Silicio plokštelių gamyba

Šaltinis: mksinst.com

Elektroninio lygio polikristalinio silicio (polisilicio) valymas

Schematic of a submerged electrode arc furnace used in the production of MG-Si

figūra 1. MG-Si gamyboje naudojamo panardinto elektrodo lanko krosnies schema.

Siliconis yra antras labiausiai paplitęs žemės plutos elementas (deguonis yra pirmasis). Natūraliai jis pasireiškia silikatinėse (turinčiose Si-O) uolienose ir smėliuose. Puslaidininkinių įtaisų gamyboje naudojamas elementinis silicis gaminamas iš labai gryno kvarco ir kvarcito smėlio, kuriame yra palyginti nedaug priemaišų. Elektroninis silicis, naudojamas puslaidininkinių įtaisų gamyboje naudojamo silicio rūšiai, yra procesų grandinės produktas, prasidedantis kvarcą arba kvarcitinį smėlį paverčiant „metalurginiu siliciu“ (MG-Si) elektriniu būdu. lankinė krosnis (1 pav.) pagal cheminę reakciją:

SiO2+ C → Si + CO2

Tokiu būdu paruoštas silicis vadinamas „metalurgijos rūšimi“, nes didžioji pasaulio produkcijos dalis iš tikrųjų tenka plienui gaminti. Jo grynumas yra apie 98%. MG-Si nėra pakankamai grynas, kad jį būtų galima tiesiogiai naudoti elektronikos gamyboje. Nedidelė dalis (5% - 10%) pasaulinės MG-Si produkcijos išgryninama ir naudojama elektronikos gamyboje. MG-Si gryninimas iki puslaidininkinio (elektroninio) silicio yra daugiapakopis procesas, schematiškai parodytas 2 paveiksle. Šiame procese MG-Si pirmiausia sumalamas rutuliniame malūne, kad gautų labai smulkų (75%<). ; 40 µM) dalelės, kurios vėliau tiekiamos į pseudoveiksmio reaktorių (FBR). Čia MG-Si reaguoja su bevandenėmis druskos rūgšties dujomis (HCl) 575 K (maždaug 300 ° C) temperatūroje pagal reakciją:

Si + 3HCl → SiHCl3+ H2

Dėl hidrochlorinimo reakcijos FBR susidaro dujinis produktas, kuriame yra apie 90% trichlorosilano (SiHCl3). Likę 10% šiame etape susidariusių dujų daugiausia yra tetrachlorosilanas, SiCl4, su šiek tiek dichlorosilano, SiH2Cl2. Šis dujų mišinys atliekamas distiliuojant frakcijomis, kurios išvalo trichlorosilaną ir surenka bei iš naujo panaudoja šalutinius tetrachlorosilano ir dichlorosilano produktus. Šis gryninimo procesas gamina ypač gryną trichlorosilaną, kurio pagrindinės priemaišos yra mažose milijardo dalyse. Išgrynintas, kietas polikristalinis silicis gaminamas iš labai gryno trichlorosilano, naudojant „Siemens proceso“ metodą. Šiame procese trichlorosilanas skiedžiamas vandeniliu ir tiekiamas į cheminio garų nusodinimo reaktorių. Reakcijos sąlygos sureguliuojamos taip, kad polikristalinis silicis nusėdtų ant elektriniu būdu kaitinamų silicio strypų pagal atvirkštinę trichlorosilano susidarymo reakcijos kryptį:

SiHCl3+ H2→ Si + 3HC

Šalinimo produktai, susidarantys nusodinimo reakcijos metu (H2, HCl, SiHCl3, SiCl4ir SiH2Cl2) yra užfiksuoti ir perdirbti trichlorosilano gamybos ir gryninimo procese, kaip parodyta 2 paveiksle. Gamybos, valymo ir silicio nusodinimo procesų, susijusių su puslaidininkiniu siliciu, chemija yra sudėtingesnė nei šis paprastas aprašymas. Taip pat yra daugybė alternatyvių cheminių medžiagų, kurios gali būti naudojamos ir yra naudojamos silicio silicio gamybai.

rocess flow diagram for the production of semiconductor grade (electronic grade) silicon

2 paveikslas. Proceso schema puslaidininkinio (elektroninio) silicio gamybai.

