Czochralski yöntemi

Şablon:KristalleştirmeCzochralski yöntemi, ayrıca Czochralski tekniği veya Czochralski işlemi , yarı iletkenlerin tek kristallerini (ör. Silisyum, germanyum ve galyum arsenit ), metalleri (ör. Paladyum, platin, gümüş, altın), tuzları ve sentetik değerli taşları elde etmek için kullanılan bir kristal büyütme yöntemidir. Metoda, 1915 yılında metallerin kristalleşme oranlarını araştırırken icat eden Polonyalı bilim adamı Jan Czochralski'nin^[1] adı verilmiştir.^[2] Czochralski ilgili keşfi tesadüfen yapmıştır: Kalemini mürekkep haznesine daldırmak yerine erimiş kalaya daldırmış ve kağıda daha sonra tek bir kristal olduğunu anladığı kalay bir filaman (tel şerit) çekmiştir.^[3]

Bu keşfin sonucunda ortaya çıkan en önemli uygulama, elektronik endüstrisinde entegre devreler gibi yarı iletken cihazlar yapmak için kullanılan büyük silindirik külçelerin veya tek kristal silisyumun büyütülmesi olacaktır. Galyum arsenit gibi diğer yarı iletkenler de bu yöntemle büyütülebilir, ancak bu durumda daha düşük kusur yoğunlukları Bridgman-Stockbarger yönteminin varyantları kullanılarak elde edilebilir.

Yöntem, metal veya metaloid kristallerin üretimi ile sınırlı değildir. Örneğin, kontrollü izotopik karışıma sahip malzemeler de dahil olmak üzere çok yüksek saflıkta tuz kristallerini ve partikül fiziği deneylerinde karıştırıcı metal iyonları ve üretim sırasında emilen su üzerinde sıkı kontrollerde (milyar ölçüm başına parça) kullanılmak üzere kullanılır.^[4]

Uygulama

Czochralski yöntemiyle büyütülen 23 Nisan 2021 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. monokristal silisyum (mono-Si), genellikle monokristal Czochralski silisyum (Cz-Si) olarak anılır. Bilgisayar, televizyon, cep telefonu ve her türlü elektronik ekipman ve yarı iletken cihazlarda kullanılan entegre devrelerin üretiminde temel malzemedir.^[5] Monokristal (Tek kristal) silisyum ayrıca fotovoltaik endüstrisi tarafından geleneksel mono-Si güneş hücrelerinin üretimi için büyük miktarlarda kullanılmaktadır. Neredeyse mükemmel kristal yapısıyla, ışıktan elektriğe dönüşümde en yüksek verimlilikleri sağlar.

Czochralski Silisyum Üretimi

Czochralski Yöntemiyle Büyütülen Silisyum Kristali Külçe (Ingot)

Yüksek saflıkta, yarı iletken dereceli silisyum (milyonda sadece birkaç parça safsızlık), genellikle kuvarsdan yapılan 1.425 °C'de (2,597 °F; 1,698 K) bir eritme potasında eritilir. Bor veya fosfor gibi safsızlık katkılama atomları, silisyumun doplanması için erimiş silisyuma hassas miktarlarda eklenebilir, böylece farklı elektronik özelliklere sahip p-tipi veya n-tipi silisyuma dönüştürülebilir. Hassas bir şekilde yönlendirilmiş, çubuğa monte edilmiş bir tohum kristali, erimiş silisyumun içine daldırılır. Tohum kristali çubuğu yavaşça yukarı doğru çekilir ve aynı anda döndürülür. Sıcaklık düşümleri, çekme oranı ve dönme hızı hassas bir şekilde kontrol edilerek, eriyikten büyük, tek kristalli, silindirik bir külçe çıkarmak mümkündür. Kristal büyütme işlemi sırasında sıcaklık ve hız alanlarının araştırılması ve görselleştirilmesi ile eriyikte istenmeyen kararsızlıkların meydana gelmesi önlenebilir.^[6] Bu işlem normalde argon vb. içeren inert bir atmosferde kuvars vb. içeren inert (atıl) bir haznede gerçekleştirilir.

Kristal Boyutları ve Büyütme İşlemi

Siliyum kristali, 1956'da Raytheon'da Czochralski yöntemiyle büyütülüyor. Resimde İndüksiyonlu ısıtma bobini ve kristalin ucunun eriyikten yeni çıktığı görülebilir. Teknisyen, sıcaklığı bir optik pirometre ile ölçüyor. İlgili Siilisyum Dökümhanesinde bu erken dönem cihaz tarafından üretilen kristaller, yalnızca bir inç çapındaydı.

