초크랄스키법

결정화
기초
크리스탈 · 결정 구조 · 핵생성
개념
결정화 · 결정 성장 재결정 · 종자 결정 프로토크리스탈린 · 단결정
방법 및 테크놀로지
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Czochralski 방법(Czochralski 기술 또는 Czochralski 공정)은 반도체(실리콘, 게르마늄, 갈륨 비소화물), 금속(팔라듐, 백금, 은, 소금 및 합성 원석)의 단일 결정을 얻기 위해 사용되는 결정 성장 방법입니다.이 방법은 1915년 ^[2]금속의 결정화 속도를 조사하던 중 이 방법을 발명한 폴란드 과학자 얀 ^[1]치흐랄스키의 이름을 딴 것이다.그는 우연히 이 사실을 발견했다: 그는 펜을 잉크통에 담그는 대신 녹은 양철에 담그고 주석 필라멘트를 그렸는데, 이것은 나중에 단일 ^[3]결정으로 판명되었다.

가장 중요한 응용 분야는 집적회로와 같은 반도체 장치를 만드는 데 사용되는 단결정 실리콘의 큰 원통형 잉곳 또는 불(boule)의 성장일 수 있습니다.이 경우 Bridgman-Stockbarger 방법을 사용하여 더 낮은 결함 밀도를 얻을 수 있지만, 갈륨 비소화물과 같은 다른 반도체도 이 방법으로 재배할 수 있습니다.

이 방법은 금속 또는 금속 결정의 생산에만 국한되지 않습니다.예를 들어,^[4] 금속 이온과 제조 과정에서 흡수되는 물에 대한 엄격한 제어(10억분의 1 측정)를 통해 입자 물리학 실험에 사용할 수 있도록 제어된 동위원소 조성을 가진 물질을 포함한 매우 순도가 높은 소금 결정을 제조하는 데 사용됩니다.

어플

Czochralski법에 의해 성장한 단결정 실리콘(모노-Si)은 종종 단결정 Cz-Si라고 불립니다.컴퓨터, TV, 휴대전화 및 모든 종류의 전자기기 및 반도체 ^[5]장치에 사용되는 집적회로 생산의 기본 재료입니다.단결정 실리콘은 기존의 단결정 태양전지 생산에도 태양광 산업에 의해 대량으로 사용되고 있다.거의 완벽한 결정 구조는 실리콘의 빛 대 전기 변환 효율을 가장 높입니다.

초크랄스키 실리콘 제조

고순도 반도체 등급 실리콘(불순물 100만분의 몇 ppm)을 도가니에서 1,425°C(2,597°F; 1,698K)로 녹입니다. 보통 석영으로 만들어집니다.용융 실리콘에 붕소나 인 등의 도판트 불순물 원자를 정밀한 양으로 첨가하여 실리콘을 도핑할 수 있으므로 전자 특성이 다른 p형 또는 n형 실리콘으로 바꿀 수 있다.용융 실리콘에 정밀하게 배향된 로드 장착 종자 결정을 침지한다.시드 결정의 로드가 천천히 위로 당겨지는 동시에 회전합니다.온도구배, 당기는 속도 및 회전속도를 정밀하게 제어함으로써 용융액에서 큰 단결정 원통형 잉곳 추출이 가능하다.결정 성장 ^[6]과정 중에 온도 및 속도 필드를 조사하고 시각화함으로써 용융액에서 원치 않는 불안정성의 발생을 방지할 수 있다.이 과정은 보통 아르곤과 같은 불활성 분위기에서 석영과 같은 불활성 챔버에서 수행됩니다.

결정 크기

규모의 효율성으로 인해 반도체 업계는 표준화된 치수 또는 일반적인 웨이퍼 사양의 웨이퍼를 사용하는 경우가 많습니다.초기에, 부울은 폭이 몇 cm로 작았다.첨단 기술로 고급 장치 제조업체들은 직경 200mm와 300mm의 웨이퍼를 사용합니다.폭은 온도, 회전 속도 및 시드 홀더를 빼내는 속도를 정밀하게 제어하여 제어한다.웨이퍼를 슬라이스하는 크리스털 잉곳은 길이가 최대 2m, 무게가 수백kg까지 나갈 수 있습니다.웨이퍼가 클수록 각 웨이퍼에서 더 많은 칩을 제작할 수 있고 상대적인 손실도 줄어들기 때문에 실리콘 웨이퍼 크기를 늘리기 위한 꾸준한 추진력이 있었습니다.다음 단계인 450mm는 현재 ^[7]2018년에 도입될 예정이다.실리콘 웨이퍼의 두께는 일반적으로 0.2~0.75mm이며 집적회로를 만들기 위해 광택이 나거나 태양전지를 만들기 위해 질감을 낼 수 있습니다.

이 과정은 챔버를 약 1500℃로 가열하여 실리콘을 녹일 때 시작됩니다.실리콘이 완전히 녹으면 회전축 끝에 장착된 작은 종자 결정이 용해된 실리콘 표면 바로 아래에 가라앉을 때까지 천천히 내려갑니다.샤프트는 시계 반대 방향으로 회전하고 도가니는 시계 방향으로 회전합니다^{[citation needed]}.회전 로드는 루비^[8] 결정을 만들 때 시간당 약 25mm의 속도로 매우 천천히 위로 당겨져 대략 원통형 부울을 형성할 수 있습니다.도가니 내의 실리콘 양에 따라 부울은 1미터에서 2미터 사이일 수 있습니다.