Vieno kristalo silicio plokštelių gamyba

Silicio plokštelės, taip pažįstamos mums, puslaidininkių pramonėje, iš tikrųjų yra plonos didelio vieno silicio kristalo, išauginto iš lydyto elektroninio polikristalinio silicio, griežinėliai. Šių pavienių kristalų auginimo procesas yra žinomas kaip Czochralski procesas po jo išradėjo Jano Czochralskio. 3 paveiksle parodyta pagrindinė Czochralski proceso seka ir komponentai.

Schematic of Czochralski process (b) Process equipment (reproduced with permission, PVA TePla AG 2017)

3 paveikslas. Czochralski proceso schema (b) Proceso įranga (atkurta gavus leidimą, PVA TePla AG 2017).

Czochralskio procesas atliekamas evakuojamoje kameroje, paprastai vadinamoje „kristalų traukikliu“, kuriame telpa didelis tiglis, dažniausiai kvarcas, ir elektrinis kaitinimo elementas (3 pav. A). Puslaidininkinis polisilicis įkeliamas (įkraunamas) į tiglį kartu su tiksliu kiekiu bet kokių leistinų medžiagų, tokių kaip fosforas ar boras, kurių gali prireikti norint suteikti produkto plokštelėms nurodytas P arba N savybes. Evakuacija pašalina bet kokį orą iš kameros, kad augimo procese nebūtų oksiduojamas pašildytas silicis. Įkrautas tiglis elektriniu būdu pašildomas iki temperatūros, pakankamos polisilikonui ištirpti (didesnei nei 1421ºC). Kai silicio įkrova visiškai ištirps, mažas sėklų kristalas, pritvirtintas ant strypo, nuleidžiamas į išlydytą silicį. Sėklos kristalo skersmuo paprastai yra apie 5 mm, o ilgis - iki 300 mm. Jis veikia kaip „starteris“ didesniam silicio kristalui augti iš lydalo. Pradinis kristalas tvirtinamas ant strypo su žinomu kristalo briaunu, vertikaliai orientuotu lydinyje (kristalo briaunas apibrėžia „Millerio indeksai“). Sėklų kristalų atveju briaunos, kurių Millerio indeksai yra&<100>><110> arba< 111=""> paprastai pasirenkami. Krištolo augimas iš lydalo atitiks šią pradinę orientaciją, suteikdamas žinomą galutiniam dideliam vieno kristalo kristalų orientavimui. Panardinus į lydalą, sėklos kristalas lėtai (keletą cm / val.) Traukiamas iš lydalo, kai auga didesnis kristalas. Traukimo greitis lemia galutinį didžiojo kristalo skersmenį. Ir kristalas, ir tiglis yra pasukami kristalo traukimo metu, siekiant pagerinti kristalo homogeniškumą ir priemaišų pasiskirstymą. Galutinis didelis kristalas yra cilindro formos; tai vadinama „bule“. „Czochralski“ augimas yra ekonomiškiausias silicio kristalų apvalkalų gamybos būdas, tinkamas silicio plokštelėms gaminti, skirtoms bendram puslaidininkių įtaisų gamybai (žinomos kaip CZ plokštelės). Šis metodas gali suformuoti pakankamai didelius rutulius, kad būtų galima pagaminti iki 450 mm skersmens silicio plokšteles. Tačiau metodas turi tam tikrų apribojimų. Kadangi kulka auginama kvarce (SiO2) tiglis, silicyje visada yra šiek tiek deguonies (paprastai 1018 atomų cm-3 arba 20 ppm). Kad būtų išvengta šio užteršimo, buvo naudojami grafito tigliai, tačiau juose silicyje susidaro anglies priemaišų, nors ir mažesne koncentracija. Tiek deguonies, tiek anglies priemaišos mažina nešiklio difuzijos mažumą galutiniame silicio plokštelėje. Dopanto homogeniškumas ašine ir radialine kryptimis taip pat yra ribotas Czochralski silicyje, todėl sunku gauti plokšteles, kurių varža yra didesnė nei 100 omų cm.

Didesnio grynumo silicį galima pagaminti metodu, žinomu kaip „Float Zone“ (FZ) rafinavimas. Taikant šį metodą, polikristalinis silicio luitas vertikaliai auginimo kameroje sumontuojamas vakuume arba inertinėje atmosferoje. Luitas neturi sąlyčio su jokiais kameros komponentais, išskyrus aplinkos dujas ir žinomos orientacijos pradinius kristalus (4 pav.). Luitas kaitinamas bekontaktėmis radijo dažnio (RF) ritėmis, kurios luite sukuria ištirpusios medžiagos zoną, paprastai apie 2 cm storio. Vykdant FZ, strypas juda vertikaliai žemyn, leisdamas išlydytai zonai judėti aukštyn luito ilgiu, stumdamas priemaišas prieš lydymą ir palikdamas labai išgrynintą monokristalinį silicį. FZ silicio plokštelių atsparumas siekia net 10 000 omų cm.

