チョクラルスキー法

結晶
結晶
基礎
	結晶; 結晶構造; 核形成;
コンセプト
	結晶; 結晶成長; 再結晶; 種結晶; 原結晶質; 単結晶;
方法と技術
	ブール; ブリッジマン・ストックバーガー法; ファン・アルケル・デ・ブール法; チョクラルスキー法; エピタキシー; フラックス法; 分別結晶化; フラクショナルフリージング; 水熱合成; キロプロス法; レーザー加熱による台座成長; マイクロプルダウン; 結晶成長における成形プロセス; 頭蓋骨のるつぼ; ベルヌーイ法; ゾーン溶融;
	ヴ; t; e;

チョクラルスキー法（チョクラルスキーほう、英: Czochralski method）は、半導体（シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素など）、金属（パラジウム、プラチナ、銀、金など）、塩、合成宝石の単結晶を得るために用いられる結晶成長法である。この方法は、ポーランドの科学者ヤン・チョクラルスキー^[1]にちなんで名付けられた。彼は1915年に金属の結晶化速度を調査しているときにこの方法を発明した。^[2]彼はこの発見を偶然に成し遂げた。彼はペンをインク壺に浸す代わりに、溶けた錫に浸し、錫のフィラメントを描いたのである。後に、これが単結晶であることが判明した。^[3]この方法は、今でも半導体を使用する世界中の電子機器の90%以上に使用されている。^[4]

最も重要な用途は、電子産業で集積回路などの半導体デバイスを製造するために使用される単結晶シリコンの大きな円筒形のインゴット、またはブールの成長である。ガリウムヒ素などの他の半導体もこの方法で成長させることができるが、この場合、ブリッジマン・ストックバーガー法の変形を使用すると、より低い欠陥密度を得ることができる。

この方法は金属や半金属の結晶の製造に限定されません。例えば、粒子物理学の実験で使用するための同位体組成を制御した物質を含む非常に高純度の塩の結晶を製造するために使用され、製造中に吸収される金属イオンや水分を厳密に制御（10億分の1の測定）します。^[5]

応用

チョクラルスキー法で成長した単結晶シリコン（mono-Si）は、単結晶チョクラルスキーシリコン（Cz-Si）と呼ばれることが多い。これは、コンピュータ、テレビ、携帯電話、あらゆる種類の電子機器や半導体デバイスで使用される集積回路の製造における基本的な材料である。^{[6]単結晶シリコンは、}従来のmono-Si太陽電池の製造のために太陽光発電業界でも大量に使用されている。ほぼ完璧な結晶構造により、シリコンの光から電気への変換効率が最も高くなる。

チョクラルスキーシリコンの生産

高純度の半導体グレードのシリコン（不純物はわずか数ppm）を、通常は石英製のるつぼで1,425 °C（2,597 °F、1,698 K）で溶かします。ホウ素やリンなどのドーパント不純物原子を正確な量で溶融シリコンに加えてシリコンをドープし、異なる電子特性を持つ p型またはn型シリコンに変えることができます。正確に配向されたロッドに取り付けられた種結晶を溶融シリコンに浸します。種結晶のロッドをゆっくりと引き上げながら、同時に回転させます。温度勾配、引き上げ速度、回転速度を正確に制御することで、溶融物から大きな単結晶の円筒形のインゴットを取り出すことができます。結晶成長プロセス中の温度場と速度場を調査して視覚化することで、溶融物に望ましくない不安定性が発生するのを防ぐことができます。^[7]このプロセスは通常、アルゴンなどの不活性雰囲気、石英などの不活性チャンバー内で実行されます。

