Productie van monokristallijn silicium

Monokristallijn siliciumis een fundamenteel materiaal dat wordt gebruikt bij de productie van grootschalige geïntegreerde schakelingen, chips en zonnecellen. Als traditionele basis voor halfgeleiderapparaten blijven op silicium gebaseerde chips een hoeksteen van de moderne elektronica. De groei vanmonokristallijn silicium, vooral vanuit gesmolten toestand, is van cruciaal belang voor het garanderen van hoogwaardige, defectvrije kristallen die voldoen aan de strenge eisen van industrieën zoals elektronica en fotovoltaïsche zonne-energie. Er worden verschillende technieken gebruikt om enkele kristallen vanuit gesmolten toestand te laten groeien, elk met zijn eigen voordelen en specifieke toepassingen. De drie belangrijkste methoden die worden gebruikt bij de productie van monokristallijn silicium zijn de Czochralski (CZ) -methode, de Kyropoulos-methode en de Float Zone (FZ) -methode.

1. Czochralski-methode (CZ)

De Czochralski-methode is een van de meest gebruikte teeltprocessenmonokristallijn siliciumuit een gesmolten toestand. Deze methode omvat het roteren en trekken van een entkristal uit een siliciumsmelt onder gecontroleerde temperatuuromstandigheden. Terwijl het zaadkristal geleidelijk wordt opgetild, trekt het siliciumatomen uit de smelt, die zichzelf rangschikken in een enkele kristallijne structuur die overeenkomt met de oriëntatie van het zaadkristal.

Voordelen van de Czochralski-methode:

Hoogwaardige kristallen: De Czochralski-methode zorgt voor de snelle groei van hoogwaardige kristallen. Het proces kan continu worden gemonitord, waardoor realtime aanpassingen mogelijk zijn om een ​​optimale kristalgroei te garanderen.

Lage spanning en minimale defecten: Tijdens het groeiproces komt het kristal niet in direct contact met de smeltkroes, waardoor de interne spanning wordt verminderd en ongewenste kiemvorming op de kroeswanden wordt vermeden.

Instelbare defectdichtheid: Door de groeiparameters nauwkeurig af te stemmen, kan de dislocatiedichtheid in het kristal worden geminimaliseerd, wat resulteert in zeer complete en uniforme kristallen.

De basisvorm van de Czochralski-methode is in de loop van de tijd aangepast om bepaalde beperkingen aan te pakken, vooral wat betreft de kristalgrootte. Traditionele CZ-methoden zijn over het algemeen beperkt tot het produceren van kristallen met een diameter van ongeveer 51 tot 76 mm. Om deze beperking te overwinnen en grotere kristallen te laten groeien, zijn er verschillende geavanceerde technieken ontwikkeld, zoals de Liquid Encapsulated Czochralski (LEC)-methode en de Guided Mold-methode.

Liquid Encapsulated Czochralski (LEC)-methode: Deze gemodificeerde techniek is ontwikkeld om vluchtige III-V-halfgeleiderkristallen te laten groeien. De vloeibare inkapseling helpt de vluchtige elementen tijdens het groeiproces onder controle te houden, waardoor samengestelde kristallen van hoge kwaliteit mogelijk zijn.

Guided Mold Method: Deze techniek biedt verschillende voordelen, waaronder snellere groeisnelheden en nauwkeurige controle over de kristalafmetingen. Het is energiezuinig, kosteneffectief en in staat grote, complex gevormde monokristallijne structuren te produceren.

2. Kyropoulos-methode

De Kyropoulos-methode, vergelijkbaar met de Czochralski-methode, is een andere kweektechniekmonokristallijn silicium. De Kyropoulos-methode is echter afhankelijk van nauwkeurige temperatuurregeling om kristalgroei te bereiken. Het proces begint met de vorming van een entkristal in de smelt, en de temperatuur wordt geleidelijk verlaagd, waardoor het kristal kan groeien.

