Die Hauptgründe für die Gleichmäßigkeit des radialen spezifischen Widerstands von Einkristallen sind die Ebenheit der Fest-Flüssigkeits-Grenzfläche und der kleine Ebeneneffekt während des Kristallwachstums
Der Einfluss der Ebenheit der Fest-Flüssigkeits-Grenzfläche Wenn die Schmelze während des Kristallwachstums gleichmäßig gerührt wird, ist die Oberfläche mit gleichem Widerstand die Fest-Flüssigkeits-Grenzfläche (die Verunreinigungskonzentration in der Schmelze unterscheidet sich von der Verunreinigungskonzentration im Kristall, also der spezifische Widerstand ist unterschiedlich und der Widerstand ist nur an der Fest-Flüssigkeits-Grenzfläche gleich. Wenn die Verunreinigung K<1 ist, führt die zur Schmelze konvexe Grenzfläche dazu, dass der radiale Widerstand in der Mitte hoch und am Rand niedrig ist, während die zur Schmelze konkave Grenzfläche das Gegenteil bewirkt. Die radiale Gleichmäßigkeit des spezifischen Widerstands der flachen Fest-Flüssigkeits-Grenzfläche ist besser. Die Form der Fest-Flüssigkeits-Grenzfläche während des Kristallziehens wird durch Faktoren wie die Wärmefeldverteilung und die Betriebsparameter des Kristallwachstums bestimmt. Beim gerade gezogenen Einkristall ist die Form der Fest-Flüssigkeits-Oberfläche das Ergebnis der kombinierten Wirkung von Faktoren wie der Ofentemperaturverteilung und der Kristallwärmeableitung.
Beim Ziehen von Kristallen gibt es vier Hauptarten des Wärmeaustauschs an der Fest-Flüssigkeits-Grenzfläche:
Latente Wärme der Phasenänderung, die durch die Erstarrung von geschmolzenem Silizium freigesetzt wird
Wärmeleitung der Schmelze
Wärmeleitung nach oben durch den Kristall
Strahlungswärme nach außen durch den Kristall
Die latente Wärme ist über die gesamte Grenzfläche gleichmäßig und ihre Größe ändert sich bei konstanter Wachstumsrate nicht. (Schnelle Wärmeleitung, schnelle Abkühlung und erhöhte Erstarrungsrate)
Wenn sich der Kopf des wachsenden Kristalls in der Nähe des wassergekühlten Impfkristallstabs des Einkristallofens befindet, ist der Temperaturgradient im Kristall groß, wodurch die Längswärmeleitung des Kristalls größer ist als die Oberflächenstrahlungswärme, also die Fest-Flüssigkeits-Grenzfläche konvex zur Schmelze.
Wenn der Kristall zur Mitte hin wächst, ist die Wärmeleitung in Längsrichtung gleich der Strahlungswärme an der Oberfläche, sodass die Grenzfläche gerade ist.
Am Ende des Kristalls ist die Wärmeleitung in Längsrichtung geringer als die Strahlungswärme an der Oberfläche, wodurch die Fest-Flüssigkeits-Grenzfläche zur Schmelze konkav wird.
Um einen Einkristall mit gleichmäßigem radialem Widerstand zu erhalten, muss die Fest-Flüssigkeits-Grenzfläche eingeebnet werden.
Die verwendeten Methoden sind: ①Passen Sie das thermische Kristallwachstumssystem an, um den radialen Temperaturgradienten des thermischen Felds zu reduzieren.
②Passen Sie die Parameter für den Kristallziehvorgang an. Erhöhen Sie beispielsweise bei einer zur Schmelze konvexen Grenzfläche die Ziehgeschwindigkeit, um die Kristallerstarrungsrate zu erhöhen. Zu diesem Zeitpunkt steigt aufgrund der Zunahme der an der Grenzfläche freigesetzten latenten Kristallisationswärme die Schmelztemperatur in der Nähe der Grenzfläche, was zum Schmelzen eines Teils des Kristalls an der Grenzfläche führt und die Grenzfläche flach macht. Wenn die Wachstumsschnittstelle dagegen zur Schmelze hin konkav ist, kann die Wachstumsrate verringert werden und die Schmelze verfestigt sich um ein entsprechendes Volumen, wodurch die Wachstumsschnittstelle flach wird.
③ Passen Sie die Rotationsgeschwindigkeit des Kristalls oder Tiegels an. Durch Erhöhen der Rotationsgeschwindigkeit des Kristalls erhöht sich der Hochtemperatur-Flüssigkeitsstrom, der sich an der Fest-Flüssigkeits-Grenzfläche von unten nach oben bewegt, wodurch sich die Grenzfläche von konvex zu konkav ändert. Die Richtung des durch die Rotation des Tiegels verursachten Flüssigkeitsstroms ist die gleiche wie die der natürlichen Konvektion und der Effekt ist dem der Kristallrotation völlig entgegengesetzt.
④ Durch Erhöhen des Verhältnisses des Innendurchmessers des Tiegels zum Durchmesser des Kristalls wird die Fest-Flüssigkeits-Grenzfläche abgeflacht und kann außerdem die Versetzungsdichte und den Sauerstoffgehalt im Kristall verringern. Im Allgemeinen beträgt der Tiegeldurchmesser: Kristalldurchmesser = 3~2,5:1.
Einfluss des Small-Plane-Effekts
Die Fest-Flüssigkeits-Grenzfläche des Kristallwachstums ist aufgrund der Begrenzung der Schmelzisotherme im Tiegel häufig gekrümmt. Wenn der Kristall während des Kristallwachstums schnell angehoben wird, entsteht an der Fest-Flüssigkeits-Grenzfläche der (111)-Germanium- und Silizium-Einkristalle eine kleine flache Ebene. Es handelt sich um die (111)-atomar dicht gepackte Ebene, die üblicherweise als kleine Ebene bezeichnet wird.
Die Verunreinigungskonzentration im kleinen ebenen Bereich unterscheidet sich stark von der im nicht kleinen ebenen Bereich. Dieses Phänomen der abnormalen Verteilung von Verunreinigungen im Bereich der kleinen Ebene wird als Small-Plane-Effekt bezeichnet.
Aufgrund des Small-Plane-Effekts nimmt der spezifische Widerstand des kleinen Planflächenbereichs ab und in schweren Fällen treten verunreinigte Rohrkerne auf. Um die durch den Small-Plane-Effekt verursachte radiale Widerstandsinhomogenität zu beseitigen, muss die Fest-Flüssigkeits-Grenzfläche nivelliert werden.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 24. Juli 2024