Czochralski विधि

वेफर्सक्रिस्टल छड़ों से काटे जाते हैं, जो पॉलीक्रिस्टलाइन और शुद्ध अनडोप्ड आंतरिक सामग्रियों से निर्मित होते हैं। पिघलने और पुनः क्रिस्टलीकरण के माध्यम से पॉलीक्रिस्टलाइन सामग्री को एकल क्रिस्टल में बदलने की प्रक्रिया को क्रिस्टल विकास के रूप में जाना जाता है। वर्तमान में, इस प्रक्रिया के लिए दो मुख्य विधियाँ कार्यरत हैं: Czochralski विधि और ज़ोन पिघलने की विधि। इनमें से, सीज़ोक्राल्स्की विधि (जिसे अक्सर सीजेड विधि के रूप में जाना जाता है) पिघल से एकल क्रिस्टल उगाने के लिए सबसे महत्वपूर्ण है। वास्तव में, 85% से अधिक एकल क्रिस्टल सिलिकॉन का उत्पादन Czochralski विधि का उपयोग करके किया जाता है।

Czochralski विधि में उच्च शुद्धता वाले पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन सामग्री को उच्च वैक्यूम या एक अक्रिय गैस वातावरण के तहत तरल अवस्था में गर्म करना और पिघलाना शामिल है, इसके बाद एकल क्रिस्टल सिलिकॉन बनाने के लिए पुन: क्रिस्टलीकरण किया जाता है। इस प्रक्रिया के लिए आवश्यक उपकरण में एक Czochralski एकल क्रिस्टल भट्ठी शामिल है, जिसमें एक भट्ठी निकाय, एक यांत्रिक संचरण प्रणाली, एक तापमान नियंत्रण प्रणाली और एक गैस संचरण प्रणाली शामिल है। भट्ठी का डिज़ाइन समान तापमान वितरण और प्रभावी गर्मी अपव्यय सुनिश्चित करता है। मैकेनिकल ट्रांसमिशन सिस्टम क्रूसिबल और बीज क्रिस्टल की गति का प्रबंधन करता है, जबकि हीटिंग सिस्टम उच्च आवृत्ति कॉइल या प्रतिरोध हीटर का उपयोग करके पॉलीसिलिकॉन को पिघला देता है। गैस ट्रांसमिशन सिस्टम वैक्यूम बनाने और सिलिकॉन समाधान के ऑक्सीकरण को रोकने के लिए चैम्बर को अक्रिय गैस से भरने के लिए जिम्मेदार है, जिसमें 5 टोर से नीचे आवश्यक वैक्यूम स्तर और कम से कम 99.9999% की अक्रिय गैस शुद्धता होती है।

क्रिस्टल रॉड की शुद्धता महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह परिणामी वेफर की गुणवत्ता पर महत्वपूर्ण प्रभाव डालती है। इसलिए, एकल क्रिस्टल की वृद्धि के दौरान उच्च शुद्धता बनाए रखना आवश्यक है।

क्रिस्टल विकास में सिलिकॉन सिल्लियों की खेती के लिए शुरुआती बीज क्रिस्टल के रूप में एक विशिष्ट क्रिस्टल अभिविन्यास के साथ एकल क्रिस्टल सिलिकॉन का उपयोग करना शामिल है। परिणामी सिलिकॉन पिंड बीज क्रिस्टल की संरचनात्मक विशेषताओं (क्रिस्टल अभिविन्यास) को "विरासत में" प्राप्त करेगा। यह सुनिश्चित करने के लिए कि पिघला हुआ सिलिकॉन बीज क्रिस्टल की क्रिस्टल संरचना का सटीक रूप से पालन करता है और धीरे-धीरे एक बड़े एकल क्रिस्टल सिलिकॉन पिंड में विस्तारित होता है, पिघले हुए सिलिकॉन और एकल क्रिस्टल सिलिकॉन बीज क्रिस्टल के बीच संपर्क इंटरफ़ेस की स्थितियों को सख्ती से नियंत्रित किया जाना चाहिए। इस प्रक्रिया को Czochralski (CZ) सिंगल क्रिस्टल ग्रोथ भट्टी द्वारा सुगम बनाया गया है।

सीजेड विधि के माध्यम से एकल क्रिस्टल सिलिकॉन उगाने के मुख्य चरण इस प्रकार हैं:

तैयारी चरण:

1. उच्च शुद्धता वाले पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन से शुरू करें, फिर हाइड्रोफ्लोरोइक एसिड और नाइट्रिक एसिड के मिश्रित घोल का उपयोग करके इसे कुचलें और साफ करें।

2. बीज क्रिस्टल को पॉलिश करें, यह सुनिश्चित करते हुए कि इसका अभिविन्यास एकल क्रिस्टल सिलिकॉन की वांछित विकास दिशा से मेल खाता है और यह दोषों से मुक्त है। कोई भी खामियाँ बढ़ते क्रिस्टल द्वारा "विरासत में" प्राप्त होंगी।