結晶のサイズ

規模の経済性のため、半導体業界では標準化された寸法や共通のウェーハ仕様のウェーハがよく使用されています。初期のブールは小さく、幅は数センチでした。高度な技術により、ハイエンドデバイスメーカーは直径200 mmおよび300 mmのウェーハを使用しています。幅は、温度、回転速度、およびシードホルダーの引き抜き速度を正確に制御することで制御されます。ウェーハがスライスされる結晶インゴットは、長さが最大2メートル、重さが数百キログラムになることがあります。ウェーハが大きいほど、ウェーハごとに製造できるチップの数が増え、相対的な損失が低くなるため、製造効率が向上します。そのため、シリコンウェーハのサイズを大きくする動きが着実に進んでいます。次のステップアップである450 mmは、2018年に導入される予定です。^{[8]シリコンウェーハの厚さは通常約0.2～0.75 mmで、}集積回路を作るために非常に平坦に研磨したり、太陽電池を作るためにテクスチャ加工したりできます。

不純物の混入

チョクラルスキー法でシリコンを成長させる場合、溶融物はシリカ（石英）るつぼに入れられます。成長中、るつぼの壁は溶融物に溶解し、そのためチョクラルスキー法のシリコンには典型的には10の濃度の酸素が含まれます。¹⁸
cm⁻³
酸素不純物は有益な効果も有害な効果ももたらします。アニール条件を慎重に選択すると、酸素析出物の形成を引き起こす可能性があります。これらは、ゲッタリングと呼ばれるプロセスで不要な遷移金属不純物を捕捉する効果があり、周囲のシリコンの純度を向上させます。しかし、意図しない場所での酸素析出物の形成は、電気構造を破壊する可能性もあります。さらに、酸素不純物は、デバイス処理中に導入される可能性のある転位を固定することで、シリコンウェーハの機械的強度を向上させることができます。1990年代には、高酸素濃度が過酷な放射線環境（ CERNのLHC / HL-LHCプロジェクトなど）で使用されるシリコン粒子検出器の放射線耐性にも有益であることが実験的に示されました。 ^[9]^{[10]そのため、チョクラルスキーシリコンと磁性チョクラルスキーシリコンで作られた放射線検出器は、将来の多くの}高エネルギー物理学実験の有望な候補であると考えられています。^[11]^[12]また、シリコン中に酸素が存在すると、注入後のアニール処理中に不純物の捕捉が増加することが示されている。^[13]

しかし、太陽電池が経験するような光が当たる環境では、酸素不純物がホウ素と反応する可能性がある。その結果、電気的に活性なホウ素-酸素複合体が形成され、セルの性能が低下する。モジュール出力は、光に当たった最初の数時間で約3％低下する。^[14]

数学的形式

最終固体中の不純物濃度は次のように表される。ここで、 $C$ と $C$ $0は$ それぞれ初期濃度と最終濃度、 $V$ と $V$ $0は$ 初期体積と最終体積、 $kは融解相転移時の不純物に関連する偏析係数である。これは、微小体積$ $d$ $V$ が凍結すると溶融物から不純物が除去されるという事実から導かれる。^[15] ${\frac {C}{C_{0}}}=k\left(1-{\frac {V}{V_{0}}}\right)^{k-1}{\text{,}}$ $dI=-k_{O}C_{L}dV$

参照

フロートゾーンシリコン

参考文献

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外部リンク

チョクラルスキー法
YouTubeのシリコンウェーハ処理アニメーション

[1] Paweł Tomaszewski、「ヤン・チョクラルスキとその方法。ヤン・チョクラルスキと彼のメソッド」（ポーランド語と英語）、Oficyna Wydawnicza ATUT、ヴロツワフ - クツィニア、2003 年、ISBN 83-89247-27-5

[2] J. チョクラルスキー (1918)。「Ein neues Verfahren zur Messung der Kristallisationsgeschwindigkeit der Metalle [金属の結晶化速度の新しい測定方法]」。物理化学の時代。92 : 219–221。土井：10.1515/zpch-1918-9212。

[3] Nishinaga, Tatau (2015).結晶成長ハンドブック: 基礎(第2版). アムステルダム、オランダ: Elsevier BV p. 21. ISBN 978-0-444-56369-9。

[4] スチュアート・ダウェル。「シリコンバレーの基盤を築いた科学者がついに栄誉を受ける」thefirstnews.com。2023年7月13日時点のオリジナルよりアーカイブ。2023年5月3日閲覧。

[5] Son, JK (2020-05-14). 「CUPでの稀少事象実験のための純粋Li2MoO4結晶の成長と発達」. Journal of Instrumentation . 15 (7): C07035. arXiv : 2005.06797 . Bibcode :2020JInst..15C7035S. doi :10.1088/1748-0221/15/07/C07035. S2CID 218630318.

