सिंगल-क्रिस्टल सिलिकॉन: विकास और गुण - ज्ञान

स्रोत:https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-48933-9_13

CZ MCZ Single crystal

सिलिकॉन, जो आने वाले कुछ समय के लिए सेमीकंडक्टर उद्योग में प्रमुख सामग्री रही है और बनी रहेगी[13.1], हमें अल्ट्रा-लार्ज-स्केल इंटीग्रेशन (ULSI) युग और सिस्टम-ओना-चिप (SOC) युग में ले जाएगा।

जैसे-जैसे इलेक्ट्रॉनिक उपकरण अधिक उन्नत होते गए हैं, उपकरण का प्रदर्शन गुणवत्ता और उनके निर्माण के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्रियों के गुणों के प्रति अधिक संवेदनशील हो गया है।

जर्मेनियम (जीई) मूल रूप से ठोस राज्य इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए असेमीकंडक्टर सामग्री के रूप में उपयोग किया गया था। हालांकि, जीई का संकीर्ण बैंडगैप (0.66 ईवी) जर्मेनियम-आधारित उपकरणों के संचालन को लगभग 90 के तापमान तक सीमित कर देता है।∘सी उच्च तापमान पर काफी रिसाव धाराओं के कारण। दूसरी ओर, सिलिकॉन (1.12 eV) का व्यापक बैंडगैप, इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में परिणत होता है जो अधिकतम तक काम करने में सक्षम होते हैं। $\approx 200^{\circ} C$ . हालांकि, संकीर्ण बैंडगैप की तुलना में एक और गंभीर समस्या है: जर्मेनियम सतह पर आसानी से अस्थिर निष्क्रियता परत प्रदान नहीं करता है। उदाहरण के लिए, जर्मेनियम डाइऑक्साइड (GeO .)2) पानी में घुलनशील है और लगभग 800 . पर अलग हो जाता है∘सी. सिलिकॉन, जर्मेनियम के विपरीत, सिलिकॉन डाइऑक्साइड (SiO .) बनाकर सतही निष्क्रियता को आसानी से समायोजित करता है2), जो अंतर्निहित डिवाइस को उच्च स्तर की सुरक्षा प्रदान करता है। यह स्थिर SiO2इलेक्ट्रॉनिक उपकरण निर्माण के लिए उपयोग की जाने वाली मूल अर्धचालक सामग्री के रूप में जर्मेनियम पर सिलिकॉन के लिए परत के परिणामस्वरूप निर्णायक लाभ होता है। इस लाभ ने कई नई तकनीकों को जन्म दिया है, जिसमें प्रसार डोपिंग की प्रक्रिया और जटिल पैटर्न को परिभाषित करना शामिल है। सिलिकॉन के अन्य लाभ यह हैं कि यह पूरी तरह से गैर-विषैला होता है, और वह सिलिका (SiO)2), कच्चा माल जिससे सिलिकॉन प्राप्त किया जाता है, में लगभग 60 . होता है%पृथ्वी की पपड़ी की खनिज सामग्री का। इसका तात्पर्य यह है कि कच्चा माल जिससे सिलिकॉन प्राप्त किया जाता है, एकीकृत परिपथ को भरपूर आपूर्ति में उपलब्ध है (I C) उद्योग। इसके अलावा, इलेक्ट्रॉनिक ग्रेड सिलिकॉन जर्मेनियम की लागत के दसवें हिस्से से भी कम पर प्राप्त किया जा सकता है। इन सभी लाभों के कारण सिलिकॉन ने अर्धचालक उद्योग में जर्मेनियम को लगभग पूरी तरह से बदल दिया है।

हालांकि सिलिकॉन हर इलेक्ट्रॉनिक उपकरण के लिए इष्टतम विकल्प नहीं है, इसके फायदे का मतलब है कि यह निश्चित रूप से कुछ समय के लिए अर्धचालक उद्योग पर हावी रहेगा।

13.1अवलोकन

1947 में बिंदु-संपर्क ट्रांजिस्टर के आविष्कार के बाद से अर्धचालक सामग्री के उपयोगकर्ताओं और निर्माताओं के बीच बहुत ही उपयोगी बातचीत हुई है, जब इसकी आवश्यकता थीउत्तम और शुद्धक्रिस्टल की पहचान की गई थी। प्रतिस्पर्धा अक्सर ऐसी होती थी कि नए उपकरणों द्वारा मांगे गए क्रिस्टल गुणवत्ता को इन नए उपकरणों के साथ निर्मित इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का उपयोग करके क्रिस्टल विकास को नियंत्रित करके ही पूरा किया जा सकता था। चूंकि अव्यवस्था मुक्त सिलिकॉन क्रिस्टल 1960 के दशक की शुरुआत में का उपयोग करके उगाए गए थेडैश तकनीक[13.2], सेमीकंडक्टर सामग्री अनुसंधान और विकासात्मक प्रयासों ने सामग्री शुद्धता, उत्पादन पैदावार, और उपकरण निर्माण से संबंधित समस्याओं पर ध्यान केंद्रित किया है।

सेमीकंडक्टर उपकरण और सर्किट विभिन्न प्रकार की यांत्रिक, रासायनिक, भौतिक और थर्मल प्रक्रियाओं का उपयोग करके बनाए जाते हैं। विशिष्ट अर्धचालक सिलिकॉन तैयारी प्रक्रियाओं के लिए प्रवाह आरेख अंजीर में दिखाया गया है।13.1. यांत्रिक और रासायनिक रूप से पॉलिश सतहों के साथ सिलिकॉन सिंगल-क्रिस्टल सबस्ट्रेट्स की तैयारी डिवाइस निर्माण की लंबी और जटिल प्रक्रिया में पहला कदम है।

Fig. 13.1 — चित्र 13.1
विशिष्ट अर्धचालक सिलिकॉन तैयारी प्रक्रियाओं के लिए प्रवाह आरेख। (उपरांत[13.1])

जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, सिलिकॉन पृथ्वी पर दूसरा सबसे प्रचुर तत्व है; 90 . से अधिक%पृथ्वी की पपड़ी सिलिका और सिलिकेट से बनी है। कच्चे माल की इस असीम आपूर्ति को देखते हुए, समस्या तब सिलिकॉन को अर्धचालक प्रौद्योगिकी के लिए आवश्यक उपयोगी अवस्था में बदलने की है। पहली और मुख्य आवश्यकता यह है कि इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए उपयोग किया जाने वाला सिलिकॉन अत्यंत शुद्ध होना चाहिए, क्योंकि बहुत कम मात्रा में कुछ अशुद्धियों का सिलिकॉन की इलेक्ट्रॉनिक विशेषताओं पर एक मजबूत प्रभाव पड़ता है, और इसलिए इलेक्ट्रॉनिक उपकरण का प्रदर्शन। दूसरी आवश्यकता बड़े व्यास के क्रिस्टल के लिए है, क्योंकि प्रति वेफर चिप की उपज बड़े व्यास के साथ काफी बढ़ जाती है, जैसा कि अंजीर में दिखाया गया है।13.2DRAM के मामले में [13.3], सबसे आम इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में से एक। शुद्धता और व्यास के अलावा, उत्पादन की लागत और सामग्री के विनिर्देशों, जिसमें विकसित दोष घनत्व और प्रतिरोधक एकरूपता शामिल है, को वर्तमान औद्योगिक मांगों को पूरा करना चाहिए।

Fig. 13.2 — चित्र 13.2
चिप्स प्रति वेफर DRAM पीढ़ी के कार्य के रूप में (उपरांत[13.3])

इस अध्याय में, सिलिकॉन की तैयारी के लिए वर्तमान दृष्टिकोण- कच्चे माल को एकल-क्रिस्टलीय सिलिकॉन में परिवर्तित करना (चित्र 1 देखें)।13.1)- जैसी कि बात हुई।

13.2आरंभिक सामग्री

13.2.1धातुकर्म-ग्रेड सिलिकॉन

उच्च शुद्धता वाले सिलिकॉन सिंगल क्रिस्टल के लिए प्रारंभिक सामग्री सिलिका (SiO .) है2) सिलिकॉन निर्माण में पहला कदम सिलिका का पिघलना और कमी करना है। यह कोयले, कोक या लकड़ी के चिप्स के रूप में सिलिका और कार्बन को मिलाकर और जलमग्न इलेक्ट्रोड आर्क फर्नेस में मिश्रण को उच्च तापमान पर गर्म करके प्राप्त किया जाता है। सिलिका की यह कार्बोथर्मिक कमी फ़्यूज्ड सिलिकॉन का उत्पादन करती है

S i O_{2} + 2C \to सि + 2सीओ .

(१३.१) प्रतिक्रियाओं की एक जटिल श्रृंखला वास्तव में १५०० से २००० . के तापमान पर भट्ठी में होती है∘C. इस प्रक्रिया से प्राप्त सिलिकॉन की गांठों को मेटलर्जिकल-ग्रेड सिलिकॉन (MG-Si) कहा जाता है, और इसकी शुद्धता लगभग 98-99 होती है।%.

13.2.2पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन

मध्यवर्ती रासायनिक यौगिक

अगला कदम MG-Si को सेमीकंडक्टर-ग्रेड सिलिकॉन (SG-Si) के स्तर तक शुद्ध करना है, जिसका उपयोग सिंगल-क्रिस्टलीय सिलिकॉन के लिए शुरुआती सामग्री के रूप में किया जाता है। मूल अवधारणा यह है कि पाउडर एमजी-सी को निर्जल एचसीएल के साथ प्रतिक्रिया करके एफ्लुइडाइज्ड-बेड रिएक्टर में विभिन्न क्लोरोसिलेन यौगिक बनाए जाते हैं। फिर आसवन और रासायनिक वाष्प जमाव द्वारा सिलेन्स को शुद्ध किया जाता है (सीवीडी) एसजी-पॉलीसिलिकॉन बनाने के लिए।

कई मध्यवर्ती रासायनिक यौगिकों पर विचार किया गया है, जैसे मोनोसिलेन (SiH .)4), सिलिकॉन टेट्राक्लोराइड (SiCl .)4), ट्राइक्लोरोसिलेन (SiHCl .)3) और डाइक्लोरोसिलेन (SiH .)2क्लोरीन2) इनमें से, ट्राइक्लोरोसिलेन का उपयोग आमतौर पर निम्नलिखित कारणों से पॉलीसिलिकॉन के बाद के बयान के लिए किया जाता है:

1.
यह काफी कम तापमान (200-400 .) पर MG-Si के साथ निर्जल हाइड्रोजन क्लोराइड की प्रतिक्रिया से आसानी से बन सकता है∘C).
2.
यह कमरे के तापमान पर तरल है, इसलिए मानक आसवन तकनीकों का उपयोग करके शुद्धिकरण पूरा किया जा सकता है।
3.
इसे संभालना आसान है और सूखने पर कार्बन स्टील के टैंकों में संग्रहित किया जा सकता है।
4.
तरल ट्राइक्लोरोसिलेन आसानी से वाष्पीकृत हो जाता है और जब हाइड्रोजन के साथ मिलाया जाता है, तो इसे स्टील लाइनों में ले जाया जा सकता है।
5.
इसे हाइड्रोजन की उपस्थिति में वायुमंडलीय दबाव में कम किया जा सकता है।
6.
इसका जमाव गर्म सिलिकॉन पर हो सकता है, जिससे किसी भी बाहरी सतह के संपर्क की आवश्यकता समाप्त हो जाती है जो परिणामस्वरूप सिलिकॉन को दूषित कर सकती है।
7.
यह कम तापमान (1000-1200 .) पर प्रतिक्रिया करता है∘सी) और सिलिकॉन टेट्राक्लोराइड की तुलना में तेज दरों पर।

सिलिकॉन का हाइड्रोक्लोरिनेशन

लगभग 300 . पर MG-Si पाउडर को गर्म करके ट्राइक्लोरोसिलेन को संश्लेषित किया जाता है∘सी एफ्लुइडाइज्ड-बेड रिएक्टर में। अर्थात् MG-Si को SiHCl में परिवर्तित किया जाता है3निम्नलिखित प्रतिक्रिया के अनुसार

सि + 3एचसीएल \to S i H C l_{3} + H_{2} .