4 paveikslas. Plūduriuojančios zonos kristalų augimo konfigūracija.

Sukūrus silicio gaubtą, jis supjaustomas į valdomus ilgius ir kiekvieną ilgį sumalamas iki norimo skersmens. Šiame etape taip pat yra sumalti orientaciniai plokščiaplaukiai, rodantys silicio priedus ir mažesnių nei 200 mm skersmens plokštelių orientaciją. Plokštėms, kurių skersmuo mažesnis nei 200 mm, pirminis (didžiausias) plokščias yra nukreiptas statmenai nurodytai kristalo ašiai, pavyzdžiui,< 111=""> arba< 100=""> (žr. 5 paveikslą). Antriniai (mažesni) butai nurodo, ar plokštelė yra p tipo, ar n tipo. 200 mm (8 colių) ir 300 mm (12 colių) plokštelėse naudojama viena įpjova, nukreipta į nurodytą kristalo ašį, kad būtų nurodyta plokštelių orientacija be jokio dopingo tipo indikatoriaus. 3 paveiksle parodytas ryšys tarp plokštelių tipo ir plokščių išdėstymo ant plokštelių krašto.

Wafer flat designators for different wafer orientation and doping

5 paveikslas. Plokščių plokštelių plokštelės, skirtingos plokštelių orientavimui ir dopingo vartojimui.

Po to, kai rutulys sumalamas iki norimo skersmens ir sukuriami butai, jis supjaustomas plonais griežinėliais, naudojant deimantu inkrustuotą ašmenį arba plieninę vielą. Šiame etape silicio griežinėlių kraštai paprastai yra suapvalinti. Šiuo metu šalia pirminio buto taip pat pridedami lazeriniai ženklai, žymintys silicio tipą, varžą, gamintoją ir kt. Abu neužbaigto griežinėlio paviršiai yra sumalami ir užveržiami, kad visi griežinėliai atitiktų nurodytą storio ir lygumo toleranciją. Šlifuojant pjūvis tampa grubiai toleruojamas ir lygus, po kurio sutapimo procesas pašalina paskutinį nepageidaujamos medžiagos gabalėlį nuo riekelių paviršių, paliekant lygų, plokščią, nepoliruotą paviršių. Apspaudžiant paprastai gaunamos mažesnės nei 2,5 µm plokštelių paviršiaus lygumo tolerancijos.

Paskutinis silicio plokštelių gamybos etapas apima chemikalusofortaspašalinkite visus paviršiaus sluoksnius, kurie pjovimo, šlifavimo ir klijavimo metu galėjo sukaupti kristalų pažeidimus ir užteršimą; paskuicheminis mechaninis poliravimas(CMP), kad būtų sukurtas labai atspindintis, įbrėžimų ir pažeidimų neturintis paviršius vienoje plokštelės pusėje. Cheminis ėsdinimas atliekamas naudojant vandenilio fluorido rūgšties (HF) eterio tirpalą, sumaišytą su azoto ir acto rūgštimis, kurios gali ištirpinti silicį. CMP silicio skiltelės montuojamos ant laikiklio ir dedamos į CMP mašiną, kur joms atliekamas bendras cheminis ir mechaninis poliravimas. Paprastai CMP naudojamas kietas poliuretano poliravimo padas, derinamas su smulkiai disperguoto aliuminio oksido arba silicio dioksido abrazyvinių dalelių srutomis šarminiame tirpale. Galutinis CMP proceso produktas yra silicio plokštelė, kuri mums, kaip vartotojams, yra žinoma. Vienoje pusėje yra labai atspindintis, įbrėžimų ir pažeidimų neturintis paviršius, ant kurio galima pagaminti puslaidininkinius įtaisus.

Sudėtinių puslaidininkinių plokštelių gamyba

Sudėtiniai puslaidininkiai yra svarbios medžiagos daugelyje karinių ir kitų specialybės elektronikos prietaisų, tokių kaip lazeriai, aukšto dažnio elektroniniai prietaisai, šviesos diodai, optiniai imtuvai, optoelektroniniai integriniai grandynai ir kt. GaN nuo 1990 m. .

