För närvarande har kiselmaterial fortfarande en stor ställning inom halvledare och solenergi. Med utvecklingen av vetenskap och teknik har produktionsprocessen av integrerade kretsar och solceller lagt fram nya krav på kiselmaterial. Tillväxtteknologin för enkristaller med stor diameter och högkvalitativ kisel har blivit en hotspot för forskning och utveckling inom området halvledarmaterial och solenergi. Om diametern på enkristallen av kisel ökar, kommer inmatningsmängden att öka, och degeldiametern och storleken på det termiska fältet kommer också att öka i enlighet därmed, vilket oundvikligen kommer att leda till intensifierad termisk konvektion i smältan. När kristallen odlas med den traditionella Czochralski-metoden är smältan benägen för virvelströmmar, formen på fast-vätskegränssnittet, temperaturgradienten och likformigheten i syrekoncentrationsfördelningen är svåra att kontrollera, och det är svårt att uppnå balansen mellan punktdefekter. Att applicera magnetfältet på den Czochralski-odlade enkristallen kan effektivt hämma den termiska konvektionen, göra föroreningsinnehållet jämnt fördelat och avsevärt förbättra kristallkvaliteten.PAM-XIAMEN kan leverera magnetiska Czochralski (MCZ) kiselwafers. Mer om våra MCZ silikonwafers, sehttps://www.powerwaywafer.com/pam-xiamen-offers-mcz-silicon-ingot-and-silicon-wafer.html.

1. Magnetiska Czochralski-metoder

Beroende på om magnetfältets riktning är parallell med tillväxtaxeln eller vinkelrät mot tillväxtaxeln, finns det motsvarande longitudinella magnetfältsmetod och tvärgående magnetfältsmetod. För att övervinna de inneboende bristerna hos dessa två magnetiska fält, har olika icke-likformigt fördelade magnetfält, såsom cusp magnetfält, också utvecklats. Den magnetiska czochralski-metoden är som följer:

1.1 Tvärgående magnetfältsmetod

Enkristallugnen är anordnad mellan de två magnetiska polerna i det tvärgående magnetfältet, och magnetfältslinjerna är parallella för att korsa kiselenkristallsmältan i enkristallugnen, det vill säga magnetfältslinjerna är parallella med den radiella riktningen av enkristallen, och magnetfältslinjerna passerar genom ugnskroppen för att bilda ett magnetiskt. Ett tvärgående magnetfält bildas, som visas i figur 1. Det har visat sig att det tvärgående magnetfältet kan minska syrehalten i kristallerna och föroreningen orsakas av föroreningar i degeln under kristalltillväxt i större smältor.

Fig.1 Schematiskt diagram över det tvärgående magnetfältet

I systemet med tvärgående magnetfält (horisontellt magnetfält) undertrycks smältkonvektionen i smältan i axiell riktning och vinkelrätt mot magnetfältets riktning, medan smältkonvektionen parallellt med magnetfältets riktning inte påverkas. Det tvärgående magnetiska fältet som appliceras Czochralski kan erhålla enkristall av kisel med lägre syrehalt och bättre radiell enhetlighet än vanlig Czochralski-metod, men den kan inte hämma Marangoni-konvektion på smältytan.

1.2 Longitudinell magnetfältsmetod

Genom att linda en solenoid utanför ugnskammaren i en enkristallugn kan ett longitudinellt magnetfält (vertikalt magnetfält) bildas till en lägre kostnad än ett tvärgående magnetfält. Det schematiska diagrammet visas i figur 2.

Fig. 2 Schematiskt diagram av longitudinellt magnetfält

Det har rapporterats att effekten av ett 100 mT axiellt magnetfält på den radiella fördelningen av syre och fosfor i enkristallkisel odlat från en 3,5 kg smälta, och fann att syrehalten ökade i axiell riktning, medan den radiella resistivitetens enhetlighet minskade . Resistivitetens enhetlighet i den axiella riktningen ökar, och rotationsfransarna ökar vid kanten av kristallen.