3. बढ़ते क्रिस्टल की चालकता प्रकार (या तो एन-प्रकार या पी-प्रकार) को नियंत्रित करने के लिए क्रूसिबल में जोड़े जाने वाली अशुद्धियों का चयन करें।

4. सभी साफ की गई सामग्रियों को तटस्थ होने तक उच्च शुद्धता वाले विआयनीकृत पानी से धोएं, फिर उन्हें सुखाएं।

भट्टी लोड हो रही है:

1. कुचले हुए पॉलीसिलिकॉन को क्वार्ट्ज क्रूसिबल में रखें, बीज क्रिस्टल को सुरक्षित करें, इसे कवर करें, भट्ठी को खाली करें, और इसे अक्रिय गैस से भरें।

पॉलीसिलिकॉन को गर्म करना और पिघलाना:

1. अक्रिय गैस भरने के बाद, पॉलीसिलिकॉन को क्रूसिबल में गर्म करें और पिघलाएं, आमतौर पर लगभग 1420 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर।

बढ़ती अवस्था:

1. इस चरण को "बीजारोपण" कहा जाता है। तापमान को 1420 डिग्री सेल्सियस से थोड़ा कम करें ताकि बीज क्रिस्टल तरल सतह से कुछ मिलीमीटर ऊपर स्थित हो।

2. पिघले हुए सिलिकॉन और बीज क्रिस्टल के बीच थर्मल संतुलन प्राप्त करने के लिए बीज क्रिस्टल को लगभग 2-3 मिनट तक पहले से गरम करें।

3. पहले से गरम करने के बाद, बीजाई प्रक्रिया को पूरा करने के लिए बीज क्रिस्टल को पिघली हुई सिलिकॉन सतह के संपर्क में लाएं।

नेकिंग स्टेज:

1. बीजारोपण चरण के बाद, धीरे-धीरे तापमान बढ़ाएं जबकि बीज क्रिस्टल घूमना शुरू कर देता है और धीरे-धीरे ऊपर की ओर खींचा जाता है, जिससे लगभग 0.5 से 0.7 सेमी के व्यास वाला एक छोटा एकल क्रिस्टल बनता है, जो प्रारंभिक बीज क्रिस्टल से छोटा होता है।

2. इस नेकिंग चरण के दौरान प्राथमिक लक्ष्य बीज क्रिस्टल में मौजूद किसी भी दोष के साथ-साथ बीजाई प्रक्रिया के दौरान तापमान में उतार-चढ़ाव से उत्पन्न होने वाले किसी भी नए दोष को खत्म करना है। हालाँकि इस चरण के दौरान खींचने की गति तुलनात्मक रूप से तेज़ होती है, अत्यधिक तेज़ संचालन से बचने के लिए इसे उचित सीमा के भीतर बनाए रखा जाना चाहिए।

कंधे उठाने का चरण:

1. नेकिंग पूरी होने के बाद, खींचने की गति कम करें और तापमान कम करें ताकि क्रिस्टल धीरे-धीरे आवश्यक व्यास प्राप्त कर सके।

2. इस कंधे प्रक्रिया के दौरान तापमान और खींचने की गति का सावधानीपूर्वक नियंत्रण क्रिस्टल के समान और स्थिर विकास को सुनिश्चित करने के लिए आवश्यक है।

समान व्यास वृद्धि चरण:

1. जैसे-जैसे कंधे उठाने की प्रक्रिया पूरी होने वाली होती है, व्यास में एक समान वृद्धि सुनिश्चित करने के लिए तापमान को धीरे-धीरे बढ़ाएं और स्थिर करें।

2. इस चरण में एकल क्रिस्टल की एकरूपता और स्थिरता की गारंटी के लिए खींचने की गति और तापमान के कड़े नियंत्रण की आवश्यकता होती है।

समापन चरण:

1. जैसे-जैसे एकल क्रिस्टल का विकास पूरा होने के करीब पहुंचता है, तापमान को मध्यम रूप से बढ़ाएं और क्रिस्टल रॉड के व्यास को एक बिंदु में धीरे-धीरे कम करने के लिए खींचने की दर को तेज करें।

2. यह टेपरिंग उन दोषों को रोकने में मदद करती है जो क्रिस्टल रॉड के पिघले हुए अवस्था से बाहर निकलने पर अचानक तापमान में गिरावट से उत्पन्न हो सकते हैं, जिससे क्रिस्टल की समग्र उच्च गुणवत्ता सुनिश्चित होती है।

एकल क्रिस्टल की सीधी खींच पूरी होने के बाद, वेफर का कच्चा माल क्रिस्टल रॉड प्राप्त होता है। क्रिस्टल रॉड को काटने से सबसे असली वेफर प्राप्त होता है। हालाँकि, इस समय वेफर का सीधे उपयोग नहीं किया जा सकता है। प्रयोग करने योग्य वेफर्स प्राप्त करने के लिए, कुछ जटिल बाद के ऑपरेशनों जैसे पॉलिशिंग, सफाई, पतली फिल्म जमाव, एनीलिंग इत्यादि की आवश्यकता होती है।

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