1 lentelėje pateikiamas elementinių ir dvejetainių (dviejų elementų) junginių puslaidininkių sąrašas, jų juostos tarpo pobūdis ir dydis. Be dvejetainių junginių puslaidininkių, trijų komponentų (trijų elementų) junginiai puslaidininkiai taip pat žinomi ir naudojami gaminant prietaisus. Į trijų komponentų puslaidininkius įeina tokios medžiagos kaip aliuminio galio arsenidas, AlGaAs, indio galio arsenidas, InGaAs ir indio aliuminio arsenidas, InAlAs. Ketvirtiniai (keturių elementų) junginiai puslaidininkiai taip pat žinomi ir naudojami šiuolaikinėje mikroelektronikoje.

Unikalus sudėtinių puslaidininkių gebėjimas skleisti šviesą yra dėl to, kad jie yra tiesioginiai juostiniai tarpiniai puslaidininkiai. 1 lentelėje nurodomi, kurie puslaidininkiai turi šią savybę. Šviesos, kurią skleidžia prietaisai, pastatyti iš tiesioginių juostinių tarpų puslaidininkių, bangos ilgis priklauso nuo juostos tarpo energijos. Sumaniai sukonstravus kompozicinių įtaisų, pagamintų iš skirtingų sudėtinių puslaidininkių, turinčių tiesioginių juostų tarpus, juostų tarpų struktūrą, inžinieriai sugebėjo pagaminti kietojo kūno šviesą skleidžiančius įtaisus, kurie svyruoja nuo šviesolaidžio ryšyje naudojamų lazerių iki didelio efektyvumo LED lempučių. Išsami diskusija apie puslaidininkių medžiagų tiesioginių ir netiesioginių juostų spragų pasekmes yra už šio darbo ribų.

Paprasti, dvejetainiai junginiai, puslaidininkiai gali būti paruošti urmu, o monokristalinės plokštelės gaminamos procesais, panašiais į tuos, kurie naudojami silicio plokštelių gamyboje. GaAs, InP ir kiti sudėtiniai puslaidininkiniai luitai gali būti auginami naudojant Czochralski arba Bridgman-Stockbarger metodą su plokštelėmis, paruoštomis panašiai kaip silicio plokštelių gamyba. Sudėtinių puslaidininkinių plokštelių paviršiaus kondicionavimą (ty jų atspindėjimą ir plokščią pavertimą) apsunkina tai, kad yra bent du elementai ir šie elementai gali reaguoti su ofortais ir abrazyvais skirtingose madose.

Medžiagų sistema	vardas	Formulė	Energijos spraga (eV)	Juostos tipas (I=netiesioginis; D=tiesioginis)
IV	Deimantas	C	5.47	I
	Silicis	Si	1.124	I
	Germanis	Ge	0.66	I
	Pilka skarda	Sn	0.08	D
IV-IV	Silicio karbidas	SiC	2.996	I
IV-IV	Silicis-germanis	SixGe1-x	Var.	I
IIV-V	Švino sulfidas	PbS	0.41	D
	Švinas Selenidas	PbSe	0.27	D
	Švinas Telluridas	PbTe	0.31	D
III-V	Aliuminio nitridas	AlN	6.2	I
	Aliuminio fosfidas	AlP	2.43	I
	Aliuminio arsenidas	AlAs	2.17	I
	Aliuminio antimonidas	AlSb	1.58	I
	Galio nitridas	GaN	3.36	D
	Galio fosfidas	GaP	2.26	I
	Galio arsenidas	GaAs	1.42	D
	Galio antimonidas	GaSb	0.72	D
	Indio nitridas	Užeiga	0.7	D
	Indio fosfidas	InP	1.35	D
	Indio arsenidas	„InAs“	0.36	D
	Indio antimonidas	„InSb“	0.17	D
II-VI	Cinko sulfidas	ZnS	3.68	D
	Cinko selenidas	ZnSe	2.71	D
	Cinkas Telluridas	ZnTe	2.26	D
	Kadmio sulfidas	CD	2.42	D
	Kadmio selenidas	„CdSe“	1.70	D
	Kadmio teluridas	„CdTe“	1.56	D

1 lentelė. Elementiniai puslaidininkiai ir dvejetainiai junginiai puslaidininkiai.

Elektroninio lygio polikristalinio silicio (polisilicio) valymas

Vieno kristalo silicio plokštelių gamyba

Sudėtinių puslaidininkinių plokštelių gamyba

Susijusiose pramonės šakose

Siųsti užklausą