Was ist ein thermisches Feld?

Im BereichEinkristallwachstumspielt die Temperaturverteilung innerhalb des Kristallwachstumsofens eine entscheidende Rolle. Diese Temperaturverteilung, allgemein als thermisches Feld bezeichnet, ist ein entscheidender Faktor, der die Qualität und Eigenschaften des gezüchteten Kristalls beeinflusst. Derthermisches Feldkönnen in zwei Typen eingeteilt werden: statisch und dynamisch.

Statische und dynamische thermische Felder

Unter einem statischen Wärmefeld versteht man die relativ stabile Temperaturverteilung innerhalb des Heizsystems während der Kalzinierung. Diese Stabilität bleibt erhalten, wenn die Temperatur im Ofen über die Zeit konstant bleibt. Während des eigentlichen Prozesses des Einkristallwachstums ist das Wärmefeld jedoch alles andere als statisch; es ist dynamisch.

Ein dynamisches Wärmefeld ist durch kontinuierliche Änderungen der Temperaturverteilung im Ofen gekennzeichnet. Diese Veränderungen werden durch mehrere Faktoren verursacht:

Phasenumwandlung: Beim Übergang des Materials von einer flüssigen Phase in eine feste Phase wird latente Wärme freigesetzt, die sich auf die Temperaturverteilung im Ofen auswirkt.

Kristallverlängerung: Wenn der Kristall länger wird, nimmt die Oberfläche der Schmelze ab, wodurch sich die thermische Dynamik innerhalb des Systems verändert.

Wärmeübertragung: Die Arten der Wärmeübertragung, einschließlich Leitung und Strahlung, entwickeln sich im Laufe des Prozesses weiter und tragen zusätzlich zu den Veränderungen im Wärmefeld bei.

Aufgrund dieser Faktoren ist das dynamische Wärmefeld ein sich ständig verändernder Aspekt des Einkristallwachstums, der eine sorgfältige Überwachung und Steuerung erfordert.

Die Fest-Flüssig-Grenzfläche

Die Fest-Flüssigkeits-Grenzfläche ist ein weiteres entscheidendes Konzept beim Einkristallwachstum. Jeder Punkt im Ofen hat zu jedem Zeitpunkt eine bestimmte Temperatur. Wenn wir alle Punkte innerhalb des Wärmefeldes verbinden, die die gleiche Temperatur haben, erhalten wir eine räumliche Kurve, die als isotherme Oberfläche bezeichnet wird. Unter diesen isothermen Oberflächen ist eine besonders bedeutsam – die Fest-Flüssigkeits-Grenzfläche.

Die Fest-Flüssigkeits-Grenzfläche ist die Grenze, an der die feste Phase des Kristalls auf die flüssige Phase der Schmelze trifft. An dieser Grenzfläche findet das Kristallwachstum statt, da sich an dieser Grenze der Kristall aus der flüssigen Phase bildet.

Temperaturgradienten beim Einkristallwachstum

Während des Wachstums von einkristallinem Silizium wird diethermisches Feldumfasst sowohl feste als auch flüssige Phasen mit jeweils unterschiedlichen Temperaturgradienten:

Im Kristall:

Temperaturgradient in Längsrichtung: Bezieht sich auf den Temperaturunterschied entlang der Länge des Kristalls.

Radialer Temperaturgradient: Bezieht sich auf den Temperaturunterschied über den Radius des Kristalls.

In der Schmelze:

Temperaturgradient in Längsrichtung: Bezieht sich auf den Temperaturunterschied entlang der Höhe der Schmelze.

Radialer Temperaturgradient: Bezieht sich auf den Temperaturunterschied über den Radius der Schmelze.

Diese Gradienten stellen zwei unterschiedliche Temperaturverteilungen dar, aber der kritischste für die Bestimmung des Kristallisationszustands ist der Temperaturgradient an der Fest-Flüssigkeits-Grenzfläche.

Radialer Temperaturgradient im Kristall: Bestimmt durch longitudinale und transversale Wärmeleitung, Oberflächenstrahlung und die Position des Kristalls im Wärmefeld. Im Allgemeinen ist die Temperatur in der Mitte des Kristalls höher und an den Rändern niedriger.

Radialer Temperaturgradient in der Schmelze: Wird hauptsächlich von den umgebenden Heizgeräten beeinflusst, wobei die Mitte kühler ist und die Temperatur zum Tiegel hin ansteigt. Der radiale Temperaturgradient in der Schmelze ist immer positiv.

Optimierung des thermischen Feldes

Eine gut konzipierte Temperaturverteilung im Wärmefeld sollte die folgenden Bedingungen erfüllen:

Ausreichender Temperaturgradient in Längsrichtung im Kristall: Er muss ausreichend groß sein, um sicherzustellen, dass der Kristall über genügend Wärmeableitungskapazität verfügt, um die latente Kristallisationswärme abzuleiten. Es sollte jedoch nicht zu groß sein, da dies das Kristallwachstum behindern könnte.

Erheblicher Längstemperaturgradient in der Schmelze: Stellt sicher, dass sich in der Schmelze keine neuen Kristallkeime bilden. Ist sie jedoch zu groß, kann es zu Versetzungen kommen, die zu Kristalldefekten führen.

Geeigneter Temperaturgradient in Längsrichtung an der Kristallisationsgrenzfläche: Er sollte groß genug sein, um die erforderliche Unterkühlung zu erzeugen und so einen ausreichenden Wachstumsantrieb für den Einkristall bereitzustellen. Allerdings darf es nicht zu groß sein, um bauliche Mängel zu vermeiden. Gleichzeitig sollte der radiale Temperaturgradient so gering wie möglich sein, um eine flache Kristallisationsgrenzfläche aufrechtzuerhalten.

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