Voordelen van de Kyropoulos-methode:

Grotere kristallen: Een van de belangrijkste voordelen van de Kyropoulos-methode is het vermogen om grotere monokristallijne siliciumkristallen te produceren. Met deze methode kunnen kristallen groeien met een diameter groter dan 100 mm, waardoor het een voorkeurskeuze is voor toepassingen die grote kristallen vereisen.

Snellere groei: De Kyropoulos-methode staat bekend om zijn relatief hoge kristalgroeisnelheid in vergelijking met andere methoden.

Lage stress en defecten: Het groeiproces wordt gekenmerkt door lage interne stress en minder defecten, wat resulteert in kristallen van hoge kwaliteit.

Directionele kristalgroei: De Kyropoulos-methode maakt de gecontroleerde groei van directioneel uitgelijnde kristallen mogelijk, wat gunstig is voor bepaalde elektronische toepassingen.

Om kristallen van hoge kwaliteit te verkrijgen met behulp van de Kyropoulos-methode, moeten twee kritische parameters zorgvuldig worden beheerd: de temperatuurgradiënt en de kristalgroeioriëntatie. Een goede controle van deze parameters zorgt voor de vorming van defectvrije, grote monokristallijne siliciumkristallen.

3. Zwevende Zone (FZ)-methode

De Float Zone (FZ)-methode is, in tegenstelling tot de methoden van Czochralski en Kyropoulos, niet afhankelijk van een smeltkroes om het gesmolten silicium te bevatten. In plaats daarvan gebruikt deze methode het principe van zone-smelten en segregatie om het silicium te zuiveren en kristallen te laten groeien. Bij het proces wordt een siliciumstaaf blootgesteld aan een gelokaliseerde verwarmingszone die langs de staaf beweegt, waardoor het silicium smelt en vervolgens opnieuw stolt in een kristallijne vorm naarmate de zone vordert. Deze techniek kan zowel horizontaal als verticaal worden uitgevoerd, waarbij de verticale configuratie gebruikelijker is en de zwevende zonemethode wordt genoemd.

De FZ-methode is oorspronkelijk ontwikkeld voor de zuivering van materialen met behulp van het principe van scheiding van opgeloste stoffen. Deze methode kan ultrazuiver silicium produceren met extreem lage onzuiverheidsniveaus, waardoor het ideaal is voor halfgeleidertoepassingen waarbij materialen met een hoge zuiverheid essentieel zijn.

Voordelen van de Float Zone-methode:

Hoge zuiverheid: Omdat de siliciumsmelt niet in contact komt met een smeltkroes, vermindert de Float Zone-methode de vervuiling aanzienlijk, wat resulteert in ultrazuivere siliciumkristallen.

Geen contact met de smeltkroes: Het gebrek aan contact met een smeltkroes betekent dat het kristal vrij is van onzuiverheden die door het containermateriaal worden geïntroduceerd, wat vooral belangrijk is voor toepassingen met een hoge zuiverheid.

Directionele stolling: De Float Zone-methode maakt nauwkeurige controle van het stollingsproces mogelijk, waardoor de vorming van hoogwaardige kristallen met minimale defecten wordt gegarandeerd.

Conclusie

Monokristallijn siliciumproductie is een essentieel proces voor de productie van hoogwaardige materialen die worden gebruikt in de halfgeleider- en zonnecelindustrie. De Czochralski-, Kyropoulos- en Float Zone-methoden bieden elk unieke voordelen, afhankelijk van de specifieke vereisten van de toepassing, zoals kristalgrootte, zuiverheid en groeisnelheid. Naarmate de technologie zich blijft ontwikkelen, zullen verbeteringen in deze kristalgroeitechnieken de prestaties van op silicium gebaseerde apparaten op verschillende hightechgebieden verder verbeteren.

---

Semicorex biedt hoogwaardige kwaliteitgrafiet onderdelenvoor het kristalgroeiproces. Als u vragen heeft of aanvullende informatie nodig heeft, aarzel dan niet om contact met ons op te nemen.

Neem contact op met telefoonnummer +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com