(१३.२) प्रतिक्रिया अत्यधिक ऊष्माक्षेपी है और इसलिए ट्राइक्लोरोसिलेन की उपज को अधिकतम करने के लिए गर्मी को हटा दिया जाना चाहिए। MG-Si को SiHCl . में परिवर्तित करते समय3विभिन्न अशुद्धियों जैसे Fe, Al, और B को उनके हैलाइड (FeCl .) में परिवर्तित करके हटा दिया जाता है3, अलक्ली3, और बीसीएल3, क्रमशः), और उप-उत्पाद जैसे SiCl4और वह2भी उत्पादित होते हैं।

ट्राइक्लोरोसिलेन का आसवन और अपघटन

ट्राइक्लोरोसिलेन को शुद्ध करने के लिए आसवन का व्यापक रूप से उपयोग किया गया है। ट्राइक्लोरोसिलेन, जिसका क्वथनांक कम है (31.8 .)∘सी), अशुद्ध हलाइड्स से आंशिक रूप से आसुत है, जिसके परिणामस्वरूप 1 पीपीबीए से कम की विद्युत रूप से सक्रिय अशुद्धता एकाग्रता के साथ शुद्धता में काफी वृद्धि हुई है। उच्च शुद्धता वाले ट्राइक्लोरोसिलेन को तब वाष्पीकृत किया जाता है, उच्च शुद्धता वाले हाइड्रोजन से पतला किया जाता है, और बयान रिएक्टर में पेश किया जाता है। रिएक्टर में, ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड द्वारा समर्थित पतली छड़ नामक पतली सिलिकॉन छड़ें प्रतिक्रिया के अनुसार सिलिकॉन की सतह के जमाव के लिए उपलब्ध होती हैं।

S i H C l_{3} + H_{2} \to सि + 3एचसीएल .

(१३.३) इस प्रतिक्रिया के अलावा, पॉलीसिलिकॉन के जमाव के दौरान निम्नलिखित प्रतिक्रिया भी होती है, जिसके परिणामस्वरूप सिलिकॉन टेट्राक्लोराइड (प्रक्रिया का प्रमुख उपोत्पाद) बनता है।

एचसीएल + S i H C l_{3} \to S i C l_{4} + H_{2} .

(१३.४) इस सिलिकॉन टेट्राक्लोराइड का उपयोग उच्च शुद्धता वाले क्वार्ट्ज के उत्पादन के लिए किया जाता है, उदाहरण के लिए।

कहने की जरूरत नहीं है, पतली छड़ की शुद्धता जमा सिलिकॉन की तुलना में होनी चाहिए। पतली छड़ों को लगभग 400 to तक प्रीहीट किया जाता है∘सी सिलिकॉन सीवीडी प्रक्रिया की शुरुआत में। उच्च शुद्धता (उच्च प्रतिरोध) पतली छड़ों की चालकता को पर्याप्त रूप से बढ़ाने के लिए इस प्रीहीटिंग की आवश्यकता होती है ताकि प्रतिरोधक हीटिंग की अनुमति मिल सके। लगभग ११०० . पर २००-३०० घंटे के लिए जमा करना∘सी के परिणामस्वरूप 150-200 मिमी व्यास की उच्च शुद्धता वाली पॉलीसिलिकॉन छड़ें होती हैं। पॉलीसिलिकॉन की छड़ें बाद की क्रिस्टल विकास प्रक्रियाओं के लिए विभिन्न रूपों में आकार दी जाती हैं, जैसे कि ज़ोक्राल्स्की पिघल विकास के लिए टुकड़े और फ्लोट-ज़ोन विकास के लिए लंबी बेलनाकार छड़ें। हाइड्रोजन का उपयोग करके गर्म सिलिकॉन रॉड पर ट्राइक्लोरोसिलेन को कम करने की प्रक्रिया का वर्णन 1950 के दशक के अंत और 1960 के दशक की शुरुआत में सीमेंस को सौंपे गए कई प्रक्रिया पेटेंट में किया गया था; इसलिए, इस प्रक्रिया को अक्सर कहा जाता हैसीमेंस विधि[13.4].

सीमेंस विधि के प्रमुख नुकसान इसकी खराब सिलिकॉन और क्लोरीन रूपांतरण क्षमता, अपेक्षाकृत छोटे बैच आकार और उच्च बिजली की खपत हैं। सिलिकॉन और क्लोरीन की खराब रूपांतरण क्षमता सीवीडी प्रक्रिया में उपोत्पाद के रूप में उत्पादित सिलिकॉन टेट्राक्लोराइड की बड़ी मात्रा के साथ जुड़ी हुई है। केवल 30 . के बारे में%सीवीडी प्रतिक्रिया में प्रदान किया गया सिलिकॉन उच्च शुद्धता वाले पॉलीसिलिकॉन में परिवर्तित हो जाता है। इसके अलावा, उच्च शुद्धता वाले पॉलीसिलिकॉन के उत्पादन की लागत उपोत्पाद, SiCl . की उपयोगिता पर निर्भर हो सकती है4.

मोनोसिलेन प्रक्रिया

मोनोसिलेन के उत्पादन और पायरोलिसिस पर आधारित अपोलिसिलिकॉन उत्पादन तकनीक 1960 के दशक के अंत में स्थापित की गई थी। मोनोसिलेन संभावित रूप से ऊर्जा बचाता है क्योंकि यह पॉलीसिलिकॉन को कम तापमान पर जमा करता है और ट्राइक्लोरोसिलेन प्रक्रिया की तुलना में शुद्ध पॉलीसिलिकॉन का उत्पादन करता है; हालांकि, मोनोसिलेन के लिए एक किफायती मार्ग की कमी और जमाव चरण में प्रसंस्करण समस्याओं के कारण इसका उपयोग शायद ही कभी किया गया हो[13.5]. हालांकि, हाल ही में उच्च शुद्धता वाले सिलेन के किफायती मार्गों के विकास और बड़े पैमाने पर संयंत्र के सफल संचालन के साथ, इस तकनीक ने सेमीकंडक्टर उद्योग का ध्यान आकर्षित किया है, जिसके लिए उच्च शुद्धता वाले सिलिकॉन की आवश्यकता होती है।

वर्तमान औद्योगिक मोनोसिलेन प्रक्रियाओं में, मैग्नीशियम और एमजी-सी पाउडर को 500 . तक गर्म किया जाता है∘सी मैग्नेशियम सिलसाइड (Mg) को संश्लेषित करने के लिए हाइड्रोजन वातावरण के तहत2Si), जिसे तब अमोनियम क्लोराइड (NH) के साथ अभिक्रिया करने के लिए बनाया जाता है4Cl) द्रव अमोनिया में (NH .)3) नीचे 0∘सी मोनोसिलेन बनाने के लिए (SiH4) उच्च शुद्धता वाले पॉलीसिलिकॉन को तब मोनोसिलेन के पायरोलिसिस के माध्यम से 700-800 पर प्रतिरोधक रूप से गर्म पॉलीसिलिकॉन फिलामेंट्स पर उत्पादित किया जाता है।∘C. मोनोसिलेन उत्पादन प्रक्रिया में, NH के साथ रासायनिक प्रतिक्रिया के माध्यम से अधिकांश बोरॉन अशुद्धियों को सिलेन से हटा दिया जाता है3. पॉलीसिलिकॉन में 0.01–0.02 पीपीबीए की एबोरॉन सामग्री अमोनोसिलेन प्रक्रिया का उपयोग करके हासिल की गई है। ट्राइक्लोरोसिलेन से तैयार किए गए पॉलीसिलिकॉन की तुलना में यह सांद्रता बहुत कम है। इसके अलावा, परिणामस्वरूप पॉलीसिलिकॉन रासायनिक परिवहन प्रक्रियाओं के माध्यम से उठाए गए धातुओं से कम दूषित होता है क्योंकि मोनोसिलेन अपघटन किसी भी जंग की समस्या का कारण नहीं बनता है।

दानेदार पॉलीसिलिकॉन जमाव

स्वतंत्र रूप से बहने वाले दानेदार पॉलीसिलिकॉन का उत्पादन करने के लिए एफ्लुइडाइज्ड-बेड डिपोजिशन रिएक्टर में मोनोसिलेन के अपघटन का उपयोग करने वाली महत्वपूर्ण रूप से अलग प्रक्रिया विकसित की गई है [13.5]. छोटे सिलिकॉन बीज कणों को अमोनोसिलेन-हाइड्रोजन मिश्रण में द्रवित किया जाता है, और पॉलीसिलिकॉन को मुक्त-प्रवाह वाले गोलाकार कणों को बनाने के लिए जमा किया जाता है जो औसतन 700 माइक्रोन व्यास के होते हैं और 100-1500 माइक्रोन के आकार के वितरण के साथ होते हैं। द्रवित-बिस्तर वाले बीज मूल रूप से एसजी-सी को एबॉल या हैमर मिल में पीसकर और एसिड, हाइड्रोजन पेरोक्साइड और पानी के साथ उत्पाद को लीच करके बनाए गए थे। यह प्रक्रिया समय लेने वाली और महंगी थी, और धातु की चक्की के माध्यम से सिस्टम में अवांछनीय अशुद्धियों को पेश करने की प्रवृत्ति थी। हालांकि, नए तरीके से, बड़े SG-Si कणों को एक दूसरे पर गैस की तेज गति की धारा द्वारा निकाल दिया जाता है, जिससे वे द्रवित बिस्तर के लिए उपयुक्त आकार के कणों में टूट जाते हैं। इस प्रक्रिया में कोई विदेशी सामग्री नहीं है और इसके लिए किसी लीचिंग की आवश्यकता नहीं है।

दानेदार पॉलीसिलिकॉन के अधिक सतह क्षेत्र के कारण, द्रवीकृत-बिस्तर रिएक्टर पारंपरिक सीमेंस-प्रकार के रॉड रिएक्टरों की तुलना में बहुत अधिक कुशल हैं। फ्लुइडाइज्ड-बेड पॉलीसिलिकॉन की गुणवत्ता को अधिक पारंपरिक सीमेंस विधि द्वारा उत्पादित पॉलीसिलिकॉन के बराबर दिखाया गया है। इसके अलावा, फ्री-फ्लोइंग फॉर्म और उच्च थोक घनत्व के दानेदार पॉलीसिलिकॉन क्रिस्टल उत्पादकों को प्रत्येक उत्पादन रन से सबसे अधिक प्राप्त करने में सक्षम बनाता है। यही है, Czochralski क्रिस्टल विकास प्रक्रिया में (निम्न अनुभाग देखें), क्रूसिबल जल्दी और आसानी से एक समान लोडिंग से भरे जा सकते हैं जो आमतौर पर सीमेंस विधि द्वारा उत्पादित बेतरतीब ढंग से स्टैक्ड पॉलीसिलिकॉन विखंडू से अधिक होते हैं। यदि हम बैच ऑपरेशन से निरंतर पुलिंग (बाद में चर्चा की गई) तक जाने की तकनीक की क्षमता पर भी विचार करते हैं, तो हम देख सकते हैं कि मुक्त बहने वाले पॉलीसिलिकॉन ग्रेन्यूल्स एक समान फ़ीड के लाभप्रद मार्ग को स्थिर-राज्य पिघलने में प्रदान कर सकते हैं। यह उत्पाद सिलिकॉन क्रिस्टल विकास के लिए महान वादे की क्रांतिकारी प्रारंभिक सामग्री प्रतीत होता है।

