Método Czochralski - Czochralski method

Cristalização
Processo de Cristalização-200px.png
Fundamentos
Cristal  · Estrutura cristalina  · Nucleação
Conceitos
A cristalização  · Crescimento de Cristais
recristalização  · cristal semente
Protocrystalline  · cristal único
Métodos e tecnologia

Método de Boules Bridgman-Stockbarger Processo de
barra de cristal Método de
Czochralski
Epitaxy  · Método de fluxo
Cristalização
fracionada Congelamento fracionário
Síntese
hidrotérmica Método de Kyropoulos
Crescimento de pedestal aquecido a laser
Micro-pull-down
Processos de modelagem em crescimento de cristal
Cadinho de crânio
Método Verneuil
Derretimento de zona

O método de Czochralski , também técnica de Czochralski ou processo de Czochralski , é um método de crescimento de cristal usado para obter cristais únicos de semicondutores (por exemplo , silício , germânio e arseneto de gálio ), metais (por exemplo , paládio , platina, prata, ouro), sais e gemas sintéticas . O método tem o nome do cientista polonês Jan Czochralski , que inventou o método em 1915 enquanto investigava as taxas de cristalização de metais. Ele fez essa descoberta por acidente: em vez de mergulhar a caneta no tinteiro, mergulhou-a em estanho derretido e desenhou um filamento de estanho, que mais tarde provou ser um único cristal .

A aplicação mais importante pode ser o crescimento de grandes lingotes cilíndricos , ou boules , de silício de cristal único usado na indústria eletrônica para fazer dispositivos semicondutores como circuitos integrados . Outros semicondutores, como o arsenieto de gálio , também podem ser cultivados por este método, embora as densidades de defeito mais baixas neste caso possam ser obtidas usando variantes do método Bridgman-Stockbarger .

O método não se limita à produção de cristais de metal ou metalóide . Por exemplo, é usado para fabricar cristais de sais de altíssima pureza, incluindo material com composição isotópica controlada, para uso em experimentos de física de partículas, com controles rígidos (partes por bilhão de medições) em íons metálicos confusos e água absorvida durante a fabricação.

Aplicativo

O silício monocristalino (mono-Si) cultivado pelo método Czochralski é frequentemente referido como silício Czochralski monocristalino (Cz-Si). É o material básico na produção de circuitos integrados utilizados em computadores, TVs, telefones celulares e todos os tipos de equipamentos eletrônicos e dispositivos semicondutores . O silício monocristalino também é usado em grandes quantidades pela indústria fotovoltaica para a produção de células solares mono-Si convencionais . A estrutura de cristal quase perfeita produz a mais alta eficiência de conversão de luz em eletricidade para o silício.

Produção de silício Czochralski

Cristal de silício cultivado por Czochralski

O silício de alta pureza com grau de semicondutor (apenas algumas partes por milhão de impurezas) é derretido em um cadinho a 1.425 ° C (2.597 ° F; 1.698 K), geralmente feito de quartzo . Átomos de impurezas contaminantes, como boro ou fósforo, podem ser adicionados ao silício fundido em quantidades precisas para dopar o silício, transformando-o assim em silício tipo p ou tipo n , com propriedades eletrônicas diferentes. Um cristal de semente montado em haste precisamente orientado é mergulhado no silício fundido. A haste do cristal de semente é lentamente puxada para cima e girada simultaneamente. Ao controlar com precisão os gradientes de temperatura, a taxa de tração e a velocidade de rotação, é possível extrair um grande lingote cilíndrico de cristal único do fundido. A ocorrência de instabilidades indesejadas no fundido pode ser evitada investigando e visualizando os campos de temperatura e velocidade durante o processo de crescimento do cristal. Esse processo normalmente é realizado em uma atmosfera inerte , como o argônio , em uma câmara inerte, como o quartzo.

Tamanhos de cristal

Cristal de silício sendo cultivado pelo método Czochralski em Raytheon, 1956. A bobina de aquecimento por indução é visível, e a extremidade do cristal está emergindo da fusão. O técnico está medindo a temperatura com um pirômetro óptico . Os cristais produzidos por esse aparato antigo, usado em uma planta de Si primitiva, tinham apenas uma polegada de diâmetro.