[6] 「チョクラルスキー結晶成長法」 2003年1月30日。2016年8月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。

[7] Aleksic, Jalena; Zielke, Paul; Szymczyk, Janusz A.; et al. (2002). 「温度感受性液晶を用いたチョクラルスキー法のシミュレーションにおける温度と流れの可視化」. Ann. NY Acad. Sci. 972 (1): 158–163. Bibcode :2002NYASA.972..158A. doi :10.1111/j.1749-6632.2002.tb04567.x. PMID 12496012. S2CID 2212684.

[8] マナーズ、デイビッド (2013-12-30). 「450mmとEUVに対する疑問」Electronics Weekly . 2014-01-09閲覧。

[9] リー、Z。ハイウェイ州クラナー。ヴェルビツカヤ、E.エレミン、V.イワノフ、A.ラタッジ、M.ランコイタ、PG;ルビネリ、FA;フォナシュ、SJ;他。（1992年）。「中性子照射された高抵抗率シリコン接合粒子検出器における酸素空孔 (A センター) 欠陥複合体プロファイルの調査」。原子力科学に関するIEEEトランザクション。39 (6): 1730。書誌コード:1992ITNS...39.1730L。土井：10.1109/23.211360。

[10] リンドストローム、G;アーメド、M;サウスカロライナ州アルベルゴ。オールポート、P;アンダーソン、D;アンドリチェク、L;アンガラノ、MM;アウジェッリ、V;バケッタ、N;バルタリーニ、P;ベイツ、R;ビゲリ、U;ビレイ、GM。ビセロ、D;ボエミ、D;ボルキ、E;ボティラ、T;テスラ州ブロドベック。ブルッツィ、M;ブジンスキー、T;バーガー、P;カンパダル、F;キャス、G;カタッキーニ、E;チリンガロフ、A;チャンポリーニ、P;シンドロ、V;ミネソタ州コスタ。クリアンザ、D;他。（2001年）。「放射線ハードシリコン検出器 - RD48 (ROSE) コラボレーションによる開発」。核物理学研究における核計測機器と方法セクションA：加速器、分光計、検出器および関連機器。466（2）：308。Bibcode ： 2001NIMPA.466..308L。doi ：10.1016/S0168-9002（01）00560-5。hdl : 11568/67464 .

[11] CERN RD50 ステータスレポート 2004、CERN-LHCC-2004-031 および LHCC-RD-005 およびそこに引用されている文献

[12] ハルコネン、J;トゥオビネン、E;ルッカ、P;トゥオミネン、E;リー、Z;イワノフ、A;ヴェルビツカヤ、E;エレミン、V;ピロジェンコ、A;リーヒマキ、I。ヴィルタネン、A. (2005)。「高抵抗チョクラルスキーシリコンで作られた粒子検出器」。物理学研究における核機器および方法セクション A: 加速器、分光計、検出器および関連機器。541 (1-2): 202-207。ビブコード:2005NIMPA.541..202H。CiteSeerX 10.1.1.506.2366。土井：10.1016/j.nima.2005.01.057。

[13] Custer, JS; Polman, A.; Van Pinxteren, HM (1994). 「結晶シリコン中のエルビウム: アモルファスシリコンの固相エピタキシー中の偏析とトラッピング」Journal of Applied Physics . 75 (6): 2809. Bibcode :1994JAP....75.2809C. doi :10.1063/1.356173.

[14] Eikelboom, JA; Jansen, MJ (2000)、「新世代のPVモジュールの特性評価、テストとシミュレーションの結果」(PDF)、レポートECN-C-00-067、18

[15] James D. Plummer、Michael D. Deal、Peter B. Griffin、「Silicon VLSI Technology」、 Prentice Hall、2000年、ISBN 0-13-085037-3 、 pp. 126–27

応用