Méthode magnétique de Czochralski (MCZ)

Méthode magnétique de Czochralski (MCZ)

A l'heure actuelle, les matériaux silicium occupent encore une place majeure dans le domaine des semi-conducteurs et de l'énergie solaire. Avec le développement de la science et de la technologie, le processus de production de circuits intégrés et de cellules solaires a mis en avant de nouvelles exigences pour les matériaux en silicium. La technologie de croissance des monocristaux de silicium de grand diamètre et de haute qualité est devenue un point chaud de la recherche et du développement dans le domaine des matériaux semi-conducteurs et de l'énergie solaire. Si le diamètre du monocristal de silicium augmente, la quantité d'alimentation augmentera, et le diamètre du creuset et la taille du champ thermique augmenteront également en conséquence, ce qui conduira inévitablement à une convection thermique intensifiée dans la masse fondue. Lorsque le cristal est développé par la méthode traditionnelle de Czochralski, la masse fondue est sujette aux courants de Foucault, la forme de l'interface solide-liquide, le gradient de température et l'uniformité de la distribution de la concentration en oxygène sont difficiles à contrôler, et il est difficile d'atteindre l'équilibre des défauts ponctuels. L'application du champ magnétique au monocristal développé par Czochralski peut inhiber efficacement la convection thermique, répartir uniformément la teneur en impuretés et améliorer considérablement la qualité du cristal.PAM-XIAMEN peut fournir des plaquettes de silicium magnétiques Czochralski (MCZ). Pour en savoir plus sur nos plaquettes de silicium MCZ, veuillez consulterhttps://www.powerwaywafer.com/pam-xiamen-offers-mcz-silicon-ingot-and-silicon-wafer.html.

1. Méthodes magnétiques de Czochralski

Selon que la direction du champ magnétique est parallèle à l'axe de croissance ou perpendiculaire à l'axe de croissance, il existe une méthode de champ magnétique longitudinal et une méthode de champ magnétique transversal correspondantes. Afin de surmonter les défauts inhérents à ces deux champs magnétiques, divers champs magnétiques distribués de manière non uniforme, tels qu'un champ magnétique cusp, ont également été développés. La méthode de czochralski magnétique est la suivante :

1.1 Méthode du champ magnétique transversal

Le four monocristallin est disposé entre les deux pôles magnétiques du champ magnétique transversal, et les lignes de champ magnétique sont parallèles pour traverser le monocristal de silicium fondu dans le four monocristallin, c'est-à-dire que les lignes de champ magnétique sont parallèles à la direction radiale du monocristal, et les lignes de champ magnétique traversent le corps du four pour former un magnétique Un champ magnétique transversal est formé, comme illustré à la figure 1. Il a été constaté que le champ magnétique transversal peut réduire la teneur en oxygène des cristaux et la contamination causée par des impuretés dans le creuset lors de la croissance des cristaux dans des masses fondues plus grandes.

Fig.1 Diagramme schématique du champ magnétique transversal de Czochralski

Fig.1 Diagramme schématique du champ magnétique transversal

Dans le système de champ magnétique transversal (champ magnétique horizontal), la convection de fusion dans la masse fondue dans la direction axiale et perpendiculaire à la direction du champ magnétique est supprimée, tandis que la convection de fusion parallèle à la direction du champ magnétique n'est pas affectée. Le champ magnétique transversal appliqué par Czochralski peut obtenir un monocristal de silicium avec une teneur en oxygène inférieure et une meilleure uniformité radiale que la méthode Czochralski ordinaire, mais il ne peut pas inhiber la convection de Marangoni sur la surface de fusion.

1.2 Méthode du champ magnétique longitudinal

En enroulant un solénoïde à l'extérieur de la chambre du four d'un four monocristallin, un champ magnétique longitudinal (champ magnétique vertical) peut être formé à moindre coût qu'un champ magnétique transversal. Le schéma de principe est illustré à la figure 2.

Fig.2 Diagramme schématique du champ magnétique longitudinal

Fig.2 Diagramme schématique du champ magnétique longitudinal

Il est rapporté que l'effet d'un champ magnétique axial de 100 mT sur la distribution radiale de l'oxygène et du phosphore dans le silicium monocristallin issu d'une masse fondue de 3,5 kg, et a constaté que la teneur en oxygène augmentait dans la direction axiale, tandis que l'uniformité radiale de la résistivité diminuait . L'uniformité de résistivité dans la direction axiale augmente et les franges de rotation augmentent au bord du cristal.