Devido às eficiências de escala, a indústria de semicondutores costuma usar wafers com dimensões padronizadas ou especificações comuns de wafer . No início, as bochas eram pequenas, com alguns centímetros de largura. Com tecnologia avançada, os fabricantes de dispositivos de última geração usam wafers de 200 mm e 300 mm de diâmetro. A largura é controlada pelo controle preciso da temperatura, das velocidades de rotação e da velocidade na qual o porta-sementes é retirado. Os lingotes de cristal dos quais as bolachas são cortadas podem ter até 2 metros de comprimento, pesando várias centenas de quilos. Wafers maiores permitem melhorias na eficiência de fabricação, pois mais chips podem ser fabricados em cada wafer, com menor perda relativa, portanto, tem havido um impulso constante para aumentar os tamanhos dos wafer de silício. O próximo passo, 450 mm, está atualmente programado para introdução em 2018. Os wafers de silício têm normalmente cerca de 0,2–0,75 mm de espessura e podem ser polidos até obter uma grande planura para fazer circuitos integrados ou texturizados para fazer células solares .

O processo começa quando a câmara é aquecida a aproximadamente 1500 graus Celsius, derretendo o silício. Quando o silício está totalmente derretido, um pequeno cristal de semente montado na extremidade de um eixo rotativo é abaixado lentamente até que mergulhe logo abaixo da superfície do silício fundido. O eixo gira no sentido anti-horário e o cadinho gira no sentido horário. A haste giratória é então puxada para cima muito lentamente - cerca de 25 mm por hora ao fazer um cristal de rubi - permitindo que uma boule aproximadamente cilíndrica seja formada. O boule pode ser de um a dois metros, dependendo da quantidade de silício no cadinho.

As características elétricas do silício são controladas pela adição de material como fósforo ou boro ao silício antes que ele seja derretido. O material adicionado é denominado dopante e o processo é denominado dopagem. Este método também é usado com materiais semicondutores diferentes do silício, como o arseneto de gálio.

Incorporando impurezas

Uma haste extratora com cristal semente para o cultivo de silício monocristalino pelo método Czochralski
Cadinhos usados ​​no método Czochralski
Cadinho após ser usado

Quando o silício é cultivado pelo método Czochralski, o fundido é contido em um cadinho de sílica ( quartzo ). Durante o crescimento, as paredes do cadinho se dissolvem no fundido e o silício Czochralski, portanto, contém oxigênio em uma concentração típica de 1018
 cm-3
. As impurezas de oxigênio podem ter efeitos benéficos ou prejudiciais. Condições de recozimento cuidadosamente escolhidas podem dar origem à formação de precipitados de oxigênio . Eles têm o efeito de reter impurezas indesejadas do metal de transição em um processo conhecido como gettering , melhorando a pureza do silício circundante. No entanto, a formação de precipitados de oxigênio em locais indesejados também pode destruir estruturas elétricas. Além disso, as impurezas de oxigênio podem melhorar a resistência mecânica das bolachas de silício, imobilizando quaisquer deslocamentos que possam ser introduzidos durante o processamento do dispositivo. Foi experimentalmente demonstrado na década de 1990 que a elevada concentração de oxigénio também é benéfica para a dureza de radiação de silício detectores de partículas utilizadas no ambiente de radiação dura (tal como o CERN 's LHC / HL-LHC projectos). Portanto, os detectores de radiação feitos de Czochralski- e Czochralski-silício magnético são considerados candidatos promissores para muitos futuros experimentos de física de alta energia . Também foi demonstrado que a presença de oxigênio no silício aumenta o aprisionamento de impurezas durante os processos de recozimento pós-implantação.

No entanto, as impurezas do oxigênio podem reagir com o boro em um ambiente iluminado, como o experimentado pelas células solares. Isso resulta na formação de um complexo boro-oxigênio eletricamente ativo que prejudica o desempenho da célula. A saída do módulo cai cerca de 3% durante as primeiras horas de exposição à luz.

Forma matemática

Com relação a uma expressão matemática de incorporação de impurezas da fusão, considere o seguinte.

A concentração de impurezas no cristal sólido que resulta do congelamento de uma quantidade de volume pode ser obtida considerando o coeficiente de segregação.

: Coeficiente de segregação
: Volume inicial
: Número de impurezas
: Concentração de impurezas no fundido
: Volume do derretimento
: Número de impurezas no fundido
: Concentração de impurezas no fundido
: Volume de sólido
: Concentração de impurezas no sólido

Durante o processo de crescimento, o volume do fundido congela e impurezas do fundido são removidas.

Veja também

Referências

links externos