Método Czochralski

Bolachassão cortados de bastões de cristal, que são produzidos a partir de materiais intrínsecos policristalinos e puros não dopados. O processo de transformação de material policristalino em monocristais por meio de fusão e recristalização é conhecido como crescimento de cristal. Atualmente, dois métodos principais são empregados para este processo: o método Czochralski e o método de fusão por zona. Entre estes, o método Czochralski (muitas vezes referido como método CZ) é o mais significativo para o cultivo de monocristais a partir de fundidos. Na verdade, mais de 85% do silício monocristalino é produzido usando o método Czochralski.

O método Czochralski envolve aquecimento e fusão de materiais de silício policristalino de alta pureza em um estado líquido sob alto vácuo ou atmosfera de gás inerte, seguido de recristalização para formar silício monocristalino. O equipamento necessário para este processo inclui um forno monocristalino Czochralski, que consiste em um corpo de forno, um sistema de transmissão mecânica, um sistema de controle de temperatura e um sistema de transmissão de gás. O design do forno garante distribuição uniforme de temperatura e dissipação de calor eficaz. O sistema de transmissão mecânica gerencia o movimento do cadinho e do cristal semente, enquanto o sistema de aquecimento derrete o polissilício usando uma bobina de alta frequência ou um aquecedor de resistência. O sistema de transmissão de gás é responsável por criar vácuo e encher a câmara com gás inerte para evitar a oxidação da solução de silício, com nível de vácuo necessário abaixo de 5 Torr e pureza de gás inerte de pelo menos 99,9999%.

A pureza da haste de cristal é crítica, pois afeta significativamente a qualidade do wafer resultante. Portanto, manter a pureza elevada durante o crescimento de monocristais é essencial.

O crescimento do cristal envolve o uso de silício monocristalino com uma orientação cristalina específica como cristal inicial para cultivar lingotes de silício. O lingote de silício resultante “herdará” as características estruturais (orientação do cristal) do cristal semente. Para garantir que o silício fundido siga com precisão a estrutura cristalina do cristal de semente e se expanda gradualmente em um grande lingote de silício de cristal único, as condições na interface de contato entre o silício fundido e os cristais de semente de silício de cristal único devem ser estritamente controladas. Este processo é facilitado por um forno de crescimento de cristal único Czochralski (CZ).

As principais etapas no cultivo de silício monocristalino através do método CZ são as seguintes:

Estágio de preparação:

1. Comece com silício policristalino de alta pureza, depois triture e limpe-o usando uma solução mista de ácido fluorídrico e ácido nítrico.

2. Faça o polimento do cristal inicial, garantindo que sua orientação corresponda à direção de crescimento desejada do silício monocristalino e que esteja livre de defeitos. Quaisquer imperfeições serão “herdadas” pelo cristal em crescimento.

3. Selecione as impurezas a serem adicionadas ao cadinho para controlar o tipo de condutividade do cristal em crescimento (tipo N ou tipo P).

4. Enxágue todos os materiais limpos com água deionizada de alta pureza até ficarem neutros e depois seque-os.

Carregando o Forno:

1. Coloque o polissilício triturado em um cadinho de quartzo, prenda o cristal-semente, cubra-o, evacue o forno e encha-o com gás inerte.

Aquecimento e fusão de polissilício:

1. Depois de encher com gás inerte, aqueça e derreta o polissilício no cadinho, normalmente a uma temperatura de cerca de 1420°C.

Estágio de crescimento:

1. Esta etapa é chamada de “semeadura”. Abaixe a temperatura para um pouco abaixo de 1420°C para que o cristal semente fique posicionado alguns milímetros acima da superfície do líquido.

2. Pré-aqueça o cristal semente por cerca de 2-3 minutos para atingir o equilíbrio térmico entre o silício fundido e o cristal semente.

3. Após o pré-aquecimento, coloque o cristal de semente em contato com a superfície de silício fundido para completar o processo de semeadura.

Estágio de pescoço:

1. Após a etapa de semeadura, aumente gradualmente a temperatura enquanto o cristal semente começa a girar e é puxado lentamente para cima, formando um pequeno cristal único com um diâmetro de cerca de 0,5 a 0,7 cm, menor que o cristal semente inicial.

2. O objetivo principal durante esta etapa de estreitamento é eliminar quaisquer defeitos presentes no cristal de semente, bem como quaisquer novos defeitos que possam surgir devido a flutuações de temperatura durante o processo de semeadura. Embora a velocidade de tração seja comparativamente rápida durante esta fase, ela deve ser mantida dentro de limites apropriados para evitar uma operação excessivamente rápida.

Estágio de ombro:

1. Após a conclusão do estreitamento, diminua a velocidade de extração e reduza a temperatura para permitir que o cristal atinja gradualmente o diâmetro necessário.

2. O controle cuidadoso da temperatura e da velocidade de extração durante esse processo de transferência é essencial para garantir um crescimento uniforme e estável do cristal.

Estágio de crescimento de diâmetro igual:

1. À medida que o processo de escoramento se aproxima da conclusão, aumente lentamente e estabilize a temperatura para garantir um crescimento uniforme do diâmetro.

2. Esta etapa requer um controle rigoroso da velocidade e temperatura de extração para garantir a uniformidade e consistência do único cristal.

Etapa de acabamento:

1. À medida que o crescimento do cristal único se aproxima da conclusão, aumente moderadamente a temperatura e acelere a taxa de extração para diminuir gradualmente o diâmetro da haste de cristal em uma ponta.

2. Este afilamento ajuda a evitar defeitos que podem surgir devido a uma queda repentina de temperatura quando a haste de cristal sai do estado fundido, garantindo assim a alta qualidade geral do cristal.

Após a conclusão da extração direta do cristal único, a haste de cristal da matéria-prima do wafer é obtida. Ao cortar a haste de cristal, obtém-se o wafer mais original. No entanto, o wafer não pode ser usado diretamente neste momento. Para obter wafers utilizáveis, são necessárias algumas operações subsequentes complexas, como polimento, limpeza, deposição de filme fino, recozimento, etc.

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