Proizvodnja silicijevih pločica - Znanje

Izvor: mksinst.com

Elektronsko pročišćavanje polikristalnog silicija (polisilicija)

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

Slika 1. Shema podvodne elektrode lučne 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 silicij koji se koristi u proizvodnji poluvodičkih uređaja proizvodi se od kvarcnog i kvarcitnog pijeska visoke čistoće koji sadrže relativno malo nečistoća. Elektronički silicij, naziv koji se koristi za stupanj silicija koji se koristi u proizvodnji poluvodičkih uređaja, proizvod je lanca procesa koji započinju pretvaranjem kvarca ili kvarcitnog pijeska u "metalurški silicij" (MG-Si), u električnom lučna peć (slika 1) prema kemijskoj reakciji:

SiO2+ C → Si + CO2

Tako pripremljeni silicij naziva se "metalurški razred", jer većina svjetske proizvodnje zapravo ide u proizvodnju čelika. Čist je oko 98%. MG-Si nije dovoljno čist za izravnu 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 (elektronički) silicij postupak je u više koraka, shematski prikazan na slici 2. U ovom se postupku MG-Si prvo melje u kugličnom mlinu da bi se dobilo vrlo fino (75%< ; 40 uM) čestice koje se zatim dovode u reaktor s fluidiziranim slojem (FBR). Tamo MG-Si reagira s bezvodnim plinom klorovodične kiseline (HCl), na 575 K (približno 300 ° C), u skladu s reakcijom:

Si + 3HCl → SiHCl3+ H2

Reakcijom hidrokloriranja u FBR nastaje plinoviti proizvod koji je oko 90% triklorosilan (SiHCl3). Preostalih 10% plina proizvedenog u ovom koraku uglavnom je tetraklorosilan, SiCl4, s nešto diklorosilana, SiH2Kl2. Ova mješavina plina provodi se kroz niz frakcijskih destilacija koje pročišćavaju triklorosilan te prikupljaju i ponovno koriste nusproizvode tetraklorosilana i diklorosilana. Ovim postupkom pročišćavanja stvara se izuzetno čisti triklorosilan s glavnim nečistoćama u rasponu niskih dijelova na milijardu. Pročišćeni, čvrsti polikristalni silicij dobiva se od triklorosilana visoke čistoće metodom poznatom kao "Siemensov postupak". U tom se procesu triklorosilan razrijedi vodikom 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 reverzu reakcije formiranja triklorosilana:

SiHCl3+ H2→ Si + 3HC

Nusproizvodi iz reakcije taloženja (H2, HCl, SiHCl3, SiCl4i SiH2Kl2) se hvataju i recikliraju kroz postupak proizvodnje i pročišćavanja triklorosilana kako je prikazano na slici 2. Kemija procesa proizvodnje, pročišćavanja i taloženja silicija povezanih sa silicijom poluvodičkih slojeva složenija je od ovog jednostavnog opisa. Postoji također niz alternativnih kemikalija 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 poluvodičkog silicija (elektroničkog stupnja).

Izrada monokristalne silicijske pločice

Silicijske pločice toliko poznate nama u industriji poluvodiča zapravo su tanke kriške velikog monokristala silicija koji je uzgojen iz rastopljenog polikristalnog silicija elektroničkog stupnja. 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 postupak Czochralskog.

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

Slika 3. Shema procesa Czochralski (b) Procesna oprema (reproducirano uz dopuštenje, PVA TePla AG 2017).

