Metodo Czochralski

Wafersono tagliati da aste di cristallo, che sono prodotte da materiali intrinseci policristallini e puri non drogati. Il processo di trasformazione del materiale policristallino in cristalli singoli attraverso la fusione e la ricristallizzazione è noto come crescita dei cristalli. Attualmente vengono utilizzati due metodi principali per questo processo: il metodo Czochralski e il metodo di fusione zonale. Tra questi, il metodo Czochralski (spesso indicato come metodo CZ) è il più significativo per la crescita di cristalli singoli dalle fusioni. Infatti, oltre l'85% del silicio monocristallino viene prodotto utilizzando il metodo Czochralski.

Il metodo Czochralski prevede il riscaldamento e la fusione di materiali di silicio policristallino di elevata purezza in uno stato liquido sotto alto vuoto o in un'atmosfera di gas inerte, seguita dalla ricristallizzazione per formare silicio monocristallino. L'attrezzatura necessaria per questo processo comprende un forno a cristallo singolo Czochralski, costituito da un corpo del forno, un sistema di trasmissione meccanica, un sistema di controllo della temperatura e un sistema di trasmissione del gas. Il design del forno garantisce una distribuzione uniforme della temperatura e un'efficace dissipazione del calore. Il sistema di trasmissione meccanica gestisce il movimento del crogiolo e del cristallo seme, mentre il sistema di riscaldamento fonde il polisilicio utilizzando una bobina ad alta frequenza o un riscaldatore a resistenza. Il sistema di trasmissione del gas è responsabile della creazione del vuoto e del riempimento della camera con gas inerte per prevenire l'ossidazione della soluzione di silicio, con un livello di vuoto richiesto inferiore a 5 Torr e una purezza del gas inerte almeno del 99,9999%.

La purezza dell'asta di cristallo è fondamentale, poiché influisce in modo significativo sulla qualità del wafer risultante. Pertanto, è essenziale mantenere un'elevata purezza durante la crescita dei singoli cristalli.

La crescita dei cristalli prevede l'utilizzo di silicio monocristallino con un orientamento cristallino specifico come cristallo seme iniziale per coltivare lingotti di silicio. Il lingotto di silicio risultante "erediterà" le caratteristiche strutturali (orientamento del cristallo) del cristallo seme. Per garantire che il silicio fuso segua accuratamente la struttura cristallina del cristallo seme e si espanda gradualmente in un grande lingotto di silicio monocristallino, le condizioni all'interfaccia di contatto tra il silicio fuso e i cristalli seme di silicio monocristallino devono essere rigorosamente controllate. Questo processo è facilitato da un forno di crescita a cristallo singolo Czochralski (CZ).

I passaggi principali nella crescita del silicio monocristallino attraverso il metodo CZ sono i seguenti:

Fase di preparazione:

1. Iniziare con silicio policristallino di elevata purezza, quindi frantumarlo e pulirlo utilizzando una soluzione mista di acido fluoridrico e acido nitrico.

2. Lucidare il cristallo seme, assicurandosi che il suo orientamento corrisponda alla direzione di crescita desiderata del silicio monocristallino e che sia privo di difetti. Eventuali imperfezioni verranno "ereditate" dal cristallo in crescita.

3. Selezionare le impurità da aggiungere al crogiolo per controllare il tipo di conduttività del cristallo in crescita (tipo N o tipo P).

4. Sciacquare tutti i materiali puliti con acqua deionizzata ad elevata purezza fino alla neutralità, quindi asciugarli.

Caricamento del forno:

1. Posizionare il polisilicio frantumato in un crogiolo di quarzo, fissare il seme di cristallo, coprirlo, evacuare il forno e riempirlo con gas inerte.

Riscaldamento e fusione del polisilicio:

1. Dopo il riempimento con gas inerte, riscaldare e sciogliere il polisilicio nel crogiolo, tipicamente ad una temperatura di circa 1420°C.

Fase di crescita:

1. Questa fase viene definita "semina". Abbassare la temperatura leggermente al di sotto di 1420°C in modo che il seme di cristallo sia posizionato qualche millimetro sopra la superficie del liquido.

2. Preriscaldare il cristallo seme per circa 2-3 minuti per raggiungere l'equilibrio termico tra il silicio fuso e il cristallo seme.

3. Dopo il preriscaldamento, portare il cristallo seme a contatto con la superficie del silicio fuso per completare il processo di semina.

Fase di strizione:

1. Dopo la fase di semina, aumentare gradualmente la temperatura mentre il cristallo seme inizia a ruotare e viene lentamente tirato verso l'alto, formando un piccolo cristallo singolo con un diametro di circa 0,5-0,7 cm, più piccolo del cristallo seme iniziale.

2. L'obiettivo principale durante questa fase di strizione è eliminare eventuali difetti presenti nel cristallo seme, nonché eventuali nuovi difetti che potrebbero derivare dalle fluttuazioni di temperatura durante il processo di semina. Sebbene in questa fase la velocità di trazione sia relativamente elevata, è necessario mantenerla entro limiti adeguati per evitare operazioni eccessivamente rapide.

Fase di imbracatura:

1. Una volta completata la strizione, diminuire la velocità di trazione e ridurre la temperatura per consentire al cristallo di raggiungere gradualmente il diametro richiesto.

2. Un attento controllo della temperatura e della velocità di estrazione durante questo processo di spallamento è essenziale per garantire una crescita uniforme e stabile dei cristalli.

Stadio di crescita a diametro uguale:

1. Man mano che il processo di accumulo si avvicina al completamento, aumentare e stabilizzare lentamente la temperatura per garantire una crescita uniforme del diametro.

2. Questa fase richiede un controllo rigoroso della velocità di estrazione e della temperatura per garantire l'uniformità e la consistenza del singolo cristallo.

Fase di finitura:

1. Quando la crescita del singolo cristallo si avvicina al completamento, aumentare moderatamente la temperatura e accelerare la velocità di estrazione per rastremare gradualmente il diametro dell'asta di cristallo fino a raggiungere una punta.

2. Questa rastremazione aiuta a prevenire difetti che potrebbero derivare da un improvviso calo di temperatura quando l'asta di cristallo esce dallo stato fuso, garantendo così l'elevata qualità complessiva del cristallo.

Dopo aver completato l'estrazione diretta del singolo cristallo, si ottiene l'asta di cristallo della materia prima del wafer. Tagliando l'asta di cristallo si ottiene la cialda più originale. Tuttavia, al momento il wafer non può essere utilizzato direttamente. Per ottenere wafer utilizzabili sono necessarie alcune complesse operazioni successive come lucidatura, pulitura, deposizione di film sottile, ricottura, ecc.

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