SeitTiegelWird als Behälter verwendet und im Inneren herrscht Konvektion. Mit zunehmender Größe des erzeugten Einkristalls werden die Wärmekonvektion und die Gleichmäßigkeit des Temperaturgradienten schwieriger zu kontrollieren. Durch Hinzufügen eines Magnetfelds, damit die leitfähige Schmelze auf die Lorentz-Kraft wirkt, kann die Konvektion verlangsamt oder sogar eliminiert werden, um hochwertiges einkristallines Silizium zu erzeugen.
Je nach Art des Magnetfelds kann es in horizontales Magnetfeld, vertikales Magnetfeld und CUSP-Magnetfeld unterteilt werden:
Ein vertikales Magnetfeld kann aus strukturellen Gründen die Hauptkonvektion nicht beseitigen und wird selten verwendet.
Die Richtung der Magnetfeldkomponente des horizontalen Magnetfelds verläuft senkrecht zur Hauptwärmekonvektion und teilweise erzwungenen Konvektion der Tiegelwand, wodurch Bewegungen wirksam gehemmt, die Ebenheit der Wachstumsschnittstelle aufrechterhalten und Wachstumsstreifen reduziert werden können.
Das CUSP-Magnetfeld sorgt aufgrund seiner Symmetrie für einen gleichmäßigeren Fluss und eine gleichmäßigere Wärmeübertragung der Schmelze, sodass die Forschung zu vertikalen und CUSP-Magnetfeldern Hand in Hand ging.
In China hat die Xi'an University of Technology bereits früher die Herstellung und Kristallziehexperimente von Silizium-Einkristallen unter Verwendung von Magnetfeldern durchgeführt. Seine Hauptprodukte sind beliebte 6-8-Zoll-Typen, die auf den Siliziumwafer-Markt für Solar-Photovoltaikzellen ausgerichtet sind. Im Ausland, wie KAYEX in den Vereinigten Staaten und CGS in Deutschland, sind ihre Hauptprodukte 8-16 Zoll, die für einkristalline Siliziumstäbe auf der Ebene ultragroßer integrierter Schaltkreise und Halbleiter geeignet sind. Sie haben ein Monopol auf dem Gebiet der Magnetfelder für die Züchtung hochwertiger Einkristalle mit großem Durchmesser und sind die repräsentativsten.
Die Magnetfeldverteilung im Tiegelbereich des Einkristall-Wachstumssystems ist der kritischste Teil des Magneten, einschließlich der Stärke und Gleichmäßigkeit des Magnetfelds am Rand des Tiegels, der Mitte des Tiegels und dem entsprechenden Abstand unter der Flüssigkeitsoberfläche. Durch das insgesamt horizontale und gleichmäßige transversale Magnetfeld verlaufen die magnetischen Kraftlinien senkrecht zur Kristallwachstumsachse. Aufgrund der magnetischen Wirkung und des Ampere-Gesetzes befindet sich die Spule am nächsten am Tiegelrand und die Feldstärke ist am größten. Mit zunehmender Entfernung nimmt der magnetische Widerstand der Luft zu, die Feldstärke nimmt allmählich ab und ist in der Mitte am kleinsten.
Die Rolle des supraleitenden Magnetfelds
Hemmung der thermischen Konvektion: Ohne ein äußeres Magnetfeld erzeugt geschmolzenes Silizium beim Erhitzen eine natürliche Konvektion, die zu einer ungleichmäßigen Verteilung von Verunreinigungen und der Bildung von Kristalldefekten führen kann. Das äußere Magnetfeld kann diese Konvektion unterdrücken, wodurch die Temperaturverteilung innerhalb der Schmelze gleichmäßiger wird und die ungleichmäßige Verteilung von Verunreinigungen verringert wird.
Kontrolle der Kristallwachstumsrate: Das Magnetfeld kann die Geschwindigkeit und Richtung des Kristallwachstums beeinflussen. Durch die präzise Steuerung der Stärke und Verteilung des Magnetfelds kann der Kristallwachstumsprozess optimiert und die Integrität und Gleichmäßigkeit des Kristalls verbessert werden. Während des Wachstums von einkristallinem Silizium gelangt Sauerstoff hauptsächlich durch die relative Bewegung von Schmelze und Tiegel in die Siliziumschmelze. Das Magnetfeld verringert die Wahrscheinlichkeit, dass Sauerstoff mit der Siliziumschmelze in Kontakt kommt, indem es die Konvektion der Schmelze verringert und dadurch die Auflösung von Sauerstoff verringert. In einigen Fällen kann das äußere Magnetfeld die thermodynamischen Bedingungen der Schmelze verändern, beispielsweise durch eine Änderung der Oberflächenspannung der Schmelze, was die Verflüchtigung von Sauerstoff unterstützen und dadurch den Sauerstoffgehalt in der Schmelze verringern kann.
Reduzieren Sie die Auflösung von Sauerstoff und anderen Verunreinigungen: Sauerstoff ist eine der häufigsten Verunreinigungen beim Wachstum von Siliziumkristallen, die zu einer Verschlechterung der Kristallqualität führt. Das Magnetfeld kann den Sauerstoffgehalt in der Schmelze reduzieren, wodurch die Auflösung von Sauerstoff im Kristall verringert und die Reinheit des Kristalls verbessert wird.
Verbessern Sie die innere Struktur des Kristalls: Das Magnetfeld kann die Defektstruktur im Kristall beeinflussen, beispielsweise Versetzungen und Korngrenzen. Durch die Reduzierung der Anzahl dieser Defekte und die Beeinflussung ihrer Verteilung kann die Gesamtqualität des Kristalls verbessert werden.
Verbesserung der elektrischen Eigenschaften von Kristallen: Da Magnetfelder einen erheblichen Einfluss auf die Mikrostruktur während des Kristallwachstums haben, können sie die elektrischen Eigenschaften von Kristallen verbessern, wie etwa den spezifischen Widerstand und die Ladungsträgerlebensdauer, die für die Herstellung von Hochleistungs-Halbleiterbauelementen von entscheidender Bedeutung sind.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 24. Juli 2024