Proizvodnja silikonskih pločica - Znanje

Izvor: mksinst.com

Elektronsko pročišćavanje polikristalnog silicija (polisilikona)

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

Slika 1. Shema podvodne elektrode u elektrolučnoj peći koja se koristi u proizvodnji MG-Si.

Silicij je drugi najrasprostranjeniji element u zemljinoj kori (kisik je prvi). Prirodno se javlja u silikatnim (Si-O) stijenama i pijescima. Elementarni silicijum koji se koristi u proizvodnji poluprovodničkih uređaja proizvodi se od kvarcnog i kvarcitnog pijeska visoke čistoće, koji sadrže relativno malo nečistoća. Elektronski silicij, naziv koji se koristi za silicij koji se koristi u proizvodnji poluprovodničkih uređaja, proizvod je lanca procesa koji započinju pretvaranjem kvarca ili kvarcitnog pijeska u „metalurški silicij“ (MG-Si), u električnom elektrolučna peć (slika 1) prema hemijskoj reakciji:

SiO2+ C → Si + CO2

Ovako pripremljeni silicijum naziva se "metalurški", jer većina svjetske proizvodnje zapravo ide u proizvodnju čelika. Čist je oko 98%. MG-Si nije dovoljno čist za direktnu upotrebu u proizvodnji elektronike. Mali dio (5% - 10%) svjetske proizvodnje MG-Si dodatno se pročišćava za upotrebu u proizvodnji elektronike. Pročišćavanje MG-Si u poluvodički (elektronski) silicij postupak je u više koraka, shematski prikazan na slici 2. U ovom procesu MG-Si se prvo melje u kugličnom mlinu da bi se dobilo vrlo fino (75%< ; 40 µM) čestice koje se zatim dovode u reaktor sa fluidizovanim slojem (FBR). Tamo MG-Si reagira s bezvodnim plinovitim klorovodičnom kiselinom (HCl), na 575 K (približno 300 ° C), u skladu s reakcijom:

Si + 3HCl → SiHCl3+ H2

Reakcijom hidrokloriranja u FBR nastaje plinoviti proizvod koji sadrži oko 90% triklorosilana (SiHCl3). Preostalih 10% plina proizvedenog u ovom koraku uglavnom je tetraklorosilan, SiCl4, sa malo diklorosilana, SiH2Kl2. Ova mješavina plina provodi se kroz niz frakcijskih destilacija koje pročišćavaju triklorosilan te sakupljaju i ponovno koriste nusproizvode tetraklorosilana i diklorosilana. Ovim postupkom pročišćavanja stvara se izuzetno čisti triklorosilan s glavnim nečistoćama u opsegu niskih dijelova na milijardu. Prečišćeni, čvrsti polikristalni silicijum proizvodi se od triklorosilana visoke čistoće metodom poznatom kao „Siemensov postupak“. U ovom procesu, triklorosilan se razrijedi vodonikom i dovede u reaktor za taloženje kemijske pare. Tamo su reakcijski uvjeti prilagođeni tako da se polikristalni silicij taloži na električno zagrijane silicijske šipke prema obrnutom od reakcije formiranja triklorosilana:

SiHCl3+ H2→ Si + 3HC

Nusproizvodi iz reakcije taloženja (H2, HCl, SiHCl3, SiCl4i SiH2Kl2) se hvataju i recikliraju postupkom proizvodnje i pročišćavanja triklorosilana, kao što je prikazano na slici 2. Kemija procesa proizvodnje, pročišćavanja i taloženja silicija povezanih sa silicijumom poluprovodničkog sloja složenija je od ovog jednostavnog opisa. Postoji i niz alternativnih hemikalija koje se mogu i koriste za proizvodnju polisilicija.

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

Slika 2. Dijagram toka procesa za proizvodnju poluprovodničkog silicija (elektronskog kvaliteta).

