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Unter Wärmebehandlung versteht man die Wärmebehandlung von Silizium-Einkristallen (oder Silizium-Wafern) über einen bestimmten Zeitraum bei einer bestimmten Temperatur und Schutzatmosphäre mit dem Ziel, deren Leistung zu verbessern. Die Wärmebehandlung erfolgt üblicherweise in einem mit Stickstoff oder Argongas geschützten Wärmebehandlungsofen. Die typischen Wärmebehandlungsmethoden für Silizium-Einkristalle (oder Silizium-Wafer) sind wie folgt:
1. EliminierenThermalDOnorsim Siliziumwafer
Während des Abkühlprozesses von monokristallinem Silizium, das mit der Czochralski-Methode gezüchtet wurde, auf Raumtemperatur erzeugen Sauerstoffverunreinigungen im Körper thermische Donatoren im Temperaturbereich von 350–500 °C. 450 °C ist die effektivste Temperatur für die Bildung thermischer Donatoren. Nach 100-stündigem Glühen bei 450 Grad kann die Konzentration der thermischen Donatoren etwa 10 (16) cm-3 erreichen. Der Kopf von Czochralski-Siliziumkristallen bleibt während des Abkühlvorgangs am längsten im Temperaturbereich von etwa 450 °C und hat einen höheren Sauerstoffgehalt, sodass im Vergleich zum Schwanz mehr Wärmespender vorhanden sind. Thermische Donatoren können den spezifischen Widerstand von monokristallinem Silizium verzerren, was zu einer Verringerung des spezifischen Widerstands von n-Typ-Materialien und einer Erhöhung des spezifischen Widerstands von p-Typ-Materialien führt.
Im Allgemeinen wird eine Wärmebehandlung bei 650 °C für 30–60 Minuten durchgeführt, gefolgt von einer schnellen Abkühlung auf unter 300 °C, wodurch thermische Spender effektiv eliminiert werden können. Wenn die Abkühlgeschwindigkeit nicht schnell genug ist, bleibt ein kleiner Teil des Wärmespenders erhalten. Bei Einkristallstäben mit großem Durchmesser kann die durch schnelles Abkühlen erzeugte thermische Spannung zu Rissen in den Stäben führen. Daher ist es erforderlich, den spezifischen Widerstand des Siliziumwafers durch Ausheilen des Siliziumwafers wieder auf seinen ursprünglichen Wert zu bringen.
2. EliminierenNEutronIStrahlungDBildvon Siliziumwafern
Die Neutronenbestrahlungsdotierung kann zum Dotieren von monokristallinem FZ-Silizium mit hohem spezifischem Widerstand verwendet werden. Bei diesem Dotierungsprozess handelt es sich um einen Kernreaktionsprozess: Silizium besteht aus drei Isotopen: 28Si, 39Si und 30Si, wobei 30Si 3,09 % ausmacht; In einem Atomreaktor reagiert 30Si nach Neutronenbestrahlung von Si mit Neutronen zu einem instabilen Isotop 31Si mit einer Halbwertszeit von 2,6 Stunden, das dann in ein stabiles Phosphorisotop 31P zerfällt. Der Bestrahlungsprozess führt zu Gitterschäden im Siliziumkristall, die durch Hochtemperaturglühen beseitigt werden können. Die typische Glühtemperatur beträgt 750–850 °C und die Glühzeit beträgt 1–2 Stunden.
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