13.3सिंगल-क्रिस्टल ग्रोथ

यद्यपि पॉलीसिलिकॉन को सिलिकॉन के एकल क्रिस्टल में बदलने के लिए विभिन्न तकनीकों का उपयोग किया गया है, दो तकनीकों ने इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए उनके उत्पादन पर हावी है क्योंकि वे माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक उपकरण उद्योग की आवश्यकताओं को पूरा करते हैं। एक अज़ोन-पिघलने की विधि है जिसे आमतौर पर कहा जाता हैफ़्लोटिंग-ज़ोन (FZ) तरीका, और दूसरा पारंपरिक रूप से खींची जाने वाली विधि है जिसे कहा जाता हैज़ोक्राल्स्की (सीजेड) तरीका, हालांकि इसे वास्तव में कहा जाना चाहिएचैती-छोटी विधि. इन दो क्रिस्टल विकास विधियों के पीछे के सिद्धांतों को अंजीर में दर्शाया गया है।13.3. एफजेड विधि में, अमोल्टेन ज़ोन को एपोलिसिलिकॉन रॉड से गुजारा जाता है ताकि इसे एकल-क्रिस्टल पिंड में परिवर्तित किया जा सके; सीजेड विधि में, एक्वार्ट्ज क्रूसिबल में निहित अमेल्ट से खींचकर एकल क्रिस्टल को उगाया जाता है। दोनों ही मामलों में,बीज क्रिस्टलवांछित क्रिस्टलोग्राफिक अभिविन्यास के साथ एकल क्रिस्टल प्राप्त करने में बहुत महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।

Fig. 13.3a,b — अंजीर। 13.3 ए, बी
द्वारा एकल-क्रिस्टल वृद्धि के सिद्धांत (a) फ़्लोटिंग-ज़ोन विधि और (b) ज़ोक्राल्स्की विधि। (उपरांत[13.1])

अनुमान है कि लगभग 95%सभी सिंगल-क्रिस्टल सिलिकॉन का उत्पादन सीजेड विधि द्वारा किया जाता है और शेष मुख्य रूप से एफजेड विधि द्वारा किया जाता है। सिलिकॉन सेमीकंडक्टर उद्योग को उपकरण निर्माण उपज और परिचालन प्रदर्शन को अनुकूलित करने के लिए अपने सिलिकॉन क्रिस्टल में उच्च शुद्धता और न्यूनतम दोष सांद्रता की आवश्यकता होती है। जैसे-जैसे तकनीक एलएसआई से वीएलएसआई andयूएलएसआई और फिर एसओसी में बदलती है, ये आवश्यकताएं और सख्त होती जा रही हैं। सिलिकॉन क्रिस्टल की गुणवत्ता या पूर्णता के अलावा, डिवाइस निर्माताओं की मांगों को पूरा करने के लिए क्रिस्टल व्यास भी लगातार बढ़ रहा है। चूंकि माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक चिप्स a . के माध्यम से निर्मित होते हैंसमूह तंत्र, उपकरण निर्माण के लिए उपयोग किए जाने वाले सिलिकॉन वेफर्स के व्यास उत्पादकता को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करते हैं (जैसा कि अंजीर में दिखाया गया है।13.2), और बदले में उत्पादन लागत।

निम्नलिखित अनुभागों में, हम पहले FZ विधि पर चर्चा करते हैं और फिर CZ विधि पर आगे बढ़ते हैं। माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक उद्योग के लिए इसके अत्यधिक महत्व के कारण उत्तरार्द्ध पर अधिक विस्तार से चर्चा की जाएगी।

13.3.1फ़्लोटिंग-ज़ोन विधि

सामान्य टिप्पणियाँ

FZ पद्धति ज़ोन मेल्टिंग से उत्पन्न हुई, जिसका उपयोग बाइनरी मिश्र धातुओं को परिष्कृत करने के लिए किया गया था13.6] और द्वारा आविष्कार किया गया थाथ्यूरेर[13.7]. क्रूसिबल के लिए प्रयुक्त सामग्री के साथ तरल सिलिकॉन की प्रतिक्रियाशीलता ने FZ पद्धति का विकास किया[13.8], जो क्रूसिबल सामग्री के साथ किसी भी संपर्क की आवश्यकता के बिना सिलिकॉन के क्रिस्टलीकरण की अनुमति देता है, जो आवश्यक अर्धचालक शुद्धता के क्रिस्टल को विकसित करने में सक्षम होने के लिए आवश्यक है।

प्रक्रिया की रूपरेखा

एफजेड प्रक्रिया में, एपोलिसिलिकॉन रॉड को रॉड के एक छोर से दूसरे छोर तक एनीडल-आई कॉइल द्वारा गर्म किए गए अमोल्टन ज़ोन को पार करके सिंगल-क्रिस्टल पिंड में परिवर्तित किया जाता है, जैसा कि अंजीर में दिखाया गया है।13.3ए। सबसे पहले, पॉलीसिलिकॉन रॉड की नोक से संपर्क किया जाता है और वांछित क्रिस्टल अभिविन्यास के साथ बीज क्रिस्टल के साथ जुड़ा हुआ है। इस प्रक्रिया को कहा जाता हैबीज बोने की क्रिया. बीजित पिघला हुआ क्षेत्र एक साथ एकल क्रिस्टल बीज को रॉड के नीचे ले जाकर पॉलीसिलिकॉन रॉड के माध्यम से पारित किया जाता है। जब सिलिकॉन का पिघला हुआ क्षेत्र जम जाता है, तो पॉलीसिलिकॉन को बीज क्रिस्टल की मदद से सिंगल-क्रिस्टलीय सिलिकॉन में बदल दिया जाता है। जैसे ही ज़ोन पॉलीसिलिकॉन रॉड के साथ यात्रा करता है, सिंगल-क्रिस्टल सिलिकॉन इसके सिरे पर जम जाता है और बीज क्रिस्टल के विस्तार के रूप में बढ़ता है।

बुवाई के बाद, लगभग 2 या 3 मिमी व्यास और 10-20 मिमी लंबी पतली गर्दन बनती है। इस प्रक्रिया को कहा जाता हैगले मिलना. बढ़ती हुई गर्दन उन अव्यवस्थाओं को समाप्त करती है जिन्हें थर्मल शॉक के कारण सीडिंग ऑपरेशन के दौरान नए विकसित सिंगल-क्रिस्टल सिलिकॉन में पेश किया जा सकता है। इस गले लगाने की प्रक्रिया, जिसे called कहा जाता हैडैश तकनीक[13.2], इसलिए बढ़ते अव्यवस्था मुक्त क्रिस्टल के लिए मौलिक है और FZ और CZ दोनों तरीकों में सार्वभौमिक रूप से उपयोग किया जाता है। एफजेड विधि द्वारा उगाए गए एसिलिकॉन सिंगल-क्रिस्टल के बीज, गर्दन और शंक्वाकार भाग का एक्स-रे स्थलाकृति अंजीर में दिखाया गया है।13.4. यह स्पष्ट है कि पिघले हुए संपर्क में उत्पन्न होने वाली अव्यवस्थाओं को गर्दन से पूरी तरह से समाप्त कर दिया जाता है। शंक्वाकार भाग बनने के बाद, पूर्ण लक्ष्य व्यास वाला मुख्य शरीर उगाया जाता है। संपूर्ण FZ विकास प्रक्रिया के दौरान, पिघले हुए क्षेत्र का आकार और पिंड व्यास का निर्धारण कुंडल की शक्ति और यात्रा दर को समायोजित करके किया जाता है, जो दोनों कंप्यूटर नियंत्रण में हैं। FZ और CZ दोनों विधियों में व्यास को स्वचालित रूप से नियंत्रित करने के लिए सबसे अधिक इस्तेमाल की जाने वाली तकनीक मेनिस्कस पर केंद्रित एक इन्फ्रारेड सेंसर को नियोजित करती है। बढ़ते क्रिस्टल पर मेनिस्कस का आकार तीन-चरण सीमा पर इसके संपर्क कोण, क्रिस्टल व्यास और सतह तनाव के परिमाण पर निर्भर करता है। मेनिस्कस कोण (और इसलिए क्रिस्टल व्यास) में परिवर्तन को महसूस किया जाता है, और विकास की स्थिति को स्वचालित रूप से समायोजित करने के लिए जानकारी को वापस फीड किया जाता है।

Fig. 13.4 — चित्र 13.4
फ्लोटिंग-ज़ोन सिलिकॉन के बीज, गर्दन और शंक्वाकार भाग की एक्स-रे स्थलाकृति। (डॉ. टी. आबे के सौजन्य से)

सीजेड क्रिस्टल वृद्धि के विपरीत, जिसमें बीज क्रिस्टल को सिलिकॉन पिघल में डुबोया जाता है और बढ़ते क्रिस्टल को ऊपर की ओर खींचा जाता है, एफजेड विधि में पतले बीज क्रिस्टल बढ़ते क्रिस्टल को बनाए रखते हैं, जैसा कि नीचे से पॉलीसिलिकॉन रॉड करता है (चित्र।13.3) नतीजतन, पूरी वृद्धि प्रक्रिया के दौरान पतले बीज और गर्दन पर रॉड अनिश्चित रूप से संतुलित होती है। बीज और गर्दन 20 किलो तक के क्रिस्टल का समर्थन कर सकते हैं, जब तक कि बढ़ते क्रिस्टल का गुरुत्वाकर्षण केंद्र विकास प्रणाली के केंद्र में रहता है। यदि गुरुत्वाकर्षण का केंद्र केंद्र रेखा से दूर चला जाता है, तो बीज आसानी से टूट जाएगा। इसलिए, लंबे और भारी FZ सिलिकॉन क्रिस्टल उगाए जाने से पहले क्रिस्टल स्थिरीकरण और सहायक तकनीक का आविष्कार करना आवश्यक था। बड़े क्रिस्टल के लिए, अंजीर में दिखाए गए तरीके से बढ़ते क्रिस्टल का समर्थन करना आवश्यक है।13.5[13.9], विशेष रूप से बड़े व्यास (150–200 मिमी) वाले हाल के FZ क्रिस्टल के मामले में, क्योंकि उनका वजन आसानी से 20 किलोग्राम से अधिक हो जाता है।

Fig. 13.5 — अंजीर। 13.5
फ्लोटिंग-ज़ोन सिलिकॉन क्रिस्टल के लिए सहायक प्रणाली। (उपरांत[13.9])