Izrada monokristalne silicijske pločice

Silicijske pločice toliko poznate nama u industriji poluprovodnika zapravo su tanke kriške velikog monokristala silicija koji je uzgojen iz rastopljenog polikristalnog silicijuma elektronskog kvaliteta. Proces koji se koristi u uzgoju ovih monokristala poznat je pod nazivom Czochralski postupak po njegovom izumitelju Janu Czochralskom. Slika 3 prikazuje osnovni slijed i komponente uključene u proces Czochralskog.

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

Slika 3. Šema procesa Czochralskog (b) Procesna oprema (reproducirano uz dozvolu, PVA TePla AG 2017).

Postupak Czochralskog izvodi se u komori za evakuaciju, koja se obično naziva „izvlakač kristala“ koji sadrži veliki lončić, obično kvarc, i električni grijaći element (slika 3 (a)). Polusilikonski polisilicijum se puni (napuni) u lončić zajedno s preciznim količinama bilo kakvih dodataka poput fosfora ili bora koji bi mogli biti potrebni da oblatne proizvoda dobiju određene P ili N karakteristike. Evakuacija uklanja sav vazduh iz komore kako bi se izbegla oksidacija zagrejanog silicija tokom procesa rasta. Napunjeni lončić se električno zagrijava do temperature dovoljne za topljenje polisilicija (veće od 1421ºC). Nakon što se silicijev naboj potpuno rastopi, mali kristal sjemena, postavljen na štap, spušta se u rastopljeni silicij. Sjemenski kristal je obično promjera oko 5 mm i dugačak do 300 mm. Djeluje kao "pokretač" za rast većeg kristala silicija iz taline. Sjemenski kristal je postavljen na štap s poznatom kristalnom fasetom okomito orijentiranom u talini (kristalne fasete definirane su „Millerovim indeksima“). U slučaju kristala sjemena, fasete koje imaju Milerove indekse< 100>="">< 110=""> ili< 111=""> su obično izabrani. Rast kristala iz taline prilagodit će se ovoj početnoj orijentaciji, dajući konačnom velikom monokristalu poznatu orijentaciju kristala. Nakon potapanja u talinu, kristal sjemena se polako (nekoliko cm / sat) izvlači iz taline kako veći kristal raste. Brzina povlačenja određuje konačni promjer velikog kristala. I kristal i lončić rotiraju se za vrijeme povlačenja kristala kako bi se poboljšala homogenost kristala i raspodjela dopantne supstance. Završni veliki kristal je cilindričnog oblika; naziva se "balun". Rast Čohralskog je najekonomičnija metoda za proizvodnju silikonskih kristalnih kuglica pogodnih za proizvodnju silicijskih pločica za opću proizvodnju poluprovodničkih uređaja (poznatih kao CZ oblatne). Metoda može oblikovati dovoljno velike loptice da se dobiju silicijske oblatne promjera do 450 mm. Međutim, metoda ima određena ograničenja. Budući da se balin uzgaja u kvarcu (SiO2) u loncu, u silicijumu je uvijek prisutna određena kontaminacija kiseonikom (obično 1018 atoma cm-3 ili 20 ppm). Grafitni lonci korišteni su kako bi se izbjegla ova kontaminacija, ali oni proizvode nečistoće ugljika u silicijumu, iako u redu veličine niže u koncentraciji. I kiseonik i ugljenične nečistoće smanjuju dužinu difuzije nosača manjina u konačnoj silicijskoj pločici. Homogenost dodavanja u aksijalnom i radijalnom smjeru također je ograničena u Czochralski silicijumu, što otežava dobivanje oblatni otpornosti veće od 100 ohm-cm.

Silicij veće čistoće može se dobiti metodom poznatom kao prečišćavanje float zone (FZ). U ovoj metodi polikristalni silicijumski ingot se postavlja vertikalno u komoru za rast, bilo pod vakuumom ili inertnom atmosferom. Šalica nije u dodiru ni s jednim dijelom komore, osim s ambijentalnim plinom i sjemenskim kristalom poznate orijentacije u osnovi (slika 4). Šolja se zagrijava pomoću beskontaktnih zavojnica radio-frekvencija (RF) koje uspostavljaju zonu rastopljenog materijala u kalupu, obično debljine oko 2 cm. U FZ procesu, štap se kreće vertikalno prema dolje, omogućujući rastopljenoj zoni da se pomiče duž dužine kalupa, gurajući nečistoće ispred taline i ostavljajući visoko pročišćeni monokristalni silicijum. FZ silicijske pločice imaju otpornost do 10 000 ohm-cm.

