Nederlands
Menu

CZ- versus FZ-silicium: groeimethoden voor eenkristallen vergeleken

De meeste siliciumwafers worden gemaakt uit een eenkristal dat op een van twee manieren is gegroeid. Bij de Czochralski-methode (CZ) wordt een zaadkristal in gesmolten silicium in een kwartstroeg gedoopt en langzaam omhoog getrokken. Bij de floating-zone-methode (FZ) smelt een spoel slechts een smalle zone van een polysiliciumstaaf, en die gesmolten zone wordt langs de staaf bewogen, zodat het silicium de smeltkroes niet raakt. CZ is goedkoop en levert grote wafers. FZ levert silicium van hogere zuiverheid.

KenmerkCZ-methodeFZ-methode
KristalgroeiEen zaadkristal wordt in gesmolten silicium in een kwartstroeg gedoopt en al draaiend omhoog getrokkenEen hoogfrequente spoel smelt een smalle zone van een polysiliciumstaaf en die zone wordt langs de staaf bewogen
Contact met de smeltkroesJa. Zuurstof uit het kwarts lost op in de smeltNee. Slechts zeer weinig zuurstof
ZuurstofconcentratieHoogZeer laag
Zuiverheid en soortelijke weerstandMinder zuiver. De soortelijke weerstand is beperkt (verbeterd met de MCZ-methode, die een magnetisch veld gebruikt)Zeer zuiver en met zeer hoge soortelijke weerstand
DoteringDe dotering wordt aan de smelt toegevoegd. De concentratie varieert binnen de ingotDotering met gas of uniforme fosfordotering door neutronenbestraling (NTD)
WaferdiameterTot 300 mm in massaproductieMeestal tot ongeveer 200 mm. Groter is moeilijk
KostenLaag. Hoge productiviteit met grote ingotsHoog
Mechanische sterkte en getteringZuurstofprecipitaten verhogen de sterkte en vangen metaalverontreinigingen op (intrinsieke gettering)Heeft deze voordelen niet en wafers kunnen brozer zijn
Belangrijkste toepassingenHet grootste deel van de wafers. Logica, geheugen, zonnecellenVermogensdevices voor hoge spanning (zoals IGBT's), detectoren, RF-devices met hoge soortelijke weerstand

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

CZ
De standaard voor reguliere chips. Het ondersteunt de grootste waferformaten en is het meest economisch.
FZ
Wanneer hoge zuiverheid en zeer hoge soortelijke weerstand belangrijker zijn dan kosten of waferformaat. Vooral voor vermogensdevices en sensoren.

Veelgestelde vragen

Waarom is de CZ-methode het meest gebruikelijk?

Omdat die goedkoop is, grote ingots oplevert (wafers tot 300 mm in massaproductie) en wafers geeft waarvan de zuurstofprecipitaten de sterkte verhogen en onzuiverheden opvangen.

Waarom heeft FZ-silicium een hoge soortelijke weerstand?

De smeltkroes raakt het silicium niet, dus er komen vrijwel geen zuurstof en andere onzuiverheden in, wat zeer hoge zuiverheid en soortelijke weerstand oplevert.

Wat is neutron transmutation doping?

Een methode waarbij FZ-silicium met neutronen wordt bestraald, zodat een deel van de siliciumatomen in fosfor verandert en een zeer uniforme n-type dotering ontstaat.

Waarvoor worden FZ-wafers gebruikt?

Voor vermogensdevices voor hoge spanning zoals IGBT's, voor detectoren en voor RF-devices met hoge soortelijke weerstand.

Test uw begrip

Welke eigenschap van met de FZ-methode (floating-zone-methode) vervaardigd monokristallijn silicium is juist?

