Rincian Blog

Mengapa Kekotoran Terpisah SelamaSilicon Kristal TunggalPertumbuhan?

Untuk mengontrol sifat listrik semikonduktor, jumlah jejak unsur Grup III (seperti gallium) atau unsur Grup V (seperti fosfor) sengaja dimasukkan ke dalam silikon.Grup III dopan bertindak sebagai penerima elektron di silikon, menghasilkan lubang bergerak dan membentuk pusat bermuatan positif; ini disebut sebagaikotoran penerimaataudopan tipe pGrup V dopant, di sisi lain, menyumbangkan elektron ketika di ionkan dalam silikon, menghasilkan elektron mobile dan membentuk pusat bermuatan negatif; ini dikenal sebagaikotoran donoratauDopan tipe n.

Selain pengenalan yang disengaja dari unsur dopan, kotoran lain yang tidak disengaja tidak dapat dihindari diperkenalkan selama proses pertumbuhan kristal.Kecemasan ini dapat berasal dari pemurnian bahan baku yang tidak lengkap, termal dekomposisi dari crevice pada suhu tinggi, atau kontaminasi dari lingkungan pertumbuhan.Bahkan jumlah jejak kotoran dapat secara signifikan mengubah sifat fisik dan listrik kristalOleh karena itu, sangat penting untuk memahami bagaimana kotoran didistribusikan dalam peleburan selama pertumbuhan kristal, serta faktor kunci yang mempengaruhi distribusi kotoran.Dengan memperjelas hukum distribusi ini, kondisi produksi dapat dioptimalkan untuk memproduksi silikon kristal tunggal dengan konsentrasi kotoran yang seragam.

Pemisahan dan Pengangkutan Kekotoran di Silicon Melt

Karena fenomenapemisahan kotoran, kotoran dalam cair silikon tidak terdistribusi secara merata di sepanjang panjang batangan silikon kristal tunggal yang tumbuh. Sebaliknya, konsentrasi mereka bervariasi dengan posisi spasial di sepanjang kristal.Transportasi kotoran dalam peleburan silikon terutama diatur oleh dua mekanisme:

1. Transportasi difusifdidorong oleh gradien konsentrasi, dan

2. Transportasi konveksiDiinduksi oleh aliran lebur makroskopis.

Dalam pertumbuhan kristal Czochralski, konveksi alami dan paksa umumnya ada di crevice.Pemanas utama biasanya terletak di sepanjang dinding samping creviceKarena ekspansi termal, perbedaan kepadatan muncul dalam peleburan, dan kekuatan daya apung yang dihasilkan oleh variasi kepadatan ini mendorongkonveksi alami.

Untuk menjaga keseragaman kotoran dan menstabilkan medan termal, kristal yang tumbuh dan crevice diputar pada kecepatan sudut yang ditentukan.Rotasi menghasilkan kekuatan inersia dalam peleburan, dan ketika kekuatan inersia ini mengatasi kekuatan kental,konveksi paksaAkibatnya, distribusi konsentrasi zat terlarut dalam kristal sangat dipengaruhi oleh konveksi alami dan paksa dalam peleburan.

Dasar Termodinamika Segregasi Kekotoran

Pertumbuhan silikon kristal tunggal adalah proses yang relatif lambat dan dapat, dengan pendekatan yang baik, diperlakukan sebagai terjadi di bawah kondisi keseimbangan hampir termodinamika.keseimbangan antara fase padat dan fase cair pada antarmuka padat-cair dapat diterapkan.

Jika konsentrasi zat terlarut keseimbangan dalam padat pada antarmuka ditandai sebagaiC0C_{s0}Cs0Aku tidak tahu., dan bahwa dalam cairan adalahKeluarlah dari sini.CL0Aku tidak tahu., yangKoefisien pemisahan keseimbangandidefinisikan sebagai:

k0=Cs0CL0k_0 = frac{C_{s0}}{C_{L0}}k0Aku tidak tahu.=CL0Aku tidak tahu.Cs0Aku tidak tahu.Aku tidak tahu.