Slika 4. Konfiguracija rasta kristala plutajuće zone.

Jednom kada se stvori silikonski bal, on se reže na upravljive dužine i svaka dužina se melje na željeni promjer. Orijentacijski paneli koji označavaju doping silicija i orijentaciju za oblatne promjera manjeg od 200 mm također se melju u bocu u ovoj fazi. Za oblatne promjera manjih od 200 mm, primarni (najveći) ravan orijentiran je okomito na određenu kristalnu osu, poput< 111=""> ili< 100=""> (vidi sliku 5). Sekundarni (manji) stanovi pokazuju da li je oblatna p-tipa ili n-tipa. Oblatne od 200 mm (8 inča) i 300 mm (12 inča) koriste jedan urez orijentisan na navedenu kristalnu osu kako bi označile orijentaciju oblatne bez indikatora za tip dopinga. Slika 3 prikazuje vezu između tipa oblatne i smještaja stanova na rubu oblatne.

Wafer flat designators for different wafer orientation and doping

Slika 5. Označivači pločica za oblatne za različitu orijentaciju napolitanki i doping.

Nakon što je lopta brušena do željenog promjera i stvoreni stanovi, reže se na tanke kriške pomoću oštrice dijamantski optočene ili čeličnom žicom. Rubovi križa silicija u ovoj fazi su obično zaobljeni. Trenutno su u blizini primarnog stana dodane i laserske oznake koje označavaju silicijum, otpornost, proizvođača itd. Obje površine nedovršene kriške su brušene i lapirane kako bi se sve kriške približile određenoj toleranciji debljine i ravnosti. Brušenjem rezanje rezultira grubom tolerancijom debljine i ravnosti, nakon čega procesom lapiranja uklanja se posljednji komad neželjenog materijala s površina rezanja, ostavljajući glatku, ravnu, nepoliranu površinu. Lappingom se obično postižu tolerancije manje od 2,5 µm ujednačenosti u ravnini površine oblatne.

Završna faza u proizvodnji silikonskih pločica uključuje kemijskibakropisukloniti sve površinske slojeve koji su mogli nakupiti oštećenja i onečišćenja kristala tijekom piljenja, brušenja i lapiranja; nakon čega slijedihemijsko mehaničko poliranje(CMP) za stvaranje visoko reflektirajuće površine bez ogrebotina i oštećenja na jednoj strani pločice. Hemijsko nagrizanje se vrši upotrebom otopine za nagrizanje fluorovodonične kiseline (HF) pomiješane s azotnom i octenom kiselinama koje mogu otopiti silicij. U CMP-u se silikonske kriške montiraju na nosač i stavljaju u CMP mašinu gde se podvrgavaju kombinovanom hemijskom i mehaničkom poliranju. Uobičajeno, CMP koristi tvrdu poliuretansku podlogu za poliranje u kombinaciji s suspenzijom fino raspršenih čestica glinice ili silicijevog dioksida u alkalnoj otopini. Gotov proizvod CMP postupka je silicijska pločica koju smo kao korisnici upoznali. Ima površinu s visokom refleksijom, bez ogrebotina i oštećenja na jednoj strani na kojoj se mogu izrađivati poluvodički uređaji.

Proizvodnja složenih poluprovodničkih pločica

Složeni poluprovodnici su važni materijali u mnogim vojnim i drugim specijalnim elektroničkim uređajima kao što su laseri, visokofrekventni elektronički uređaji, LED diode, optički prijemnici, opto-elektronski integrirani krugovi itd. GaN se često koristi u mnogim različitim komercijalnim LED aplikacijama od 1990-ih .