Postupak Czochralskog izvodi se u komori za evakuaciju, koja se obično naziva "izvlakačem kristala" koji sadrži veliki lončić, obično kvarc, i električni grijaći element (slika 3 (a)). Polusilikonski polisilicij se napuni (napuni) u lončić zajedno s preciznim količinama bilo kakvih dodavača poput fosfora ili bora koji bi mogli biti potrebni da oblatne proizvoda dobiju određene P ili N karakteristike. Evakuacijom se iz komore uklanja sav zrak kako bi se izbjegla oksidacija zagrijanog silicija tijekom procesa rasta. Napunjeni lončić se električno zagrijava na temperaturu dovoljnu za topljenje polisilicija (veća od 1421 ° C). Nakon što se silicijski naboj potpuno otopi, mali kristal sjemena, postavljen na šipku, spušta se u rastaljeni silicij. Sjemenski kristal je obično promjera oko 5 mm i dug 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 sjemenskih kristala, fasete koje imaju Millerove indekse< 100>="">< 110=""> ili< 111=""> obično se biraju. 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 tijekom izvlačenja kristala kako bi se poboljšala homogenost kristala i raspodjele dodataka. Posljednji veliki kristal je cilindričnog oblika; naziva se "balun". Rast Czochralskog najekonomičnija je metoda za proizvodnju silikonskih kristalnih kuglica pogodnih za proizvodnju silicijskih pločica za opću proizvodnju poluvodičkih 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 siliciju je uvijek prisutna određena kontaminacija kisikom (obično 1018 atoma cm-3 ili 20 ppm). Za izbjegavanje ove kontaminacije korišteni su grafitni lončići, međutim oni stvaraju ugljikove nečistoće u siliciju, iako u redu veličine niže koncentracije. I nečistoće kisika i ugljika smanjuju duljinu difuzije nosača manjina u konačnoj silicijskoj pločici. Homogenost dodavanja u aksijalnom i radijalnom smjeru također je ograničena u silicijumu Czochralski, što otežava dobivanje pločica otpornosti veće od 100 ohm-cm.

Silicij veće čistoće može se proizvesti metodom poznatom kao prečišćavanje Float Zone (FZ). U ovoj se metodi polikristalni silicijev ingot postavlja vertikalno u komoru za rast, bilo u vakuumu ili inertnoj atmosferi. Šalica nije u dodiru ni s jednim dijelom komore, osim s ambijentalnim plinom i sjemenskim kristalom poznate orijentacije u osnovi (slika 4). Šalica 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, dopuštajući da se rastaljena zona pomiče prema duljini kalupa, gurajući nečistoće ispred taline i ostavljajući za sobom visoko pročišćeni monokristalni silicij. FZ silicijske pločice imaju otpornost do 10 000 ohm-cm.

Slika 4. Konfiguracija rasta kristala plutajuće zone.

Jednom kad se stvori silicijski bal, on se reže na upravljive duljine i svaka duljina brusi na željeni promjer. Orijentacijski baloni koji označavaju doping silicija i orijentaciju za oblatne promjera manjeg od 200 mm također se u tu fazu melju u bocu. Za oblatne promjera manjeg od 200 mm, primarni (najveći) ravan orijentiran je okomito na određenu kristalnu os poput< 111=""> ili< 100=""> (vidi sliku 5). Sekundarni (manji) stanovi pokazuju je li oblatna p-tipa ili n-tipa. Oblatne od 200 mm (8 inča) i 300 mm (12 inča) koriste jedan urez orijentiran na navedenu kristalnu os kako bi označili orijentaciju oblatne bez indikatora za vrstu dopinga. Slika 3 prikazuje vezu između vrste 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 se boca samelje na željeni promjer i stvore stanovi, izreže se na tanke kriške pomoću oštrice dijamantom optočene ili čeličnom žicom. Rubovi križa silicija u ovoj su fazi obično zaobljeni. Trenutno su u blizini primarnog stana dodane i laserske oznake koje označavaju silicij, otpornost, proizvođača itd. Obje površine nedovršene kriške bruse se i preklapaju kako bi se sve kriške približile određenoj toleranciji debljine i ravnosti. Mljevenjem reznik postiže grubu toleranciju debljine i ravnosti, nakon čega procesom lapiranja uklanja se posljednji dio neželjenog materijala s površina rezanja, ostavljajući glatku, ravnu, nepoliranu površinu. Lappingom se obično postižu tolerancije manje od 2,5 µm ujednačenosti u ravnosti površine oblatne.