Ölçek verimliliği nedeniyle, yarı iletken endüstrisi genellikle standart boyutlara sahip wafer (plaka-levha) veya ortak wafer özellikleri kullanır. Önceleri, külçeler birkaç cm genişliğinde küçük iken İleri teknoloji ile, üst düzey cihaz üreticileri 200 mm ve 300 mm çaplı waferler (yarı iletken plaka) kullanmaya başladılar. Genişlik, sıcaklığın, dönüş hızlarının ve tohum tutucunun çekildiği hızın hassas kontrolü yardımıyla sağlanır. Waferlerin dilimlendiği kristal külçelerin (ingot) uzunluğu 2 metreye ve birkaç yüz kilogram ağırlığına kadar ulaşabilir.

Daha büyük waferler, her bir wafer üzerinde göreceli olarak daha az kayıpla daha fazla yonga (çip) üretilebilmesini sağladığından, üretim verimliliğini arttırmaktadır, bu nedenle silisyum wafer boyutlarını artırmaya yönelik için istikrarlı bir yönelim yaşanmaya başlamıştır. Örneğin bir sonraki adım olacak, 450 mm waferlerın 2018'de tanıtımı yapılmıştır.^[7] Silisyum waferler tipik olarak yaklaşık 0,2–0,75 mm kalınlığındadır ve entegre devreler yapmak için mükemmel düzlükte cilalanabilir veya güneş hücreleri yapmak için tekstüre (dokulama işlemi) edilebilir.

Genel olarak proses; döküm haznesi yaklaşık 1500 santigrat dereceye kadar ısıtıldığında ve silisyumu erittiğinde başlar. Silisyum tamamen eridiğinde, dönen bir şaftın ucuna monte edilmiş küçük bir tohum kristali, erimiş silisyum yüzeyinin hemen altına dalana kadar yavaşça alçaltılır. Şaft (mil) saat yönünün tersine dönerken, pota saat yönünde döner. Dönen çubuk daha sonra çok yavaş (yakut rengi kristalleşme esnasında saatte 25mm civarı) bir şekilde yukarı çekilerek kabaca silindirik bir külçenin (boule) oluşmasına izin verir. Külçe, potadaki silisyumun miktarına bağlı olarak bir ila iki metre uzunluğunda olabilir.

Silisyum erimeden önce silisyum fosfor veya bor gibi maddeler ilave edilerek elektriksel özellikleri kontrol edilir. Eklenen malzemeye safsızlık katkı maddesi (dopant) denir ve bu işleme dopingleme denir. Bu yöntem aynı zamanda galyum arsenit gibi silisyum dışındaki yarı iletken malzemelerle de kullanılır.

Safsızlıkları Katkılamak

Czochralski yöntemiyle tek kristal silisyum yetiştirmek için tohum kristalli bir çektirme çubuğu

Czochralski yönteminde kullanılan potalar

Pota kullanıldıktan sonra

Silisyum, Czochralski yöntemiyle büyütüldüğünde, eriyik bir silika (kuvars) potasında bulunur. Büyüme sırasında, potanın duvarları eriyik içinde çözülür ve Czochralski silisyumu bu nedenle tipik 10¹⁸cm⁻³ konsantrasyonunda oksijen içerir. Oksijen safsızlıklarının yararlı veya zararlı etkileri olabilir. Dikkatle seçilen tavlama (temperleme) koşulları, oksijen çökeltilerinin oluşumuna neden olabilir. Bunlar, çevreleyen silisyumun saflığını artırarak "gaz giderme" olarak bilinen bir işlemde istenmeyen geçiş metali safsızlıklarını yakalama etkisine sahiptir. Bununla birlikte, istenmeyen yerlerde oksijen çökeltilerinin oluşması da elektriksel yapıları tahrip edebilir. Ek olarak, oksijen safsızlıkları, cihaz işlemi esnasında ortaya çıkabilecek herhangi bir dislokasyonu hareketsiz hale getirerek silisyum wafer (plakaların) mekanik mukavemetini geliştirebilir.

1990'larda, yüksek oksijen konsantrasyonunun, zorlu radyasyon ortamında (CERN'in LHC / HL-LHC projeleri gibi) kullanılan silisyum parçacık dedektörlerinin radyasyon sertliği için de faydalı olduğu deneysel olarak gösterilmiştir.^[8][9] Bu nedenle, Czochralski ve manyetik Czochralski-silisyumdan yapılmış radyasyon dedektörleri, gelecekteki birçok yüksek enerjili fizik deneyleri için umut verici adaylar olarak kabul edilmektedir.^[10][11] Silisyumdaki oksijenin varlığının, implantasyon sonrası tavlama işlemleri sırasında safsızlık yakalamayı arttırdığı da gösterilmiştir.^[12]

Bununla birlikte, oksijen safsızlıkları, güneş hücrelerinde tecrübe edildiği üzere aydınlatılmış bir ortamda borla reaksiyona girebilir. Bu durum, hücre performansını azaltan elektriksel olarak aktif bir bor-oksijen kompleksinin oluşumuyla sonuçlanır. Bu nedenle Güneş Paneli güç çıkışı, ışığa maruz kalmanın ilk birkaç saatinde yaklaşık % 3 düşer.