डोपिंग

आवश्यक प्रतिरोधकता के n- या p-प्रकार के सिलिकॉन सिंगल-क्रिस्टल प्राप्त करने के लिए, या तो पॉलीसिलिकॉन या बढ़ते क्रिस्टल को क्रमशः उपयुक्त दाता या स्वीकर्ता अशुद्धियों के साथ डोप किया जाना चाहिए। FZ सिलिकॉन विकास के लिए, हालांकि कई डोपिंग तकनीकों की कोशिश की गई है, क्रिस्टल को आमतौर पर फॉस्फीन (PH) जैसे एडॉपेंट गैस को उड़ाकर डोप किया जाता है।3) एन-टाइप सिलिकॉन या डिबोरेन (बी .) के लिए2H6) पिघला हुआ क्षेत्र पर पी-प्रकार सिलिकॉन के लिए। डोपेंट गैस आमतौर पर आर्गन जैसी वाहक गैस से पतला होता है। इस पद्धति का महान लाभ यह है कि सिलिकॉन क्रिस्टल निर्माता को विभिन्न प्रतिरोधकता वाले पॉलीसिलिकॉन स्रोतों को संग्रहीत करने की आवश्यकता नहीं होती है।

चूंकि एन-टाइप सिलिकॉन के लिए मौलिक डोपेंट का अलगाव (अगले उपखंड में चर्चा की गई) एकता से बहुत कम है, पारंपरिक विधि द्वारा डोप किए गए एफजेड क्रिस्टल में रेडियल डोपेंट ग्रेडियेंट होते हैं। इसके अलावा, चूंकि क्रिस्टलीकरण दर सूक्ष्म पैमाने पर रेडियल दिशा में भिन्न होती है, डोपेंट सांद्रता चक्रीय रूप से वितरित होती है और तथाकथित को जन्म देती हैडोपेंट स्ट्राइक, जिसके परिणामस्वरूप रेडियल प्रतिरोधकता विषमताएं होती हैं। अधिक सजातीय रूप से डोप किए गए एन-टाइप सिलिकॉन प्राप्त करने के लिए, न्यूट्रॉन ट्रांसम्यूटेशन डोपिंग (एनटीडी) FZ सिलिकॉन क्रिस्टल पर लागू किया गया है [13.10]. इस प्रक्रिया में प्रतिक्रिया के अनुसार थर्मल न्यूट्रॉन के साथ क्रिस्टल पर बमबारी करके फॉस्फोरस के लिए सिलिकॉन का परमाणु रूपांतरण शामिल है

^{30} S i (n, γ) \to^{31} S i \overset{2.6 h}{\to}^{31} P + β .

(१३.५) रेडियोधर्मी समस्थानिक31Si तब बनता है जब30Si न्यूट्रॉन को पकड़ लेता है और फिर स्थिर समस्थानिक में विघटित हो जाता है31पी (दाता परमाणु), जिसका वितरण क्रिस्टल वृद्धि मापदंडों पर निर्भर नहीं है। विकिरण के तुरंत बाद क्रिस्टल उच्च प्रतिरोधकता प्रदर्शित करते हैं, जो विकिरण क्षति से उत्पन्न होने वाली बड़ी संख्या में जाली दोषों के लिए जिम्मेदार है। इसलिए, विकिरणित क्रिस्टल को लगभग 700 . के तापमान पर एक निष्क्रिय परिवेश में नष्ट किया जाना चाहिए∘सी दोषों का सफाया करने के लिए और फास्फोरस डोपिंग से प्राप्त प्रतिरोधकता को बहाल करने के लिए। एनटीडी योजना के तहत, क्रिस्टल को बिना डोपिंग के उगाया जाता है और फिर न्यूट्रॉन कैप्चर को बढ़ाने और क्रिस्टल जाली को नुकसान को कम करने के लिए थर्मल से फास्ट न्यूट्रॉन के बड़े अनुपात के साथ परमाणु रिएक्टर में विकिरणित किया जाता है।

CZ क्रिस्टल की तुलना में उनकी उच्च शुद्धता के कारण NTD का अनुप्रयोग लगभग अनन्य रूप से FZ क्रिस्टल तक सीमित रहा है। जब एनटीडी तकनीक को सीजेड सिलिकॉन क्रिस्टल पर लागू किया गया, तो यह पाया गया कि विकिरण के बाद एनीलिंग प्रक्रिया के दौरान ऑक्सीजन दाता के गठन ने प्रतिरोधकता को उस अपेक्षा से बदल दिया, भले ही फास्फोरस दाता समरूपता हासिल की गई थी।13.11]. एनटीडी में अतिरिक्त कमी है कि पी-टाइप डोपेंट के लिए कोई प्रक्रिया उपलब्ध नहीं है और कम प्रतिरोधकता (1-10 सेमी की सीमा में) के लिए अत्यधिक लंबी अवधि के विकिरण की आवश्यकता होती है।

FZ-सिलिकॉन क्रिस्टल के गुण

FZ क्रिस्टल वृद्धि के दौरान, पिघला हुआ सिलिकॉन विकास कक्ष में परिवेशी गैस के अलावा किसी अन्य पदार्थ के संपर्क में नहीं आता है। इसलिए, एक FZ सिलिकॉन क्रिस्टल स्वाभाविक रूप से aCZ क्रिस्टल की तुलना में इसकी उच्च शुद्धता से अलग होता है जो कि पिघल से उगाया जाता है-एक्वार्ट्ज क्रूसिबल के संपर्क में शामिल है। यह संपर्क लगभग 10 . की उच्च ऑक्सीजन अशुद्धता सांद्रता को जन्म देता है18परमाणु सेमी3CZ क्रिस्टल में, जबकि FZ सिलिकॉन में 10 . से कम होता है16परमाणु सेमी3. यह उच्च शुद्धता FZ सिलिकॉन को उच्च प्रतिरोधकता प्राप्त करने की अनुमति देती है जो CZ सिलिकॉन का उपयोग करके प्राप्य नहीं है। खपत किए गए अधिकांश FZ सिलिकॉन में 10 और 200 सेमी के बीच प्रतिरोधकता होती है, जबकि CZ सिलिकॉन आमतौर पर क्वार्ट्ज क्रूसिबल से संदूषण के कारण 50 सेमी या उससे कम की प्रतिरोधकता के लिए तैयार किया जाता है। इसलिए FZ सिलिकॉन का उपयोग मुख्य रूप से अर्धचालक बिजली उपकरणों को बनाने के लिए किया जाता है जो 750-1000 V से अधिक रिवर्स वोल्टेज का समर्थन करते हैं। उच्च शुद्धता वाले क्रिस्टल विकास और NTD FZ-Si की सटीक डोपिंग विशेषताओं ने भी अवरक्त डिटेक्टरों में इसका उपयोग किया है।13.12], उदाहरण के लिए।

हालांकि, अगर हम यांत्रिक शक्ति पर विचार करते हैं, तो यह कई वर्षों से माना जाता है कि FZ सिलिकॉन, जिसमें CZ सिलिकॉन की तुलना में कम ऑक्सीजन अशुद्धियाँ होती हैं, यंत्रवत् रूप से कमजोर होता है और उपकरण निर्माण के दौरान थर्मल तनाव के प्रति अधिक संवेदनशील होता है।13.13,13.14]. इलेक्ट्रॉनिक उपकरण निर्माण के दौरान सिलिकॉन वेफर्स का उच्च तापमान प्रसंस्करण अक्सर स्लिप डिस्लोकेशन और वॉरपेज उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त थर्मल स्ट्रेस पैदा करता है। ये प्रभाव टपका हुआ जंक्शनों, ढांकता हुआ दोष, और कम जीवनकाल के साथ-साथ वेफर फ्लैटनेस के क्षरण के कारण कम फोटोलिथोग्राफिक पैदावार के कारण उपज हानि लाते हैं। वारपेज के कारण ज्यामितीय समतलता का नुकसान इतना गंभीर हो सकता है कि वेफर्स को आगे संसाधित नहीं किया जाता है। इस वजह से, एफजेड वेफर्स की तुलना में आईसी डिवाइस निर्माण में सीजेड सिलिकॉन वेफर्स का अधिक व्यापक रूप से उपयोग किया गया है। थर्मल स्ट्रेस के खिलाफ यांत्रिक स्थिरता में यह अंतर प्रमुख कारण है कि सीजेड सिलिकॉन क्रिस्टल का उपयोग विशेष रूप से आईसी के निर्माण के लिए किया जाता है जिसके लिए बड़ी संख्या में थर्मल प्रक्रिया चरणों की आवश्यकता होती है।

FZ सिलिकॉन की इन कमियों को दूर करने के लिए, ऑक्सीजन जैसे डोपिंग अशुद्धियों के साथ FZ सिलिकॉन क्रिस्टल का विकास[13.15] और नाइट्रोजन[13.16] का प्रयास किया गया है। यह पाया गया कि की सांद्रता पर ऑक्सीजन या नाइट्रोजन के साथ FZ सिलिकॉन क्रिस्टल डोपिंग $1 - 1.5 \times 10^{17} a t o m s / c m^{3}$ या $1.5 \times 10^{15} a t o m s / c m^{3}$ , क्रमशः, यांत्रिक शक्ति में उल्लेखनीय वृद्धि का परिणाम है।

13.3.2Czochralski विधि

सामान्य टिप्पणियाँ

इस पद्धति का नाम जे. कज़ोक्राल्स्की के नाम पर रखा गया था, जिन्होंने धातुओं के क्रिस्टलीकरण वेग को निर्धारित करने के लिए तकनीक की स्थापना की थी।13.17]. हालांकि, वास्तविक खींचने की विधि जिसे व्यापक रूप से एकल-क्रिस्टल विकास पर लागू किया गया है, द्वारा विकसित किया गया थाटीलतथाथोड़ा[13.18], जिन्होंने Czochralski के मूल सिद्धांत को संशोधित किया। वे 1950 में जर्मेनियम के एकल-क्रिस्टल, लंबाई में 8 इंच और व्यास में 0.75 इंच सफलतापूर्वक विकसित करने वाले पहले व्यक्ति थे। बाद में उन्होंने उच्च तापमान पर सिलिकॉन के विकास के लिए एक और उपकरण तैयार किया। हालांकि सिंगल-क्रिस्टल सिलिकॉन के लिए मूल उत्पादन प्रक्रिया में थोड़ा बदलाव आया है क्योंकि यह टील और सहकर्मियों द्वारा अग्रणी था, बड़े-व्यास (400 मिमी तक) सिलिकॉन सिंगल-क्रिस्टल उच्च स्तर की पूर्णता के साथ जो अत्याधुनिक डिवाइस से मिलते हैं तंत्र में डैश तकनीक और क्रमिक तकनीकी नवाचारों को शामिल करके मांगों को बढ़ाया गया है।

सिलिकॉन क्रिस्टल से संबंधित आज के अनुसंधान और विकास प्रयासों को क्रिस्टल गुणों की सूक्ष्म एकरूपता प्राप्त करने के लिए निर्देशित किया जाता है जैसे प्रतिरोधकता और अशुद्धियों और सूक्ष्म दोषों की सांद्रता, साथ ही साथ सूक्ष्म नियंत्रण, जिसकी चर्चा इस हैंडबुक में कहीं और की जाएगी।