Dans le champ magnétique longitudinal, la convection radiale de fusion est supprimée, mais la convection axiale de fusion n'est pas affectée. Il y a transport direct d'oxygène du fond du creuset en quartz vers l'interface cristal/silicium fondu, ce qui rend difficile le contrôle de la teneur en oxygène dans le cristal. La distribution radiale des dopants dans les cristaux, qui ont grandi par la technique magnétique longitudinale de Czochralski, est plus inhomogène, et la teneur en oxygène est plus élevée que celle sans champ magnétique; de plus, la convection de masse fondue à l'interface cristal/silicium fondu est supprimée.

1.3 Méthode du champ magnétique Cusp

Afin de surmonter les limitations des deux champs magnétiques Czochralski ci-dessus appliqués, divers champs magnétiques non uniformes ont été développés, dont l'un est le champ magnétique cusp (comme illustré à la figure 3). Ce système de champ magnétique se compose de deux ensembles de bobines supraconductrices parallèles coaxiales avec le cristal. Les deux bobines font passer des courants dans des directions opposées, formant un champ magnétique à «angle vif» distribué symétriquement au milieu des deux ensembles de bobines, de sorte que l'interface solide-liquide pendant la croissance du monocristal de silicium se situe sur le plan de symétrie entre les deux ensembles de bobines. Il est relativement simple d'installer un équipement de champ magnétique à angle aigu dans un grand four Czochralski magnétique monocristallin. La théorie et l'expérience montrent que la teneur en oxygène diminue rapidement à des champs magnétiques faibles.

Fig.3 Diagramme schématique du champ magnétique Cusp

Fig.3 Diagramme schématique du champ magnétique Cusp

Dans le système de croissance magnétique de Czochralski utilisant le champ magnétique cusp, l'interface cristal/silicium fondu se trouve sur le plan de symétrie du champ magnétique distribué symétriquement généré par les deux enroulements de bobine. Par conséquent, pendant le processus de croissance magnétique des cristaux de Czochralski, l'intensité du champ magnétique à l'interface cristal/silicium fondu est très faible, et l'effet d'inhibition sur la convection forcée causée par la rotation du cristal est faible, et l'épaisseur de la couche limite sur le l'interface solide-liquide est donc petite.

La caractéristique de distribution du champ magnétique de pointe est que l'intensité du champ magnétique près de la surface intérieure du creuset en quartz est perpendiculaire à la surface du creuset en quartz, de sorte que la convection thermique près de la paroi du creuset est réduite, et la couche limite et l'épaisseur de le silicium fondu près de la paroi du creuset en quartz sont augmentés. La vitesse de corrosion du creuset est réduite. Le silicium fondu dans le creuset est généralement sous un fort champ magnétique, la force de la convection de fusion dans le creuset diminue et il n'y a pas de transport direct d'oxygène du fond du creuset en quartz à l'interface cristalline.

2. Avantages de la technologie magnétique Czochralski

Par rapport à la méthode CZ, la méthode MCZ présente les avantages suivants :

1) La concentration en oxygène peut être contrôlée dans une large gamme (2-20PPm);

2) L'oxygène et les autres impuretés sont uniformément répartis ;

3) La probabilité de défauts cristallins est faible ;

4) Le gauchissement causé par le stress thermique est faible.

3. Applications des plaquettes de silicium CZ et MCZ

La plaquette monocristalline de silicium Czochralski lourde/légèrement dopée de grande taille préparée par expansion d'épaulement plat et vitesse de traction élevée a une faible teneur en oxygène et en carbone et une durée de vie de porteur minoritaire élevée, et convient à la production de divers circuits intégrés, diodes, triodes, vert cellules solaires énergétiques, etc. Des éléments spéciaux tels que le gallium (Ga) et le germanium (Ge) peuvent être dopés pour produire des matériaux de cellules solaires à haut rendement, résistants aux radiations et anti-désintégration nécessaires pour des dispositifs spéciaux.

Cependant, les tranches de silicium à faible teneur en oxygène et à haute uniformité de résistivité développées par le procédé magnétique Czochralski conviennent à la production de divers dispositifs de circuits intégrés, de divers dispositifs discrets et de matériaux en silicium pour cellules solaires à faible teneur en oxygène.

Dans l'ensemble, les applications du silicium MCZ sont presque similaires à celles du silicium CZ, mais les performances du silicium MCZ sont meilleures que celles du silicium CZ.

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