I det longitudinella magnetfältet undertrycks den radiella smältkonvektionen, men den axiella smältkonvektionen påverkas inte. Det sker direkt syretransport från botten av kvartsdegeln till gränsytan mellan kristall och smält kisel, vilket är svårt att kontrollera syrehalten i kristallen. Den radiella fördelningen av dopämnen i kristaller, som odlas med longitudinell magnetisk Czochralski-teknik, är mer inhomogen, och syrehalten är högre än utan magnetfält; dessutom undertrycks smältkonvektionen vid gränssnittet kristall/smält kisel.

1.3 Cusp magnetfältsmetod

För att övervinna begränsningarna hos de ovan angivna två magnetiska Czochralski-fälten har olika olikformiga magnetfält utvecklats, varav ett är det magnetiska cusp-fältet (som visas i figur 3). Detta magnetfältsystem består av två uppsättningar parallella supraledande spolar koaxiellt med kristallen. De två spolarna passerar strömmar i motsatta riktningar och bildar ett "skarpvinkel" symmetriskt fördelat magnetfält i mitten av de två uppsättningarna av spolar, så att fast-vätskegränssnittet under tillväxten av kisel enkristall är beläget på symmetriplanet mellan de två uppsättningarna spolar. Det är relativt enkelt att installera magnetfältsutrustning med skarp vinkel i en stor enkristallmagnetisk Czochralski-ugn. Både teori och experiment visar att syrehalten minskar snabbt vid låga magnetfält.

Fig.3 Schematiskt diagram av Cusps magnetfält

I det magnetiska Czochralski-tillväxtsystemet som använder cusp-magnetfältet, är gränssnittet mellan kristall och smält kisel på symmetriplanet för det symmetriskt fördelade magnetfält som genereras av de två spollindningarna. Därför, under den magnetiska Czochralski-kristalltillväxtprocessen, är magnetfältstyrkan vid gränssnittet kristall/smält kisel mycket liten, och hämningseffekten på den forcerade konvektionen som orsakas av kristallrotationen är liten, och tjockleken på gränsskiktet på fast-vätskegränssnittet är motsvarande litet.

Fördelningskarakteristiken för det magnetiska fältet är att den magnetiska fältstyrkan nära den inre ytan av kvartsdegeln är vinkelrät mot ytan på kvartsdegeln, så den termiska konvektionen nära degelväggen reduceras, och gränsskiktet och tjockleken på det smälta kislet nära kvartsdegelns vägg ökas. Degelns korrosionshastighet reduceras. Det smälta kislet i degeln är vanligtvis under ett starkt magnetfält, styrkan hos smältkonvektionen i degeln minskar och det finns ingen direkt syretransport från kvartsdegelns botten till kristallgränsytan.

2. Fördelar med magnetisk Czochralski-teknik

Jämfört med CZ-metoden har MCZ-metoden följande fördelar:

1) Syrekoncentrationen kan kontrolleras inom ett brett område (2-20PPm);

2) Syret och andra föroreningar är jämnt fördelade;

3) Sannolikheten för kristalldefekter är liten;

4) Den skevhet som orsakas av termisk stress är liten.

3. Tillämpningar av CZ och MCZ Silicon Wafers

Den stora tunga/lättdopade Czochralski kisel-enkristallskivan framställd av platt axelexpansion och hög draghastighet har låg syre- och kolhalt och lång livslängd för minoritetsbärare och är lämplig för produktion av olika integrerade kretsar, dioder, trioder, grönt. energi solceller etc. Specialelement som gallium (Ga) och germanium (Ge) kan dopas för att producera solcellsmaterial med hög effektivitet, strålningsbeständighet och anti-sönderfall som krävs för speciella apparater.

Emellertid är kiselskivor med låg syrehalt och hög resistivitetslikformighet odlade med magnetisk Czochralski-process lämpliga för produktion av olika integrerade kretsenheter, olika diskreta enheter och kiselmaterial för solceller med låg syrehalt.

Sammantaget liknar tillämpningarna av MCZ-kisel nästan CZ-kisel, men prestandan för MCZ-kisel är bättre än CZ-kisel.

För mer information, vänligen kontakta oss maila påvictorchan@powerwaywafer.com och powerwaymaterial@gmail.com.