प्रक्रिया की रूपरेखा

सीजेड क्रिस्टल वृद्धि में तीन सबसे महत्वपूर्ण कदम योजनाबद्ध रूप से अंजीर में दिखाए गए हैं।13.3बी सिद्धांत रूप में, सीजेड वृद्धि की प्रक्रिया एफजेड वृद्धि के समान है: (1) पॉलीसिलिकॉन पिघलना, (2) सीडिंग और (3) बढ़ना। सीजेड खींचने की प्रक्रिया, हालांकि, एफजेड वृद्धि की तुलना में अधिक जटिल है और पिघला हुआ सिलिकॉन को शामिल करने के लिए एक्वार्ट्ज क्रूसिबल के उपयोग से इसे अलग किया जाता है। आकृति13.6ठेठ आधुनिक सीजेड क्रिस्टल विकास उपकरण का योजनाबद्ध दृश्य दिखाता है। वास्तविक या मानक सीजेड सिलिकॉन क्रिस्टल विकास अनुक्रम में महत्वपूर्ण कदम इस प्रकार हैं:

1.
पॉलीसिलिकॉन चंक्स या अनाज को एक्वार्ट्ज क्रूसिबल में रखा जाता है और सिलिकॉन के गलनांक (1420) से अधिक तापमान पर पिघलाया जाता है।∘सी) एक निष्क्रिय परिवेश गैस में।
2.
पिघल को थोड़ी देर के लिए उच्च तापमान पर रखा जाता है ताकि छोटे बुलबुले के पूर्ण पिघलने और निष्कासन को सुनिश्चित किया जा सके, जिससे पिघल से voids या नकारात्मक क्रिस्टल दोष हो सकते हैं।
3.
वांछित क्रिस्टल अभिविन्यास के साथ बीज क्रिस्टल को पिघल में तब तक डुबोया जाता है जब तक कि वह स्वयं पिघलना शुरू न कर दे। फिर बीज को पिघल से निकाल लिया जाता है ताकि धीरे-धीरे व्यास को कम करके गर्दन का निर्माण किया जा सके; यह सबसे नाजुक कदम है। संपूर्ण क्रिस्टल विकास प्रक्रिया के दौरान, SiO और CO जैसे प्रतिक्रिया उत्पादों को ले जाने के लिए अक्रिय गैस (आमतौर पर आर्गन) पुलिंग चैंबर के माध्यम से नीचे की ओर बहती है।
4.
धीरे-धीरे क्रिस्टल के व्यास को बढ़ाकर शंक्वाकार भाग और कंधे को बड़ा किया जाता है। खींचने की दर और या पिघले हुए तापमान को कम करके व्यास को लक्ष्य व्यास तक बढ़ाया जाता है।
5.
अंत में, स्थिर व्यास वाले शरीर के बेलनाकार भाग को क्रिस्टल के बढ़ने पर पिघलने के स्तर में गिरावट की भरपाई करते हुए खींचने की दर और पिघले तापमान को नियंत्रित करके उगाया जाता है। खींचने की दर आम तौर पर बढ़ते क्रिस्टल के पूंछ के अंत की ओर कम हो जाती है, मुख्य रूप से क्रूसिबल दीवार से गर्मी विकिरण बढ़ने के कारण पिघला हुआ स्तर गिरता है और बढ़ते क्रिस्टल को अधिक क्रूसिबल दीवार को उजागर करता है। विकास प्रक्रिया के अंत के करीब, लेकिन इससे पहले कि क्रूसिबल पिघले हुए सिलिकॉन से पूरी तरह से निकल जाए, थर्मल शॉक को कम करने के लिए क्रिस्टल व्यास को धीरे-धीरे एक अंत-शंकु बनाने के लिए कम किया जाना चाहिए, जिससे पूंछ के अंत में स्लिप अव्यवस्था हो सकती है। जब व्यास काफी छोटा हो जाता है, तो क्रिस्टल को बिना किसी अव्यवस्था के पिघल से अलग किया जा सकता है।

आकृति13.7एक विकसित सीजेड सिलिकॉन क्रिस्टल के बीज-अंत भाग को दिखाता है। हालांकि बीज-मकई, जो कि बीज से बेलनाकार भाग में संक्रमण क्षेत्र है, आमतौर पर आर्थिक कारणों से अपेक्षाकृत सपाट होता है, क्रिस्टल गुणवत्ता के दृष्टिकोण से अधिक पतला आकार वांछनीय हो सकता है। उपकरण निर्माण के लिए कंधे के हिस्से और उसके आसपास के हिस्से का उपयोग नहीं किया जाना चाहिए क्योंकि इस हिस्से को कई इंद्रियों में संक्रमण क्षेत्र माना जाता है और यह विकास की स्थिति में अचानक बदलाव के कारण अमानवीय क्रिस्टल विशेषताओं को प्रदर्शित करता है।

Fig. 13.6 — चित्र 13.6
ठेठ Czochralski सिलिकॉन क्रिस्टल बढ़ती प्रणाली का योजनाबद्ध दृश्य। (उपरांत[13.1])

Fig. 13.7 — चित्र 13.7
उगाए गए Czochralski सिलिकॉन क्रिस्टल का बीज-अंत भाग

आकृति13.8जापान में सुपर सिलिकॉन क्रिस्टल रिसर्च इंस्टीट्यूट कॉरपोरेशन द्वारा विकसित एक अतिरिक्त बड़े आकार में विकसित सीजेड सिलिकॉन क्रिस्टल पिंड 400 मिमी व्यास और 1800 मिमी लंबाई दिखाता है।13.3].

Fig. 13.8 — अंजीर। 13.8
अतिरिक्त बड़े रूप में विकसित Czochralski सिलिकॉन पिंड 400 मिमी व्यास और 1800 मिमी लंबाई में। (सुपर सिलिकॉन क्रिस्टल रिसर्च इंस्टीट्यूट कॉर्पोरेशन, जापान के सौजन्य से)

स्थानिक स्थान का प्रभावGrownCrystal

अंजीर के रूप में13.9स्पष्ट रूप से दर्शाता है, aCZ क्रिस्टल का प्रत्येक भाग अलग-अलग समय पर अलग-अलग विकास स्थितियों के साथ उगाया जाता है[13.19]. इस प्रकार, यह समझना महत्वपूर्ण है कि प्रत्येक भाग में क्रिस्टल विशेषताओं का एक अलग सेट होता है और क्रिस्टल की लंबाई के साथ इसकी अलग स्थिति के कारण एक अलग थर्मल इतिहास होता है। उदाहरण के लिए, बीज के अंत वाले हिस्से का तापीय इतिहास है, जो 1420 के गलनांक से लेकर लगभग 400 . तक है∘एपुलर में सी, जबकि टेल-एंड वाले हिस्से का इतिहास छोटा होता है और गलनांक से तेजी से ठंडा हो जाता है। अंततः, एग्रोन क्रिस्टल के अलग-अलग हिस्से से तैयार प्रत्येक सिलिकॉन वेफर पिंड में अपने स्थान के आधार पर विभिन्न भौतिक-रासायनिक विशेषताओं को प्रदर्शित कर सकता है। वास्तव में, यह बताया गया है कि ऑक्सीजन वर्षा व्यवहार सबसे बड़ी स्थान निर्भरता प्रदर्शित करता है, जो बदले में, थोक दोषों की पीढ़ी को प्रभावित करता है [13.20].

Fig. 13.9 — चित्र 13.9
प्रारंभिक और अंतिम चरणों में Czochralski क्रिस्टल वृद्धि के दौरान थर्मल वातावरण।*तीर*गर्मी प्रवाह की अनुमानित दिशाओं को इंगित करें। (उपरांत[13.19])

इसके अलावा, क्रिस्टल दोष और अशुद्धियों दोनों का एक समान वितरण aCZ क्रिस्टल सिलिकॉन से तैयार किए गए एफ्लैट वेफर के अनुप्रस्थ खंड में होता है, जो क्रिस्टल-पिघल इंटरफ़ेस पर क्रिस्टलीकृत या क्रमिक रूप से जम जाता है, जो आमतौर पर CZ क्रिस्टल विकास प्रक्रिया में घुमावदार होता है। ऐसी विषमताओं को इस प्रकार देखा जा सकता है:स्त्रिअतिओन्स, जिनकी चर्चा बाद में की जाती है।

13.3.3Czochralski Silicon . में अशुद्धियाँ

इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में प्रयुक्त सिलिकॉन अर्धचालकों के गुण अशुद्धियों के प्रति बहुत संवेदनशील होते हैं। इस संवेदनशीलता के कारण, सिलिकॉन के विद्युत-इलेक्ट्रॉनिक गुणों को थोड़ी मात्रा में डोपेंट जोड़कर ठीक से नियंत्रित किया जा सकता है। इस डोपेंट संवेदनशीलता के अलावा, अशुद्धियों (विशेष रूप से संक्रमण धातुओं) द्वारा संदूषण सिलिकॉन के गुणों को नकारात्मक रूप से प्रभावित करता है और इसके परिणामस्वरूप डिवाइस के प्रदर्शन में गंभीर गिरावट आती है। इसके अलावा, सिलिकॉन पिघल और क्वार्ट्ज क्रूसिबल के बीच प्रतिक्रिया के कारण सीजेड सिलिकॉन क्रिस्टल में प्रति मिलियन परमाणुओं के दसियों के स्तर पर ऑक्सीजन शामिल है। क्रिस्टल में ऑक्सीजन कितनी भी हो, सिलिकॉन क्रिस्टल की विशेषताएं ऑक्सीजन की एकाग्रता और व्यवहार से बहुत प्रभावित होती हैं।13.21]. इसके अलावा, कार्बन को सीजेड सिलिकॉन क्रिस्टल में या तो पॉलीसिलिकॉन कच्चे माल से या सीजेड पुलिंग उपकरण में उपयोग किए जाने वाले ग्रेफाइट भागों के कारण विकास प्रक्रिया के दौरान शामिल किया जाता है। हालांकि वाणिज्यिक सीजेड सिलिकॉन क्रिस्टल में कार्बन की सांद्रता सामान्य रूप से 0.1 पीपीएम से कम है, कार्बन एक अशुद्धता है जो ऑक्सीजन के व्यवहार को बहुत प्रभावित करती है।13.22,13.23]. इसके अलावा, नाइट्रोजन-डोप्ड सीजेड सिलिकॉन क्रिस्टल[13.24,13.25] ने हाल ही में अपने उच्च सूक्ष्म क्रिस्टल गुणवत्ता के कारण बहुत ध्यान आकर्षित किया है, जो अत्याधुनिक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की आवश्यकताओं को पूरा कर सकता है[13.26,13.27].

अशुद्धता अमानवीयता

एमेल्ट से क्रिस्टलीकरण के दौरान, पिघल में निहित विभिन्न अशुद्धियों (डोपेंट सहित) को बढ़ते क्रिस्टल में शामिल किया जाता है। ठोस चरण की अशुद्धता सांद्रता आमतौर पर तरल चरण से भिन्न होती है, जिसे एफेनोमेनन के रूप में जाना जाता हैअलगाव.