Tabela 1 daje listu elementarnih i binarnih (dvoelementarnih) složenih poluprovodnika, zajedno sa prirodom njihovog opsega i njegovom veličinom. Pored binarnih složenih poluprovodnika, trokraki (tromehanički) složeni poluvodiči takođe su poznati i koriste se u proizvodnji uređaja. Ternarni složeni poluprovodnici uključuju materijale kao što su aluminijum galijum arsenid, AlGaAs, indijum galijum arsenid, InGaAs i indijum aluminijum arsenid, InAlAs. Kvarterni (četveroelektrovani) složeni poluprovodnici su takođe poznati i koriste se u modernoj mikroelektronici.

Jedinstvena sposobnost zračenja svjetlosti složenih poluprovodnika je posljedica činjenice da su oni poluprovodnici sa direktnim opsegom. Tabela 1 označava koji poluvodiči posjeduju ovo svojstvo. Talasna dužina svjetlosti koju emitiraju uređaji izgrađeni od poluprovodnika sa direktnim zapornim pojasom ovisi o energiji zapornog pojasa. Vješto inženjerirajući strukturu zapornog pojasa od kompozitnih uređaja izgrađenih od različitih složenih poluprovodnika s direktnim razmacima od pojasa, inženjeri su uspjeli proizvesti uređaje koji emitiraju svjetlost u čvrstom stanju, a kreću se od lasera koji se koriste u optičkim komunikacijama do visoko efikasnih LED žarulja. Detaljna rasprava o implikacijama direktnih i indirektnih zazora u poluprovodničkim materijalima izvan je opsega ovog rada.

Jednostavni binarni složeni poluvodiči mogu se pripremiti u rasutom stanju, a monokristalne oblatne proizvode se postupcima sličnim onima koji se koriste u proizvodnji silicijevih oblatni. GaAs, InP i drugi složeni poluprovodnički ingoti mogu se uzgajati metodom Czochralski ili Bridgman-Stockbarger sa oblatnama pripremljenim na način sličan proizvodnji silicijevih oblatni. Kondicioniranje površine složenih poluprovodničkih pločica (tj. Čineći ih reflektirajućima i ravnima) komplicirano je činjenicom da su prisutna najmanje dva elementa i ti elementi mogu reagirati s nagrizačima i abrazivima na različite načine.

Sistem materijala	Ime	Formula	Energetski razmak (eV)	Vrsta opsega (I=indirektno; D=direktno)
IV	dijamant	C	5.47	I
	Silicij	Si	1.124	I
	Germanij	Ge	0.66	I
	Sivi lim	Sn	0.08	D
IV-IV	Silikon karbid	SiC	2.996	I
IV-IV	Silikon-germanijum	SixGe1-x	Var.	I
IIV-V	Olovni sulfid	PbS	0.41	D
	Oloveni selenid	PbSe	0.27	D
	Olovo Telluride	PbTe	0.31	D
III-V	Aluminijev nitrid	AlN	6.2	I
	Aluminijum fosfid	AlP	2.43	I
	Aluminijum arsenid	AlAs	2.17	I
	Aluminijum antimonid	AlSb	1.58	I
	Galijum nitrid	GaN	3.36	D
	Galij fosfid	GaP	2.26	I
	Galijum arsenid	GaAs	1.42	D
	Galij antimonid	GaSb	0.72	D
	Indijum-nitrid	InN	0.7	D
	Indijum fosfid	InP	1.35	D
	Indium Arsenide	InAs	0.36	D
	Indium antimonid	InSb	0.17	D
II-VI	Cink sulfid	ZnS	3.68	D
	Cink selenid	ZnSe	2.71	D
	Cink telurid	ZnTe	2.26	D
	Kadmijum sulfid	CdS	2.42	D
	Kadmijum selenid	CdSe	1.70	D
	Kadmijum telurid	CdTe	1.56	D

Tabela 1. Elementarni poluvodiči i binarni složeni poluvodiči.