실리콘의 전기적 특성은 실리콘이 녹기 전에 실리콘에 인이나 붕소와 같은 물질을 첨가함으로써 제어된다.첨가된 물질은 도판트라고 불리며 그 과정은 도핑이라고 불린다.이 방법은 비화 갈륨 등 실리콘 이외의 반도체 재료에도 사용된다.

불순물 혼입

실리콘을 Czochralski 방법으로 성장시키면 용해액은 실리카(석영) 도가니에 포함됩니다.성장 중에 도가니 벽은 용해되어 녹으며, 따라서 Czochralski 실리콘은 일반적으로⁻³
10cm의¹⁸
농도로 산소를 포함합니다.산소 불순물은 유익하거나 해로운 영향을 미칠 수 있다.신중하게 선택된 아닐 조건은 산소 침전물의 형성을 유발할 수 있습니다.이것들은 게터링이라고 알려진 공정에서 원치 않는 전이 금속 불순물을 가두는 효과가 있어 주변 실리콘의 순도를 향상시킵니다.그러나 의도하지 않은 위치에서 산소가 침전되면 전기 구조도 파괴될 수 있습니다.또한 산소 불순물은 장치 처리 중에 발생할 수 있는 전위를 고정시킴으로써 실리콘 웨이퍼의 기계적 강도를 향상시킬 수 있습니다.1990년대에 실험적으로 높은 산소 농도는 가혹한 방사선 환경(CERN의 LHC/HL-LHC 프로젝트 ^[9][10]등)에서 사용되는 실리콘 입자 검출기의 방사선 경도에도 유익하다는 것이 입증되었다.따라서 Czochralski와 자기 Czochralski-silicon으로 만들어진 방사선 검출기는 향후 많은 고에너지 물리학 ^[11][12]실험에 유망한 후보로 간주된다.또한 실리콘에 산소가 있으면 착상 후 아닐 과정에서 ^[13]불순물 포획이 증가하는 것으로 나타났습니다.

하지만, 산소 불순물은 태양 전지가 경험하는 것과 같은 조명 환경에서 붕소와 반응할 수 있습니다.이것은 전기적으로 활성화된 붕소-산소 복합체를 형성하여 세포 성능을 떨어뜨린다.광노출이 ^[14]처음 몇 시간 동안 모듈 출력이 약 3% 감소합니다.

수학적 형식

용융으로 ^[15]인한 불순물 혼입의 수학식과 관련하여 다음을 고려합니다.

체적 동결에 따른 고체 결정 중의 불순물 농도는 분리 계수를 고려하여 구할 수 있다.

${\displaystyle k_{}}$ O$(\$ 분리 계수

${\displaystyle {V\mathrm{}}_{}}$ 0$({$ 초기 볼륨

${\displaystyle {I\mathrm{}}_{}}$ 0$(\$ 불순물 수

${\displaystyle {C\mathrm{}}_{}}$ 0$(\$ : 용융 중의 불순물 농도

${\displaystyle V_{}}$ L$${ $displaystyle V$_ { $L$}$$} : 녹는 부피

${\displaystyle I_{}}$ L$(\$L$\})$ : 용융물의 불순물 수

${\displaystyle C_{}}$L { $displaystyle C_{L$ : 용융물의 불순물 농도

${\displaystyle V_{}}$ S$(\$S$\}):$ 솔리드 볼륨

${\displaystyle C_{}}$ S$${ $displaystyle C_{S$ : 고체 중 불순물 농도

성장과정에서 $용융{\displaystyle }$ $(\displaystyle dV)$의 부피가 동결되어 용융에서 제거되는 불순물이 있습니다.

${\displaystyle dI=-k_{O}C_{L}dV\;}$

${\displaystyle dI=-k_{O}{\frac {I_{L}}{V_{O}-V_{S}}dV}$

${\displaystyle\int_{I_{O}}^{I_{L}}{\frac {dI}{I_{L}}=-k_{O}\int _{0}^{V_{S}}{\frac {dV}{V_{O}-V_{S}}}}$

$\displaystyle \ln \leftfac {I_{O}}\right}=\ln \left(1-{\frac {V_{S}}{V_{O}}}\right)^{k_{O}}}$

${\displaystyle I_{L}=I_{O}\left(1-{\frac {V_{S}}}{V_{O}}\오른쪽)^{k_{O}}}$

${\displaystyle C_{S}=-{\frac {dI_{L}}{dV_{S}}}}}:$

${\displaystyle C_{S}=C_{O}k_{O}(1-f)^{k_{o}-1}$

${\displaystyle f=V_{S}/V_{O}\;}$

「 」를 참조해 주세요.

• 플로트존 실리콘

레퍼런스

외부 링크

• 조크랄스키 도핑법
• 유튜브 실리콘 웨이퍼 가공 애니메이션