अलगाव

मल्टीकंपोनेंट सिस्टम के जमने से जुड़े संतुलन अलगाव व्यवहार को एबाइनरी सिस्टम के संबंधित चरण आरेख से निर्धारित किया जा सकता हैघुला हुआ पदार्थ(अशुद्धता) और एविलायक(मेजबान सामग्री) घटकों के रूप में।

ठोस सिलिकॉन में अशुद्धता की घुलनशीलता का अनुपात [CA]sउसके लिए तरल सिलिकॉन में [CA]L

k_{0} = \frac{[C_{A}]_{s}}{[C_{A}]_{L}}

(१३.६) के रूप में जाना जाता हैसंतुलन पृथक्करण गुणांक. तरल सिलिकॉन में अशुद्धता घुलनशीलता ठोस सिलिकॉन की तुलना में हमेशा अधिक होती है; अर्थात्,k0[जीजी] लेफ्टिनेंट; 1. संतुलन पृथक्करण गुणांकk0केवल नगण्य धीमी विकास दर पर जमने के लिए लागू होता है। परिमित या उच्च जमने की दर के लिए, अशुद्धता परमाणुओं के साथk0[जीजी] लेफ्टिनेंट; 1 आगे बढ़ने वाले ठोस द्वारा पिघल में विसरित होने की तुलना में अधिक दर से खारिज कर दिया जाता है। सीजेड क्रिस्टल विकास प्रक्रिया में, पृथक बीज-पिघल इंटरफ़ेस पर जमने की शुरुआत में अलगाव होता है, और अस्वीकृत अशुद्धता परमाणु विकास इंटरफ़ेस के पास पिघली हुई परत में जमा होने लगते हैं और पिघल के थोक की दिशा में फैल जाते हैं। इस स्थिति में, अनुप्रभावी पृथक्करण गुणांकkउड़ानोंसीजेड क्रिस्टल वृद्धि के दौरान किसी भी समय परिभाषित किया जा सकता है, और अशुद्धता एकाग्रता [C]saCZ क्रिस्टल में द्वारा प्राप्त किया जा सकता है

[C]_{s} = k_{e f f} [C_{0}] (1 - g)^{k_{e f f} - 1},

(13.7)जहां [C0] पिघल में प्रारंभिक अशुद्धता सांद्रता है औरgअंश ठोस है।

नतीजतन, यह स्पष्ट है कि अशुद्धता स्तर में अमाक्रोस्कोपिक अनुदैर्ध्य भिन्नता, जो डोपेंट एकाग्रता में भिन्नता के कारण प्रतिरोधकता में विचलन का कारण बनती है, सीजेड बैच विकास प्रक्रिया में निहित है; यह अलगाव की घटना के कारण है। इसके अलावा, अशुद्धियों का अनुदैर्ध्य वितरण परिमाण में परिवर्तन और पिघल संवहन की प्रकृति से प्रभावित होता है जो क्रिस्टल के विकास के दौरान पिघल पहलू अनुपात में कमी के रूप में होता है।

स्त्रिअतिओन्स

अधिकांश क्रिस्टल विकास प्रक्रियाओं में, तात्कालिक सूक्ष्म विकास दर और प्रसार सीमा परत मोटाई जैसे मापदंडों में क्षणिक होते हैं जिसके परिणामस्वरूप प्रभावी पृथक्करण गुणांक में भिन्नता होती है।kउड़ानों. ये विविधताएँ के रूप में सूक्ष्म संरचनागत विषमताओं को जन्म देती हैंस्त्रिअतिओन्सक्रिस्टल-पिघल इंटरफ़ेस के समानांतर। कई तकनीकों, जैसे कि तरजीही रासायनिक नक़्क़ाशी और एक्स-रे स्थलाकृति के साथ स्ट्राइक को आसानी से चित्रित किया जा सकता है। आकृति13.10एसीजेड सिलिकॉन क्रिस्टल के अनुप्रस्थ क्रॉस-सेक्शन के कंधे के हिस्से में रासायनिक नक़्क़ाशी द्वारा प्रकट स्ट्राइप्स को दर्शाता है। विकास इंटरफेस के आकार में क्रमिक परिवर्तन भी स्पष्ट रूप से देखा गया है।

Fig. 13.10 — चित्र 13.10
Czochralski Silicon . के एशोल्डर में रासायनिक नक़्क़ाशी द्वारा प्रकट विकास धारियाँ

स्ट्राइक शारीरिक रूप से अशुद्धियों के अलगाव और बिंदु दोषों के कारण होते हैं; हालांकि, स्ट्राइक व्यावहारिक रूप से क्रिस्टल-पिघल इंटरफ़ेस के पास तापमान में उतार-चढ़ाव के कारण होते हैं, जो एक असममित थर्मल वातावरण में पिघल और क्रिस्टल रोटेशन में अस्थिर थर्मल संवहन द्वारा प्रेरित होते हैं। इसके अलावा, विकास उपकरण में खराब खींचने वाले नियंत्रण तंत्र के कारण यांत्रिक कंपन भी तापमान में उतार-चढ़ाव का कारण बन सकते हैं।

आकृति13.11योजनाबद्ध रूप से aCZ- विकसित क्रिस्टल क्रॉस-सेक्शन को दिखाता है जिसमें घुमावदार क्रिस्टल-पिघल इंटरफ़ेस होता है, जिसके परिणामस्वरूप ऐलिस की सतह पर असमानताएं होती हैं। जैसा कि प्रत्येक तलीय वेफर कटा हुआ होता है, इसमें कई घुमावदार पट्टियों के विभिन्न भाग होते हैं। अलग अलगफोनोग्राफ के छल्ले, के रूप में भेजाज़ुल्फ़, फिर प्रत्येक वेफर में हो सकता है, जिसे ऊपर वर्णित तकनीकों का उपयोग करके वेफर में देखा जा सकता है।

Fig. 13.11 — चित्र 13.11
Czochralski क्रिस्टल क्रॉस-सेक्शन का योजनाबद्ध चित्रण जिसमें अलग-अलग भागों में कटे हुए घुमावदार क्रिस्टल-पिघल इंटरफ़ेस और प्लानर वेफर्स होते हैं। (उपरांत[13.1])

डोपिंग

वांछित प्रतिरोधकता प्राप्त करने के लिए, प्रतिरोधकता-एकाग्रता संबंध के अनुसार एसिलिकॉन मेल्ट में डोपेंट (या तो दाता या स्वीकर्ता परमाणु) की एक निश्चित मात्रा जोड़ी जाती है। अत्यधिक डोप किए गए सिलिकॉन कणों या लगभग 0.01 सेमी प्रतिरोधकता के टुकड़ों के रूप में डोपेंट को जोड़ना आम बात है, जिसे डोपेंट स्थिरता कहा जाता है, क्योंकि अत्यधिक डोप किए गए सिलिकॉन सामग्री को छोड़कर, शुद्ध डोपेंट की मात्रा अप्रबंधनीय रूप से छोटी होती है (एन+या पी+सिलिकॉन)।

असेमीकंडक्टर सामग्री के लिए एडॉपेंट का चयन करने का मानदंड यह है कि इसमें निम्नलिखित गुण हैं:

1.
उपयुक्त ऊर्जा स्तर
2.
उच्च घुलनशीलता
3.
उपयुक्त या कम प्रसार
4.
कम वाष्प दबाव।

उच्च प्रसार या उच्च वाष्प दबाव से डोपेंट का अवांछनीय प्रसार या वाष्पीकरण होता है, जिसके परिणामस्वरूप अस्थिर उपकरण संचालन और सटीक प्रतिरोधकता नियंत्रण प्राप्त करने में कठिनाइयाँ होती हैं। घुलनशीलता जो बहुत छोटी है, प्राप्त की जा सकने वाली प्रतिरोधकता को सीमित करती है। उन मानदंडों के अतिरिक्त, रासायनिक गुणों (उदाहरण के लिए विषाक्तता) पर विचार किया जाना चाहिए। क्रिस्टल विकास के दृष्टिकोण से आगे विचार यह है कि डोपेंट में पृथक्करण गुणांक है जो सीजेड क्रिस्टल पिंड के बीज-अंत से पूंछ-अंत तक प्रतिरोधकता को यथासंभव समान बनाने के लिए एकता के करीब है। नतीजतन, फॉस्फोरस (पी) और बोरॉन (बी) क्रमशः सिलिकॉन के लिए सबसे अधिक इस्तेमाल किए जाने वाले दाता और स्वीकर्ता डोपेंट हैं। नहीं के लिए+सिलिकॉन, जिसमें दाता परमाणुओं को भारी मात्रा में डोप किया जाता है, आमतौर पर फॉस्फोरस के बजाय सुरमा (Sb) का उपयोग किया जाता है, क्योंकि इसके छोटे प्रसार गुणांक और उच्च वाष्प दबाव के बावजूद, अक्षीय और दोनों में एकाग्रता में बड़े बदलाव होते हैं। रेडियल दिशाएँ।

ऑक्सीजन और कार्बन

जैसा कि अंजीर में योजनाबद्ध रूप से दिखाया गया है।13.3बी और13.6, एक्वार्ट्ज (SiO)2) CZ-Si क्रिस्टल विकास विधि में क्रूसिबल और ग्रेफाइट ताप तत्वों का उपयोग किया जाता है। क्रूसिबल की सतह जो सिलिकॉन पिघल से संपर्क करती है, प्रतिक्रिया के कारण धीरे-धीरे भंग हो जाती है

S i O_{2} + सि \to 2 S i O .

(१३.८) यह प्रतिक्रिया ऑक्सीजन के साथ पिघले हुए सिलिकॉन को समृद्ध करती है। अधिकांश ऑक्सीजन परमाणु पिघली हुई सतह से वाष्पशील सिलिकॉन मोनो-ऑक्साइड (SiO2) के रूप में वाष्पित हो जाते हैं, लेकिन उनमें से कुछ क्रिस्टल-पिघल इंटरफ़ेस के माध्यम से एसिलिकॉन क्रिस्टल में शामिल हो जाते हैं। हालाँकि, CZ सिलिकॉन क्रिस्टल में कार्बन मुख्य रूप से पॉलीक्रिस्टलाइन से उत्पन्न होता है। सामग्री। निर्माता के आधार पर 0.1 से 1 पीपीएमए तक कार्बन के स्तर पॉलीसिलिकॉन में पाए जाते हैं। पॉलीसिलिकॉन में कार्बन के स्रोतों को पॉलीसिलिकॉन के उत्पादन में उपयोग किए जाने वाले ट्राइक्लोरोसिलेन में पाए जाने वाले मुख्य रूप से कार्बन युक्त अशुद्धियों के रूप में माना जाता है। सीजेड पुलिंग उपकरण में ग्रेफाइट के हिस्से ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करके कार्बन संदूषण में योगदान कर सकते हैं, जो परिवेश के विकास के दौरान हमेशा मौजूद रहता है। CO और CO . के परिणामी उत्पाद2सिलिकॉन पिघल में घुल जाते हैं और सिलिकॉन क्रिस्टल में कार्बन अशुद्धियों के लिए खाते हैं। इस प्रकार, ऑक्सीजन और कार्बन दो प्रमुख गैर-डोपिंग अशुद्धियाँ हैं जिन्हें सीजेड सिलिकॉन क्रिस्टल में शामिल किया गया है जिस तरह से अंजीर में दिखाया गया है।13.12. सिलिकॉन में इन अशुद्धियों का व्यवहार, जो सीजेड सिलिकॉन क्रिस्टल के कई गुणों को प्रभावित करता है, 1950 के दशक के उत्तरार्ध से गहन अध्ययन का विषय रहा है।13.21].

