チョクラルスキー法

ウエハース多結晶でドープされていない純粋な真性材料から製造された結晶ロッドからスライスされます。溶融と再結晶化によって多結晶材料を単結晶に変えるプロセスは、結晶成長として知られています。現在、このプロセスにはチョクラルスキー法とゾーンメルト法の 2 つの主な方法が使用されています。これらの中で、チョクラルスキー法 (CZ 法とも呼ばれる) は、融液から単結晶を成長させるのに最も重要です。実際、単結晶シリコンの 85% 以上がチョクラルスキー法を使用して製造されています。

チョクラルスキー法では、高純度の多結晶シリコン材料を高真空または不活性ガス雰囲気下で加熱して液体状態にし、その後再結晶化させて単結晶シリコンを形成します。このプロセスに必要な設備には、炉本体、機械伝達システム、温度制御システム、およびガス伝達システムから構成されるチョクラルスキー単結晶炉が含まれます。炉の設計により、均一な温度分布と効果的な熱放散が保証されます。機械伝達システムはるつぼと種結晶の動きを管理し、加熱システムは高周波コイルまたは抵抗ヒーターを使用してポリシリコンを溶解します。ガス伝送システムは、シリコン溶液の酸化を防ぐために真空を作り出し、チャンバーを不活性ガスで満たす役割を果たします。必要な真空レベルは 5 Torr 未満、不活性ガス純度は少なくとも 99.9999% です。

結晶ロッドの純度は、得られるウェーハの品質に大きな影響を与えるため、非常に重要です。したがって、単結晶の成長中に高純度を維持することが不可欠です。

結晶成長では、特定の結晶方位を持つ単結晶シリコンを出発種結晶として使用し、シリコンインゴットを育成します。結果として得られるシリコンインゴットは、種結晶の構造特性 (結晶方位) を「継承」します。溶融シリコンが種結晶の結晶構造に正確に従い、徐々に膨張して大きな単結晶シリコンインゴットになるようにするには、溶融シリコンと単結晶シリコン種結晶の接触界面の状態を厳密に制御する必要があります。このプロセスは、チョクラルスキー (CZ) 単結晶成長炉によって促進されます。

CZ 法による単結晶シリコンの成長の主な手順は次のとおりです。

準備段階:

1. 高純度の多結晶シリコンを粉砕し、フッ酸と硝酸の混合溶液で洗浄します。

2. 種結晶を研磨し、その方向が単結晶シリコンの望ましい成長方向と一致し、欠陥がないことを確認します。あらゆる欠陥は、成長する結晶によって「継承」されます。

3. 成長する結晶の導電型 (N 型または P 型) を制御するために、るつぼに追加する不純物を選択します。

4. 洗浄したすべての材料を高純度の脱イオン水で中性になるまで洗い流し、乾燥させます。

炉へのロード:

1. 粉砕したポリシリコンを石英るつぼに置き、種結晶を固定して蓋をし、炉を真空にし、不活性ガスで満たします。

ポリシリコンの加熱と溶解:

1. 不活性ガスを充填した後、るつぼ内のポリシリコンを通常は約 1420°C の温度で加熱して溶かします。

成長段階:

1. この段階は「シード」と呼ばれます。種結晶が液面から数ミリメートル上に位置するように温度を 1420°C よりわずかに低く下げます。

2. 種結晶を約 2 ～ 3 分間予熱して、溶融シリコンと種結晶の間の熱平衡を達成します。

3. 予熱後、種結晶を溶融シリコン表面に接触させて種付けプロセスを完了します。

ネッキング段階:

1. 種結晶を播種した後、徐々に温度を上げながら種結晶を回転させ、ゆっくりと上方に引き上げると、最初の種結晶よりも小さな直径約 0.5 ～ 0.7 cm の小さな単結晶が形成されます。

2. このネッキング段階の主な目標は、種結晶内に存在する欠陥と、種付けプロセス中の温度変動によって生じる可能性のある新たな欠陥を除去することです。この段階では引上げ速度は比較的速いですが、過度に速い操作を避けるために適切な制限内に維持する必要があります。

肩掛け段階:

1. ネッキングが完了したら、引き上げ速度を下げ、温度を下げて、結晶が徐々に必要な直径に達するようにします。

2. このショルダリングプロセス中の温度と引き上げ速度を注意深く制御することは、均一で安定した結晶成長を確保するために不可欠です。

等径成長段階:

1. ショルダーリングプロセスが完了に近づくと、直径が均一に成長するように温度をゆっくりと上げて安定させます。

2. この段階では、単結晶の均一性と一貫性を保証するために引上げ速度と温度を厳密に制御する必要があります。

仕上げ段階:

1. 単結晶の成長が完了に近づいたら、温度を適度に上げ、引上げ速度を加速して、結晶ロッドの直径を徐々に先細にして点にします。

2. このテーパーは、結晶ロッドが溶融状態から出るときの急激な温度低下によって発生する可能性のある欠陥を防止するのに役立ち、それによって結晶の全体的な高品質が保証されます。

単結晶の直接引上げが完了すると、ウェーハの原料結晶棒が得られる。水晶ロッドをカットすることで、最もオリジナルなウエハーが得られます。ただし、現時点ではウェーハを直接使用することはできません。使用可能なウェーハを得るには、研磨、洗浄、薄膜堆積、アニールなどの複雑な後続操作が必要です。

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