Matematiksel form

Eriyikten safsızlık dahil edilmesinin matematiksel bir ifadesiyle ilgili olarak,^[13] aşağıdakileri göz önünde bulundurun.

Bir miktar hacmin dondurulmasından kaynaklanan katı kristaldeki safsızlık konsantrasyonu, ayrışma katsayısının dikkate alınmasıyla elde edilebilir.

${\displaystyle k_{O}}$ : Ayrışma katsayısı

${\displaystyle V_{0}}$ : İlk Hacim

${\displaystyle I_{0}}$ : Safsızlık Sayısı

${\displaystyle C_{0}}$ : Eriyikteki safsızlık konsantrasyonu

${\displaystyle V_{L}}$ : Eriyik hacmi

${\displaystyle I_{L}}$ : Eriyikteki yabancı madde sayısı

${\displaystyle C_{L}}$ : Eriyikteki safsızlıkların konsantrasyonu

${\displaystyle V_{S}}$ : Katı hacim

${\displaystyle C_{S}}$ : Katıdaki yabancı maddelerin konsantrasyonu

Büyüme sürecinde eriyik hacmi ${\displaystyle dV}$ donar ve eriyikten çıkan safsızlıklar vardır.

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

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

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

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

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

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

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

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

Ayrıca bakınız

• Yüzer bölge silisyum

Kaynakça

1. Paweł Tomaszewski, "Jan Czochralski i jego metoda. Jan Czochralski and his method" (in Polish and English), Oficyna Wydawnicza ATUT, Wrocław–Kcynia 2003, 83-89247-27-5
2. J. Czochralski (1918) "Ein neues Verfahren zur Messung der Kristallisationsgeschwindigkeit der Metalle" 23 Nisan 2021 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. [A new method for the measurement of the crystallization rate of metals], Zeitschrift für Physikalische Chemie, 92 : 219–221.
3. Handbook of Crystal Growth: Fundamentals. Second. Amsterdam, the Netherlands: Elsevier B.V. 2015. s. 21. ISBN 978-0-444-56369-9.
4. Son. ""Growth and development of pure Li2MoO4 crystals for rare event experiment at CUP"". arXiv:2005.06797 $2.
5. Czochralski Crystal Growth Method 26 Kasım 2010 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.. Bbc.co.uk. 30 January 2003. Retrieved on 2011-12-06.
6. Aleksic (2002). "Temperature and Flow Visualization in a Simulation of the Czochralski Process Using Temperature-Sensitive Liquid Crystals". Ann. N.Y. Acad. Sci. 972 (1): 158-163. doi:10.1111/j.1749-6632.2002.tb04567.x.
7. Doubts over 450mm and EUV 23 Eylül 2015 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.. Electronicsweekly.com. December 30, 2013. Retrieved on 2014-01-09.
8. Li (1992). "Investigation of the oxygen-vacancy (A-center) defect complex profile in neutron irradiated high resistivity silicon junction particle detectors". IEEE Transactions on Nuclear Science. 39 (6): 1730. doi:10.1109/23.211360. 23 Nisan 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 23 Nisan 2021.
9. Lindström (2001). "Radiation hard silicon detectors—developments by the RD48 (ROSE) collaboration". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 466 (2): 308. doi:10.1016/S0168-9002(01)00560-5.
10. CERN RD50 Status Report 2004, CERN-LHCC-2004-031 and LHCC-RD-005 and cited literature therein
11. Harkonen (2005). "Particle detectors made of high-resistivity Czochralski silicon". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 541 (1–2): 202-207. doi:10.1016/j.nima.2005.01.057.
12. Custer (1994). "Erbium in crystal silicon: Segregation and trapping during solid phase epitaxy of amorphous silicon". Journal of Applied Physics. 75 (6): 2809. doi:10.1063/1.356173.
13. James D. Plummer, Michael D. Deal, and Peter B. Griffin, Silicon VLSI Technology, Prentice Hall, 2000, 0-13-085037-3 pp. 126–27

Dış bağlantılar

• Czochralski doping süreci 28 Eylül 2011 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
• YouTube'da Silicon Wafer Processing Animation