Hubungan ini selalu berlaku pada antarmuka padat fluid di bawah kondisi keseimbangan.K0k_0k0Aku tidak tahu.Misalnya, koefisien segregasi fosfor adalah sekitar 0.35, sedangkan oksigen adalah sekitar 1.27.

• Kapan?$k0<1$, zat terlarut lebih disukai ditolak ke dalam lebur selama pengerasan.Keluarlah dari sini.CL0Aku tidak tahu.terus meningkat.K0k_0k0Aku tidak tahu.tetap konstan, konsentrasi zat terlarut dalam kristalC0C_{s0}Cs0Aku tidak tahu.Akibatnya, kotoran tersebut menunjukkankonsentrasi rendah di kepala dan konsentrasi tinggi di ekorFosfor biasanya menunjukkan perilaku distribusi ini.

• Kapan?$k0>1$, larutan lebih disukai dimasukkan ke dalam padatan daripada tetap berada dalam peleburan.yang pada gilirannya menyebabkan konsentrasi zat terlarut dalam kristal menurunDalam hal ini, distribusi kotoran menunjukkankonsentrasi tinggi di kepala dan konsentrasi rendah di ekordari ingot.

Peran Pengangkutan Massal dan Konveksi

Distribusi kotoran akhir dalam kristal ditentukan oleh transportasi kotoran dalam peleburan silikon selama pengerasan.Sebuah model keseimbangan termodinamika murni tidak cukup untuk sepenuhnya menjelaskan distribusi larutOleh karena itu, model fisik pertumbuhan kristal juga harus dipertimbangkan.

Dalam pertumbuhan kristal yang sebenarnya, antarmuka tidak maju dengan sangat lambat tetapi tumbuh pada tingkat terbatas.difusi larutSelain itu, pertumbuhan kristal terjadi dalam medan gravitasi dan selalu disertai dengan konveksi alami.Pemberantasan paksa diperkenalkan dengan rotasi kristal dan crepitAkibatnya, keduanyadifusi dan konveksiharus dipertimbangkan ketika menganalisis pemisahan kotoran.

Aliran lebur selama pertumbuhan kristal memastikan transportasi massa dari lebur bulk ke antarmuka padat – cair dan dengan demikian membatasi jumlah kotoran yang dapat dimasukkan ke dalam kristal.

Distribusi tak bersih sumbu danPersamaan Gulliver-Scheil

Mekanisme gabungan ini menyebabkan distribusi kotoran yang tidak seragam di sepanjang arah aksial kristal.

• sistem tertutup tanpa penguapan atau difusi keadaan padat dari dopan,

• dan pencampuran cair yang cukup kuat untuk memastikan konsentrasi larut yang seragam dalam cair,

distribusi kotoran di sepanjang kristal mengeras dijelaskan olehPersamaan Gulliver-Scheil:

CS=C0 keff (1−fS)keff−1C_S = C_0, k_{text{eff}}, (1 - f_S) ^{k_{text{eff}} - 1}CSAku tidak tahu.=C0Aku tidak tahu.keffAku tidak tahu.(1−fSAku tidak tahu.)keffAku tidak tahu.−1

dimana:

• CSC_SCSAku tidak tahu.adalah konsentrasi kotoran dalam silikon kristal tunggal,

• C0C_0C0Aku tidak tahu.adalah konsentrasi impuritas awal dalam peleburan sebelum pengerasan,

• FFS_SfSAku tidak tahu.adalah fraksi material yang telah mengeras, dan

• Keffk_{text{eff}}keffAku tidak tahu.adalahKoefisien pemisahan efektif, didefinisikan sebagai rasio konsentrasi kotoran dalam padatanCSC_SCSAku tidak tahu.untuk yang di leburCLC_LCLAku tidak tahu..

Koefisien pemisahan efektifKeffk_{text{eff}}keffAku tidak tahu.tergantung pada koefisien segregasi keseimbanganK0k_0k0Aku tidak tahu.(misalnya,$k0=0.35$untuk fosfor), koefisien difusi kotoranDDDdalam peleburan, tingkat pertumbuhan kristalvvv, dan ketebalan lapisan batas larutδdeltaδpada solid ¦liquid interface.