Atualmente, os materiais de silício ainda ocupam uma posição importante no campo de semicondutores e energia solar. Com o desenvolvimento da ciência e tecnologia, o processo de produção de circuitos integrados e células solares apresentou novos requisitos para materiais de silício. A tecnologia de crescimento de cristais únicos de silício de grande diâmetro e alta qualidade tornou-se um hotspot de pesquisa e desenvolvimento no campo de materiais semicondutores e energia solar. Se o diâmetro do cristal único de silício aumentar, a quantidade de alimentação aumentará e o diâmetro do cadinho e o tamanho do campo térmico também aumentarão de acordo, o que inevitavelmente levará a uma convecção térmica intensificada no fundido. Quando o cristal é cultivado pelo método tradicional de Czochralski, o fundido é propenso a correntes parasitas, a forma da interface sólido-líquido, o gradiente de temperatura e a uniformidade da distribuição da concentração de oxigênio são difíceis de controlar e é difícil alcançar o equilíbrio dos defeitos pontuais. A aplicação do campo magnético ao cristal único cultivado em Czochralski pode efetivamente inibir a convecção térmica, distribuir o conteúdo de impurezas uniformemente e melhorar significativamente a qualidade do cristal.A PAM-XIAMEN pode fornecer pastilhas de silício magnéticas Czochralski (MCZ). Mais sobre nossos wafers de silício MCZ, consultehttps://www.powerwaywafer.com/pam-xiamen-offers-mcz-silicon-ingot-and-silicon-wafer.html.

1. Métodos magnéticos de Czochralski

De acordo com se a direção do campo magnético é paralela ao eixo de crescimento ou perpendicular ao eixo de crescimento, existem métodos de campo magnético longitudinal correspondentes e método de campo magnético transversal. A fim de superar as deficiências inerentes a esses dois campos magnéticos, vários campos magnéticos não uniformemente distribuídos, como o campo magnético de cúspide, também foram desenvolvidos. O método magnético de czochralski é o seguinte:

1.1 Método do Campo Magnético Transversal

O forno de cristal único está disposto entre os dois pólos magnéticos do campo magnético transversal, e as linhas de campo magnético são paralelas para atravessar o fundido de cristal único de silício no forno de cristal único, ou seja, as linhas de campo magnético são paralelas à direção radial do cristal único, e as linhas de campo magnético passam pelo corpo do forno para formar um campo magnético Um campo magnético transversal é formado, como mostrado na Figura 1. Descobriu-se que o campo magnético transversal pode reduzir o conteúdo de oxigênio dos cristais e a contaminação causada por impurezas no cadinho durante o crescimento do cristal em fundidos maiores.

Fig.1 Diagrama Esquemático do Campo Magnético Transversal

No sistema de campo magnético transversal (campo magnético horizontal), a convecção de fusão na direção axial e perpendicular à direção do campo magnético é suprimida, enquanto a convecção de fusão paralela à direção do campo magnético não é afetada. O campo magnético transversal Czochralski aplicado pode obter um único cristal de silício com menor teor de oxigênio e melhor uniformidade radial do que o método Czochralski comum, mas não pode inibir a convecção de Marangoni na superfície do fundido.

1.2 Método do Campo Magnético Longitudinal

Ao enrolar um solenóide fora da câmara do forno de um único forno de cristal, um campo magnético longitudinal (campo magnético vertical) pode ser formado a um custo menor do que um campo magnético transversal. O diagrama esquemático é mostrado na Figura 2.

Fig.2 Diagrama Esquemático do Campo Magnético Longitudinal

É relatado que o efeito de um campo magnético axial de 100 mT na distribuição radial de oxigênio e fósforo em silício monocristalino crescido a partir de uma fusão de 3,5 kg, e descobriu que o teor de oxigênio aumentou na direção axial, enquanto a uniformidade de resistividade radial diminuiu . A uniformidade da resistividade na direção axial aumenta e as franjas rotacionais aumentam na borda do cristal.