Fig. 13.12 — चित्र 13.12
Czochralski सिलिकॉन क्रिस्टल में ऑक्सीजन और कार्बन का समावेश। (उपरांत[13.1])

13.4न्यू क्रिस्टल ग्रोथ मेथड्स

माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक उपकरण निर्माण के लिए उपयोग किए जाने वाले सिलिकॉन क्रिस्टल को उपकरण निर्माताओं द्वारा निर्धारित विभिन्न आवश्यकताओं को पूरा करना चाहिए। सिलिकॉन के लिए आवश्यकताओं के अलावावेफर्स, उच्च-उपज और उच्च-प्रदर्शन वाले माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक उपकरण निर्माण के कारण निम्नलिखित क्रिस्टलोग्राफिक मांगें अधिक सामान्य हो गई हैं:

1.
बड़ा व्यास
2.
कम या नियंत्रित दोष घनत्व
3.
समान और निम्न रेडियल प्रतिरोधकता प्रवणता
4.
इष्टतम प्रारंभिक ऑक्सीजन एकाग्रता और इसकी वर्षा।

यह स्पष्ट है कि सिलिकॉन क्रिस्टल निर्माताओं को न केवल उपरोक्त आवश्यकताओं को पूरा करना चाहिए, बल्कि आर्थिक रूप से और उच्च विनिर्माण पैदावार के साथ उन क्रिस्टल का उत्पादन भी करना चाहिए। सिलिकॉन क्रिस्टल उत्पादकों की मुख्य चिंताएं क्रिस्टलोग्राफिक पूर्णता और सीजेड सिलिकॉन में डोपेंट का अक्षीय वितरण हैं। पारंपरिक सीजेड क्रिस्टल विकास पद्धति के साथ कुछ समस्याओं को दूर करने के लिए, कई नए क्रिस्टल विकास विधियों का विकास किया गया है।

13.4.1एप्लाइड मैग्नेटिक फील्ड के साथ कज़ोक्राल्स्की ग्रोथ (एमसीजेड)

क्रूसिबल में पिघला हुआ संवहन प्रवाह सीजेड सिलिकॉन की क्रिस्टल गुणवत्ता को दृढ़ता से प्रभावित करता है। विशेष रूप से, प्रतिकूल विकास स्ट्राइक अस्थिर पिघल संवहन द्वारा प्रेरित होते हैं जिसके परिणामस्वरूप विकास इंटरफेस में तापमान में उतार-चढ़ाव होता है। विद्युत प्रवाहकीय द्रव में थर्मल संवहन को बाधित करने के लिए चुंबकीय क्षेत्र की क्षमता को पहले क्षैतिज नाव तकनीक के माध्यम से इंडियम एंटीमोनाइड के क्रिस्टल विकास पर लागू किया गया था।13.28] और क्षैतिज क्षेत्र-पिघलने की तकनीक[13.29]. इन जांचों के माध्यम से, यह पुष्टि की गई थी कि पर्याप्त शक्ति का चुंबकीय क्षेत्र पिघल संवहन के साथ होने वाले तापमान में उतार-चढ़ाव को दबा सकता है, और नाटकीय रूप से विकास की गति को कम कर सकता है।

विकास की धारियों पर चुंबकीय क्षेत्र के प्रभाव को इसकी क्षमता से समझाया जाता है कि यह पिघल के अशांत तापीय संवहन को कम करता है और बदले में क्रिस्टल-पिघल इंटरफ़ेस पर तापमान में उतार-चढ़ाव को कम करता है। चुंबकीय क्षेत्र के कारण होने वाला द्रव प्रवाह, प्रेरित मैग्नेटोमोटिव बल के कारण होता है, जब प्रवाह चुंबकीय प्रवाह रेखाओं के लिए ऑर्थोगोनल होता है, जिसके परिणामस्वरूप संवाहक पिघल की प्रभावी गतिज चिपचिपाहट में वृद्धि होती है।

1980 में पहली बार चुंबकीय क्षेत्र अनुप्रयुक्त CZ (MCZ) विधि द्वारा सिलिकॉन क्रिस्टल वृद्धि की सूचना दी गई थी [13.30]. मूल रूप से एमसीजेड सीजेड सिलिकॉन क्रिस्टल के विकास के लिए अभिप्रेत था जिसमें कम ऑक्सीजन सांद्रता होती है और इसलिए कम रेडियल विविधताओं के साथ उच्च प्रतिरोधकता होती है। दूसरे शब्दों में, एमसीजेड सिलिकॉन से एफजेड सिलिकॉन को बदलने की उम्मीद की गई थी जो लगभग विशेष रूप से बिजली उपकरण निर्माण के लिए उपयोग किया जाता था। तब से, चुंबकीय क्षेत्र की दिशा (क्षैतिज या ऊर्ध्वाधर) और उपयोग किए जाने वाले चुम्बकों के प्रकार (सामान्य प्रवाहकीय या अतिचालक) के संदर्भ में विभिन्न चुंबकीय क्षेत्र विन्यास विकसित किए गए हैं[13.31]. वांछित ऑक्सीजन सांद्रता (निम्न से उच्च तक) की विस्तृत श्रृंखला के साथ उत्पादित एमसीजेड सिलिकॉन विभिन्न डिवाइस अनुप्रयोगों के लिए बहुत रुचि रखता है। एमसीजेड सिलिकॉन का मूल्य इसकी उच्च गुणवत्ता और व्यापक रेंज में ऑक्सीजन एकाग्रता को नियंत्रित करने की क्षमता में निहित है, जिसे परंपरागत सीजेड विधि का उपयोग करके हासिल नहीं किया जा सकता है13.32], साथ ही साथ इसकी बढ़ी हुई विकास दर[13.33].

जहां तक क्रिस्टल की गुणवत्ता का संबंध है, इसमें कोई संदेह नहीं है कि एमसीजेड विधि अर्धचालक उपकरण उद्योग के लिए सबसे अनुकूल सिलिकॉन क्रिस्टल प्रदान करती है। एमसीजेड सिलिकॉन की उत्पादन लागत परंपरागत सीजेड सिलिकॉन की तुलना में अधिक हो सकती है क्योंकि एमसीजेड विधि अधिक विद्युत शक्ति की खपत करती है और इलेक्ट्रोमैग्नेट के लिए अतिरिक्त उपकरण और परिचालन स्थान की आवश्यकता होती है; हालांकि, एमसीजेड की उच्च विकास दर को ध्यान में रखते हुए, और जब सुपरकंडक्टिव मैग्नेट को छोटे स्थान की आवश्यकता होती है और प्रवाहकीय चुंबक की तुलना में कम विद्युत शक्ति का उपयोग किया जाता है, तो एमसीजेड सिलिकॉन क्रिस्टल की उत्पादन लागत परंपरागत सीजेड सिलिकॉन क्रिस्टल की तुलना में तुलनीय हो सकती है। इसके अलावा, एमसीजेड सिलिकॉन की बेहतर क्रिस्टल गुणवत्ता उत्पादन पैदावार बढ़ा सकती है और उत्पादन लागत कम कर सकती है।

13.4.2सतत Czochralski विधि (सीसीजेड)

क्रिस्टल उत्पादन लागत काफी हद तक सामग्री की लागत पर निर्भर करती है, विशेष रूप से क्वार्ट्ज क्रूसिबल के लिए उपयोग की जाने वाली लागत पर। पारंपरिक CZ प्रक्रिया में, जिसे a . कहा जाता हैबैच प्रक्रियाक्रिस्टल को सिंगल क्रूसिबल चार्ज से खींचा जाता है, और क्वार्ट्ज क्रूसिबल का उपयोग केवल एक बार किया जाता है और फिर उसे छोड़ दिया जाता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि शेष सिलिकॉन की थोड़ी मात्रा क्रूसिबल को तोड़ देती है क्योंकि यह प्रत्येक विकास के दौरान उच्च तापमान से ठंडा होता है।

एक्वार्ट्ज क्रूसिबल को आर्थिक रूप से पिघलाने के लिए एक रणनीति यह है कि क्रिस्टल के बढ़ने के साथ-साथ लगातार फ़ीड को जोड़ा जाए और इस तरह पिघल को स्थिर मात्रा में बनाए रखा जाए। क्रूसिबल लागतों को बचाने के अलावा, निरंतर-चार्जिंग Czochralski (CCZ) विधि सिलिकॉन क्रिस्टल के विकास के लिए एक आदर्श वातावरण प्रदान करती है। जैसा कि पहले ही उल्लेख किया गया है, पारंपरिक सीजेड बैच प्रक्रिया द्वारा विकसित क्रिस्टल में कई असमानताएं क्रिस्टल वृद्धि के दौरान पिघले हुए आयतन में परिवर्तन से उत्पन्न होने वाले अस्थिर कैनेटीक्स का प्रत्यक्ष परिणाम हैं। CCZ पद्धति का उद्देश्य न केवल उत्पादन लागत को कम करना है बल्कि स्थिर परिस्थितियों में क्रिस्टल विकसित करना भी है। पिघले हुए आयतन को स्थिर स्तर पर बनाए रखने से, स्थिर तापीय और पिघले प्रवाह की स्थिति प्राप्त की जा सकती है (चित्र देखें।13.9, जो पारंपरिक सीजेड वृद्धि के दौरान थर्मल वातावरण में परिवर्तन को दर्शाता है)।

निरंतर चार्जिंग आमतौर पर पॉलीसिलिकॉन फीडिंग द्वारा की जाती है, जैसा कि अंजीर में दिखाया गया है।13.13[13.34]. इस प्रणाली में पॉलीसिलिकॉन कच्चे माल और एविब्रेटरी फीडर के भंडारण के लिए एक हॉपर होता है जो पॉलीसिलिकॉन को क्रूसिबल में स्थानांतरित करता है। क्रूसिबल में जिसमें सिलिकॉन पिघला होता है, ग्रोथ इंटरफेस के आसपास ठोस सामग्री में खिलाने के कारण पिघले अशांति को रोकने के लिए एक्वार्ट्ज बैफल की आवश्यकता होती है। मुक्त बहने वाले पॉलीसिलिकॉन ग्रैन्यूल जैसे कि पहले उल्लेख किए गए सीसीजेड विधि के लिए स्पष्ट रूप से फायदेमंद हैं।

Fig. 13.13 — चित्र 13.13
सतत-चार्जिंग Czochralski विधि का योजनाबद्ध चित्रण। (उपरांत[13.34])

CCZ विधि निश्चित रूप से पारंपरिक CZ विधि द्वारा विकसित क्रिस्टल में असमानताओं से संबंधित अधिकांश समस्याओं को हल करती है। इसके अलावा, MCZ और CCZ का संयोजन (चुंबकीय-क्षेत्र-लागू निरंतर CZ (एमसीसीजेड) विधि) से माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों की विस्तृत विविधता के लिए आदर्श सिलिकॉन क्रिस्टल प्रदान करते हुए, अंतिम क्रिस्टल विकास विधि प्रदान करने की उम्मीद है।13.1]. दरअसल, इसका उपयोग माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए उच्च गुणवत्ता वाले सिलिकॉन क्रिस्टल विकसित करने के लिए किया गया है।13.35].