  1. AGrote diameters zijn het eenvoudigst te realiseren en het is de gangbare methode voor wafers van 300 mm
  2. BOmdat geen kwartsen kroes wordt gebruikt, bevat het weinig onzuiverheden zoals zuurstof en zijn kristallen met hoge soortelijke weerstand eenvoudig te verkrijgen
  3. CPolykristallijn silicium wordt monokristallijn zonder het te smelten
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Omdat geen kwartsen kroes wordt gebruikt, bevat het weinig onzuiverheden zoals zuurstof en zijn kristallen met hoge soortelijke weerstand eenvoudig te verkrijgen

Bij de FZ-methode wordt een deel van een staaf polykristallijn silicium met hoogfrequente inductieverwarming als smalle zone gesmolten en wordt die smeltzone verplaatst, zodat het monokristallijn wordt. Omdat geen kroes wordt gebruikt, komt weinig zuurstof binnen, en onzuiverheden verzamelen zich in de smeltzone en worden verwijderd, zodat zeer zuivere kristallen met een soortelijke weerstand van 1000 Ω·cm of hoger kunnen worden verkregen. Ze worden gebruikt voor vermogenscomponenten met hoge spanningsvastheid (zoals IGBT's) en detectoren; grote diameters zijn met de CZ-methode eenvoudiger, en voor FZ ligt de grens rond 200 mm.

Welke onzuiverheid wordt in relatief grote hoeveelheid uit de kroes in een met de CZ-methode gegroeid siliciumkristal opgenomen?

  1. AGoud
  2. BZuurstof
  3. CHelium
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Zuurstof

Bij de CZ-methode wordt silicium in een kwartsen (SiO2) kroes gesmolten, zodat zuurstof die uit de kroes oplost in een concentratie van circa 10¹⁸ cm⁻³ in het kristal wordt opgenomen. Zuurstof verhoogt de mechanische sterkte van het kristal doordat het dislocaties vastzet en de precipitaten die bij warmtebehandeling ontstaan werken als gettersites, maar een te hoge concentratie veroorzaakt defecten en thermische donoren. Daarom wordt de concentratie geregeld met onder meer de MCZ-methode, waarbij convectie met een magneetveld wordt onderdrukt, en wordt per toepassing een specificatie vastgesteld.

Wat is het belangrijkste doel van het regelen van de verhouding (V/G) tussen de treksnelheid van het kristal en de temperatuurgradiënt in het kristal bij de CZ-methode?

  1. AHet type en de hoeveelheid puntdefecten (vacatures en interstitieel silicium) die in het kristal worden opgenomen regelen en zo kristaldefecten verminderen
  2. BDe kleur van het kristal veranderen
  3. CDe levensduur van de kroes verlengen
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Het type en de hoeveelheid puntdefecten (vacatures en interstitieel silicium) die in het kristal worden opgenomen regelen en zo kristaldefecten verminderen

De verhouding tussen de treksnelheid V en de temperatuurgradiënt G nabij het grensvlak bepaalt of de in overmaat opgenomen puntdefecten in het kristal vacatures of interstitieel silicium zijn. Bij een grote V/G blijven vacatures over en klonteren samen tot microscopische holten (COP), bij een kleine V/G blijft interstitieel silicium over en ontstaan dislocatielussen. Wanneer onder een smalle voorwaarde wordt getrokken waarin beide precies in evenwicht zijn, wordt een kristal verkregen met vrijwel geen van beide defecten (perfect kristal, perfect silicon).

  1. Welke onzuiverheid wordt typisch aan de smelt toegevoegd om bij de CZ-methode p-type siliciumkristal te maken?
  2. Welke methode zet FZ-silicium door bestraling met neutronen om, waarbij een deel van het silicium in fosfor verandert tot homogeen n-type?
  3. Welke methode onderdrukt bij de CZ-methode de convectie van de smelt door een magneetveld aan te leggen op de kroes, om onder meer de zuurstofconcentratie te regelen?

Oefenvragen over Siliciumwafers

Belangrijke termen uitgelegd

Czochralski-methode (CZ-methode)
Methode om een eenkristal te maken door een entkristal in gesmolten silicium in een smeltkroes te dopen en dit al draaiend omhoog te trekken.
Floating-zonemethode (FZ-methode)
Methode om een eenkristal te maken door een deel van een staaf polysilicium te verhitten en te smelten en de gesmolten zone te verplaatsen. Er is geen smeltkroes, dus weinig zuurstof; geschikt voor wafers met hoge weerstand.
MCZ-methode (magnetic Czochralski)
Variant van de CZ-methode waarbij een magnetisch veld op de smeltkroes wordt aangelegd om de convectie van de smelt te onderdrukken. De zuurstofconcentratie in het kristal is er gemakkelijker mee te regelen; wordt gebruikt bij kristallen met grote diameter.

Verwante vergelijkingen