristallofens kann ein Längsmagnetfeld (vertikales Magnetfeld) mit geringeren Kosten als ein Quermagnetfeld gebildet werden. Das schematische Diagramm ist in Abbildung 2 dargestellt.
Abb.2 Schematische Darstellung des Längsmagnetfeldes
Es wird berichtet, dass die Wirkung eines axialen Magnetfelds von 100 mT auf die radiale Verteilung von Sauerstoff und Phosphor in einkristallinem Silizium, das aus einer 3,5-kg-Schmelze gezüchtet wurde, und festgestellt wurde, dass der Sauerstoffgehalt in axialer Richtung zunahm, während die Gleichmäßigkeit des radialen spezifischen Widerstands abnahm . Die Gleichmäßigkeit des spezifischen Widerstands in axialer Richtung nimmt zu, und die Rotationsstreifen nehmen am Rand des Kristalls zu.
Im longitudinalen Magnetfeld wird die radiale Schmelzekonvektion unterdrückt, aber die axiale Schmelzekonvektion wird nicht beeinflusst. Es findet ein direkter Sauerstofftransport vom Boden des Quarztiegels zur Grenzfläche zwischen Kristall und geschmolzenem Silizium statt, was schwierig ist, den Sauerstoffgehalt im Kristall zu kontrollieren. Die radiale Verteilung von Dotierstoffen in Kristallen, die mit der longitudinalen magnetischen Czochralski-Technik gezüchtet wurden, ist inhomogener, und der Sauerstoffgehalt ist höher als ohne Magnetfeld; außerdem wird die Schmelzkonvektion an der Grenzfläche Kristall/geschmolzenes Silizium unterdrückt.
1.3 Cusp-Magnetfeldmethode
Um die Beschränkungen der oben genannten zwei angewendeten magnetischen Czochralski-Felder zu überwinden, wurden verschiedene ungleichförmige Magnetfelder entwickelt, von denen eines das Cusp-Magnetfeld ist (wie in Fig. 3 gezeigt). Dieses Magnetfeldsystem besteht aus zwei Sätzen paralleler supraleitender Spulen, die koaxial zum Kristall angeordnet sind. Die beiden Spulen leiten Ströme in entgegengesetzte Richtungen und bilden ein symmetrisch verteiltes Magnetfeld mit „spitzem Winkel“ in der Mitte der beiden Spulensätze, so dass die Fest-Flüssig-Grenzfläche während des Wachstums des Silizium-Einkristalls auf der Symmetrieebene liegt zwischen den beiden Spulensätzen. Es ist relativ einfach, eine spitze Magnetfeldausrüstung in einem großen Einkristall-Magnet-Czochralski-Ofen zu installieren. Sowohl Theorie als auch Experiment zeigen, dass der Sauerstoffgehalt bei niedrigen Magnetfeldern schnell abnimmt.
Abb. 3 Schematische Darstellung des Cusp-Magnetfelds
In dem magnetischen Czochralski-Wachstumssystem, das das Cusp-Magnetfeld verwendet, befindet sich die Grenzfläche zwischen Kristall und geschmolzenem Silizium auf der Symmetrieebene des symmetrisch verteilten Magnetfelds, das von den beiden Spulenwicklungen erzeugt wird. Daher ist während des magnetischen Czochralski-Kristallzüchtungsprozesses die magnetische Feldstärke an der Grenzfläche zwischen Kristall und geschmolzenem Silizium sehr gering, und die Hemmwirkung auf die erzwungene Konvektion, die durch die Kristalldrehung verursacht wird, ist gering, und die Dicke der Grenzschicht auf der Fest-Flüssig-Grenzfläche ist entsprechend klein.
Die Verteilungseigenschaft des Spitzenmagnetfelds besteht darin, dass die Magnetfeldstärke in der Nähe der Innenfläche des Quarztiegels senkrecht zur Oberfläche des Quarztiegels ist, sodass die thermische Konvektion in der Nähe der Tiegelwand verringert wird und die Grenzschicht und Dicke von des geschmolzenen Siliziums in der Nähe der Quarztiegelwand erhöht. Die Korrosionsrate des Tiegels wird verringert. Das geschmolzene Silizium im Tiegel steht in der Regel unter einem starken Magnetfeld, die Stärke der Schmelzekonvektion im Tiegel lässt nach und es findet kein direkter Sauerstofftransport vom Boden des Quarztiegels zur Kristallgrenzfläche statt.
2. Vorteile der magnetischen Czochralski-Technologie
Gegenüber der CZ-Methode hat die MCZ-Methode folgende Vorteile:
1) Die Sauerstoffkonzentration kann in einem weiten Bereich gesteuert werden (2-20 ppm);
2) Der Sauerstoff und andere Verunreinigungen sind gleichmäßig verteilt;
3) Die Wahrscheinlichkeit von Kristalldefekten ist gering;
4) Der durch Wärmespannung verursachte Verzug ist gering.
3. Anwendungen von CZ- und MCZ-Siliziumwafern
Der großformatige schwer/leicht dotierte Czochralski-Silizium-Einkristallwafer, der durch flache Schulterexpansion und hohe Ziehgeschwindigkeit hergestellt wird, hat einen niedrigen Sauerstoff- und Kohlenstoffgehalt und eine hohe Minoritätsträgerlebensdauer und eignet sich für die Herstellung verschiedener integrierter Schaltkreise, Dioden, Trioden, Grün Energiesolarzellen usw. Spezielle Elemente wie Gallium (Ga) und Germanium (Ge) können dotiert werden, um Solarzellenmaterialien mit hoher Effizienz, Strahlungsbeständigkeit und Zerfallsschutz herzustellen, die für spezielle Geräte erforderlich sind.
Durch das magnetische Czochralski-Verfahren gewachsene Siliziumwafer mit niedrigem Sauerstoffgehalt und hoher Widerstandsgleichmäßigkeit sind jedoch für die Herstellung verschiedener integrierter Schaltungsvorrichtungen, verschiedener diskreter Vorrichtungen und Siliziummaterialien für sauerstoffarme Solarzellen geeignet.
Alles in allem sind die Anwendungen von MCZ-Silizium fast ähnlich wie bei CZ-Silizium, aber die Leistung von MCZ-Silizium ist besser als die von CZ-Silizium.
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