हालांकि, इस बात पर जोर दिया जाना चाहिए कि क्रिस्टल के विभिन्न हिस्सों (बीज से पूंछ के अंत तक, जैसा कि अंजीर में दिखाया गया है) के विभिन्न थर्मल इतिहास।13.9) पर तब भी विचार किया जाना चाहिए जब क्रिस्टल को आदर्श वृद्धि विधि द्वारा उगाया जाता है। उगाए गए क्रिस्टल को समरूप बनाने के लिए या थर्मल इतिहास में अक्षीय एकरूपता प्राप्त करने के लिए, कुछ प्रकार के उपचार के बाद, जैसे उच्च तापमान एनीलिंग [13.36], क्रिस्टल के लिए आवश्यक है।

13.4.3नेकलेस ग्रोथ मेथड

जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, डैश की नेकिंग प्रक्रिया (जो पतली गर्दन ३-५ मिमी व्यास में बढ़ती है, अंजीर।13.7) सीजेड क्रिस्टल वृद्धि के दौरान एक महत्वपूर्ण कदम है क्योंकि यह उगाए गए अव्यवस्थाओं को समाप्त करता है। यह तकनीक 40 से अधिक वर्षों से उद्योग मानक रही है। हालांकि, हाल ही में बड़े क्रिस्टल व्यास ([जीजी] जीटी; ३०० मिमी, वजन ३०० किलोग्राम से अधिक) की मांग के परिणामस्वरूप बड़े व्यास की गर्दन की आवश्यकता हुई है जो बढ़ते क्रिस्टल में अव्यवस्था का परिचय नहीं देती है, क्योंकि एथिन नेक ३-५ मिमी व्यास में है। इतने बड़े क्रिस्टल का समर्थन नहीं कर सकता।

बड़े व्यास के बीज जो आमतौर पर १७० मिमी लंबे होते हैं, [जीजी] जीटी के न्यूनतम व्यास के साथ; 10 मिमी और औसतन 12 मिमी सिलिकॉन से उगाया जाता है जो बोरॉन के साथ भारी मात्रा में पिघलाया जाता है (

[जीजी] जीटी; 10^{19} a t o m s / c m^{3}

) अव्यवस्था मुक्त 200 मिमी-व्यास सीजेड सिलिकॉन क्रिस्टल विकसित करने के लिए उपयोग किया गया है [13.37,13.38]. यह अनुमान लगाया गया है कि 12 मिमी व्यास वाले बड़े व्यास की गर्दन 2000 किलो तक के भारी क्रिस्टल का समर्थन कर सकती है।13.39]. आकृति13.14a,bडैश नेकिंग प्रक्रिया के बिना उगाए गए 200 मिमी-व्यास अव्यवस्था मुक्त सीजेड सिलिकॉन क्रिस्टल दिखाता है, और अंजीर।13.14a,bb इसके बढ़े हुए बीज को दर्शाता है (चित्र से तुलना करें।13.7) जिस तंत्र द्वारा अव्यवस्थाओं को बढ़ते क्रिस्टल में शामिल नहीं किया जाता है, उसे मुख्य रूप से सिलिकॉन में बोरॉन के भारी डोपिंग के सख्त प्रभाव के लिए जिम्मेदार ठहराया गया है।

Fig. 13.14a,b — चित्र 13.14a,b
डैश नेकिंग प्रक्रिया के बिना उगाए गए 200 मिमी-व्यास अव्यवस्था मुक्त Czochralski सिलिकॉन क्रिस्टल। (a)पूरा शरीर, (b) बीज और शंकु। (प्रो. के. होशिकावा के सौजन्य से)

संदर्भ

13.1एफ. शिमुरा:सेमीकंडक्टर सिलिकॉन क्रिस्टल प्रौद्योगिकी(अकादमिक, न्यूयॉर्क 1988)गूगल शास्त्री
13.2WC डैश: जे. अप्लीकेशन। भौतिक.29, 736 (1958)क्रॉसरेफ़गूगल शास्त्री
13.3 के। ताकाडा, एच। यामागिशी, एच। मिनामी, एम। इमाई: इन:सेमीकंडक्टर सिलिकॉन(द इलेक्ट्रोकेमिकल सोसाइटी, पेनिंगटन 1998) p.376गूगल शास्त्री
13.4JRMcCormic: में:सेमीकंडक्टर सिलिकॉन(द इलेक्ट्रोकेमिकल सोसाइटी, पेनिंगटन 1986) पृष्ठ 43गूगल शास्त्री
13.5PA टेलर: सॉलिड स्टेट टेक्नोलॉजी।जुलाई, 53 (1987)गूगल शास्त्री
13.6WG पफ़ान: ट्रांस। हूँ। इंस्ट। न्यूनतम। धातु। इंजी.194, 747 (1952)गूगल शास्त्री
13.7CHTheuerer: यूएस पेटेंट 3060123 (1962)गूगल शास्त्री
13.8PH केक, एमजेई गोले: फिज। रेव89, 1297 (1953)क्रॉसरेफ़गूगल शास्त्री
13.9 डब्ल्यू। केलर, ए. मुहलबाउर:फ़्लोटिंग-ज़ोन सिलिकॉन(मार्सेल डेकर, न्यूयॉर्क 1981)गूगल शास्त्री
13.10JM मीज़:सेमीकंडक्टर्स में न्यूट्रॉन ट्रांसम्यूटेशन डोपिंग(प्लेनम, न्यूयॉर्क १९७९)क्रॉसरेफ़गूगल शास्त्री
13.11HMLiaw, CJVarker: में:सेमीकंडक्टर सिलिकॉन(द इलेक्ट्रोकेमिकल सोसाइटी, पेनिंगटन 1977) पृष्ठ 116गूगल शास्त्री
13.12ELKern, LSYaggy, JABarker: In:सेमीकंडक्टर सिलिकॉन(द इलेक्ट्रोकेमिकल सोसाइटी, पेनिंगटन 1977) पी.52गूगल शास्त्री
१३.१३एसएम हू: एपल। भौतिक. लेट.31, 53 (1977)क्रॉसरेफ़गूगल शास्त्री
१३.१४के. सुमिनो, एच. हरदा, आई. योनेनागा: जेपीएन. जे. एपल. भौतिक.19, L49 (1980)क्रॉसरेफ़गूगल शास्त्री
१३.१५ के. सुमिनो, आई। योनेनागा, ए। युसा: जेपीएन। जे. एपल. भौतिक.19, L763 (1980)क्रॉसरेफ़गूगल शास्त्री
13.16T.आबे, के. किकुची, एस.शिराई: में:सेमीकंडक्टर सिलिकॉन(द इलेक्ट्रोकेमिकल सोसाइटी, पेनिंगटन 1981) पी.54गूगल शास्त्री
१३.१७ जे. Czochralski: Z. Phys. रसायन।92, 219 (1918)गूगल शास्त्री
13.18जीके टील, जेबी लिटिल: फिज। रेव78, 647 (1950)गूगल शास्त्री
१३.१९ डब्ल्यू. जुलेहनेर, डी. ह्यूबर: इन:क्रिस्टल 8: सिलिकॉन, रासायनिक नक़्क़ाशी(स्प्रिंगर, बर्लिन, हीडलबर्ग 1982) पृ. 1गूगल शास्त्री
13.20एच. त्सुया, एफ। शिमुरा, के। ओगावा, टी। कवामुरा: जे। इलेक्ट्रोकेम। समाज.129, 374 (1982)क्रॉसरेफ़गूगल शास्त्री
१३.२१एफ. शिमुरा (सं.):सिलिकॉन में ऑक्सीजन(अकादमिक, न्यूयॉर्क 1994)गूगल शास्त्री
१३.२२एस. किशिनो, वाई। मत्सुशिता, एम। कनामोरी: एपीएल। भौतिक. लेट.35, 213 (1979)क्रॉसरेफ़गूगल शास्त्री
१३.२३एफ. शिमुरा: जे। एपल। भौतिक.59, 3251 (1986)क्रॉसरेफ़गूगल शास्त्री
13.24HD Chiou, J. Moody, R. Sandfort, F. Shimura: VLSI Science Technology, Proc. दूसरा इंट। सिम्प. बहुत बड़े पैमाने पर इंटीग्रल। (द इलेक्ट्रोकेमिकल सोसाइटी, पेनिंगटन 1984) पी। 208गूगल शास्त्री
१३.२५एफ. शिमुरा, आरएस हॉकेट: एपल। भौतिक. लेट.48, 224 (1986)क्रॉसरेफ़गूगल शास्त्री
13.26A.ह्यूबर, एम.कैप्सर, जे.ग्रैबमीयर, यू.लैम्बर्ट, WvAmmon, R.Pech: इन:सेमीकंडक्टर सिलिकॉन(द इलेक्ट्रोकेमिकल सोसाइटी, पेनिंगटन 2002) पृष्ठ 280गूगल शास्त्री
13.27GARozgonyi: में:सेमीकंडक्टर सिलिकॉन(द इलेक्ट्रोकेमिकल सोसाइटी, पेनिंगटन 2002) पृष्ठ 149गूगल शास्त्री
13.28HP Utech, MC Flemings: J. Appl। भौतिक.37, 2021 (1966)क्रॉसरेफ़गूगल शास्त्री
13.29HA चेडज़ी, डीटी हर्टल: प्रकृति:210, 933 (1966)क्रॉसरेफ़गूगल शास्त्री
13.30K.होशी, टी.सुजुकी, वाई.ओकुबो, एन.इसावा: एक्सटेंशन। सार विद्युत रसायन। समाज. 157वीं बैठक। (द इलेक्ट्रोकेमिकल सोसाइटी, पेनिंगटन 1980) पृष्ठ.८११गूगल शास्त्री
13.31एम.ओहवा, टी.हिगुची, ई.तोजी, एम.वतानाबे, के.होमा, एस.ताकासु: इन:सेमीकंडक्टर सिलिकॉन(द इलेक्ट्रोकेमिकल सोसाइटी, पेनिंगटन 1986) पी.117गूगल शास्त्री
13.32M.Futagami, K.Hoshi, N.Isawa, T.Suzuki, Y.Okubo, Y.Kato, Y.Okamoto: In:सेमीकंडक्टर सिलिकॉन(द इलेक्ट्रोकेमिकल सोसाइटी, पेनिंगटन 1986) p.939गूगल शास्त्री
13.33T.सुजुकी, N.Isawa, K.Hoshi, Y.Kato, Y.Okubo: में:सेमीकंडक्टर सिलिकॉन(द इलेक्ट्रोकेमिकल सोसाइटी, पेनिंगटन 1986) पृष्ठ.142गूगल शास्त्री
13.34W.ज़ुलेहनेर: इन:सेमीकंडक्टर सिलिकॉन(द इलेक्ट्रोकेमिकल सोसाइटी, पेनिंगटन 1990) पृष्ठ 30गूगल शास्त्री
13.35Y.अराई, एम.किदा, एन.ओनो, के.एबे, एन.मचिदा, एच.फुतुया, के.साहिरा: में:सेमीकंडक्टर सिलिकॉन(द इलेक्ट्रोकेमिकल सोसाइटी, पेनिंगटन 1994) पृष्ठ 180गूगल शास्त्री
१३.३६एफ. शिमुरा: में:वीएलएसआई विज्ञान और प्रौद्योगिकी(द इलेक्ट्रोकेमिकल सोसाइटी, पेनिंगटन 1982) पी। 17गूगल शास्त्री
13.37एस.चंद्रशेखर, केएमकिम: इन:सेमीकंडक्टर सिलिकॉन(द इलेक्ट्रोकेमिकल सोसाइटी, पेनिंगटन 1998) p.411गूगल शास्त्री
13.38K. होशिकावा, एक्स। हुआंग, टी। ताइशी, टी। काजीगया, टी। इनो: जेपीएन। जे. एपल. भौतिक.38, L1369 (1999)क्रॉसरेफ़गूगल शास्त्री
13.39KM किम, पी. स्मेताना: जे. क्रिस्ट। विकास100, 527 (1989)क्रॉसरेफ़गूगल शास्त्री