No campo magnético longitudinal, a convecção radial do fundido é suprimida, mas a convecção axial do fundido não é afetada. Há transporte direto de oxigênio do fundo do cadinho de quartzo para a interface cristal/silício fundido, o que dificulta o controle do conteúdo de oxigênio no cristal. A distribuição radial de dopantes em cristais, que cresceram pela técnica magnética longitudinal de Czochralski, é mais heterogênea, e o teor de oxigênio é maior do que sem campo magnético; além disso, a convecção de fusão na interface cristal/silício fundido é suprimida.

1.3 Método do Campo Magnético da Cúspide

A fim de superar as limitações dos dois campos magnéticos de Czochralski aplicados acima, vários campos magnéticos não uniformes foram desenvolvidos, um dos quais é o campo magnético de cúspide (como mostrado na Figura 3). Este sistema de campo magnético consiste em dois conjuntos de bobinas supercondutoras paralelas coaxiais com o cristal. As duas bobinas passam correntes em direções opostas, formando um campo magnético de “ângulo agudo” simetricamente distribuído no meio dos dois conjuntos de bobinas, de modo que a interface sólido-líquido durante o crescimento do monocristal de silício esteja localizada no plano de simetria entre os dois conjuntos de bobinas. É relativamente simples instalar equipamentos de campo magnético de ângulo agudo em grandes fornos magnéticos de cristal único Czochralski. Tanto a teoria quanto o experimento mostram que o conteúdo de oxigênio diminui rapidamente em campos magnéticos baixos.

Fig.3 Diagrama Esquemático do Campo Magnético da Cúspide

No sistema de crescimento magnético de Czochralski usando o campo magnético de cúspide, a interface cristal/silício fundido está no plano de simetria do campo magnético distribuído simetricamente gerado pelos dois enrolamentos da bobina. Portanto, durante o processo de crescimento do cristal magnético de Czochralski, a força do campo magnético na interface cristal/silício fundido é muito pequena, e o efeito de inibição na convecção forçada causada pela rotação do cristal é pequeno, e a espessura da camada limite no interface sólido-líquido é correspondentemente pequeno.

A característica de distribuição do campo magnético da cúspide é que a força do campo magnético perto da superfície interna do cadinho de quartzo é perpendicular à superfície do cadinho de quartzo, de modo que a convecção térmica perto da parede do cadinho é reduzida e a camada limite e a espessura do cadinho de quartzo o silício fundido perto da parede do cadinho de quartzo são aumentados. A taxa de corrosão do cadinho é reduzida. O silício fundido no cadinho está geralmente sob um forte campo magnético, a força da convecção do fundido no cadinho diminui e não há transporte direto de oxigênio do fundo do cadinho de quartzo para a interface do cristal.

2. Vantagens da Tecnologia Magnética Czochralski

Comparado com o método CZ, o método MCZ tem as seguintes vantagens:

1) A concentração de oxigênio pode ser controlada em uma ampla faixa (2-20PPm);

2) O oxigênio e outras impurezas são distribuídos uniformemente;

3) A probabilidade de defeitos nos cristais é pequena;

4) O empenamento causado pelo estresse térmico é pequeno.

3. Aplicações de bolachas de silício CZ e MCZ

O wafer de cristal único de silício Czochralski pesado/levemente dopado de tamanho grande preparado por expansão de ombro plano e alta velocidade de tração tem baixo teor de oxigênio e carbono e alta vida útil do portador minoritário e é adequado para a produção de vários circuitos integrados, diodos, triodos, verde células solares de energia, etc. Elementos especiais como gálio (Ga) e germânio (Ge) podem ser dopados para produzir materiais de células solares com alta eficiência, resistência à radiação e antideterioração necessários para dispositivos especiais.

No entanto, pastilhas de silício com baixo teor de oxigênio e alta uniformidade de resistividade cultivadas pelo processo magnético de Czochralski são adequadas para a produção de vários dispositivos de circuito integrado, vários dispositivos discretos e materiais de silício para células solares de baixo oxigênio.

Em suma, as aplicações do silício MCZ são quase semelhantes ao silício CZ, mas o desempenho do silício MCZ é melhor do que o silício CZ.

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