Posljednja faza u proizvodnji silicijevih oblatni uključuje kemijskibakropisukloniti sve površinske slojeve koji su mogli nakupiti oštećenja i onečišćenja kristala tijekom piljenja, brušenja i lapiranja; nakon čega slijedikemijsko mehaničko poliranje(CMP) za stvaranje visoko reflektirajuće površine bez ogrebotina i oštećenja na jednoj strani oblatne. Kemijsko se nagrizanje vrši otapanjem otopine fluorovodične kiseline (HF) pomiješane s dušičnom i octenom kiselinom koje mogu otopiti silicij. U CMP-u se silicijske kriške montiraju na nosač i stavljaju u CMP stroj gdje se podvrgavaju kombiniranom kemijskom i mehaničkom poliranju. Uobičajeno, CMP koristi tvrdu poliuretansku podlogu za poliranje u kombinaciji s suspenzijom fino raspršenih abrazivnih čestica glinice ili silicijevog dioksida u alkalnoj otopini. Gotov proizvod CMP postupka je silicijska oblatna koja nam je kao korisnicima poznata. Ima površinu s visokom refleksijom, bez ogrebotina i oštećenja na jednoj strani na kojoj se mogu izrađivati poluvodički uređaji.

Proizvodnja složenih poluvodičkih pločica

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

Tablica 1. sadrži popis elementarnih i binarnih (dvoelementnih) složenih poluvodiča, zajedno s prirodom njihove širine pojasa i veličinom. Pored binarnih složenih poluvodiča, trokutasti (tromehanički) složeni poluvodiči također su poznati i koriste se u proizvodnji uređaja. Ternarni složeni poluvodiči uključuju materijale poput aluminij galij arsenida, AlGaAs, indij galij arsenid, InGaAs i indij aluminij arsenid, InAlAs. Kvartarni (četiri elementa) složeni poluvodiči također su poznati i koriste se u modernoj mikroelektronici.

Jedinstvena sposobnost emitiranja svjetlosti složenih poluvodiča posljedica je činjenice da su oni poluvodiči s direktnim zaporama. Tablica 1. označava koji poluvodiči posjeduju ovo svojstvo. Valna duljina svjetlosti koju emitiraju uređaji izgrađeni od poluvodiča s izravnim zapornim pojasom ovisi o energiji zapornog pojasa. Vješto projektirajući strukturu zapornog pojasa od kompozitnih uređaja izgrađenih od različitih složenih poluvodiča s izravnim 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 učinkovitih LED žarulja. Detaljna rasprava o implikacijama izravnog nasuprot neizravnog pojasa u poluprovodničkim materijalima izvan je dosega 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 silicijskih oblatni. GaAs, InP i drugi složeni poluvodički ingoti mogu se uzgajati primjenom metode Czochralski ili Bridgman-Stockbarger s oblatnama pripremljenim na način sličan proizvodnji silicijskih oblatni. Kondicioniranje površine složenih poluvodičkih napolitanki (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.

Sustav materijala	Ime	Formula	Energetski razmak (eV)	Vrsta opsega (I=neizravno; D=izravno)
IV	Dijamant	C	5.47	I
	Silicij	Si	1.124	I
	Germanij	Ge	0.66	I
	Sivi lim	S n	0.08	D
IV-IV	Silicijev karbid	SiC	2.996	I
IV-IV	Silicij-Germanij	SixGe1-x	Var.	I
IIV-V	Olovni sulfid	PbS	0.41	D
	Olovni selenid	PbSe	0.27	D
	Olovo Telluride	PbTe	0.31	D
III-V	Aluminijev nitrid	AlN	6.2	I
	Aluminijev fosfid	AlP	2.43	I
	Aluminij arsenid	AlAs	2.17	I
	Aluminijski antimonid	AlSb	1.58	I
	Galij-nitrid	GaN	3.36	D
	Galij fosfid	GaP	2.26	I
	Galijev arsenid	GaAs	1.42	D
	Galij antimonid	GaSb	0.72	D
	Indij-nitrid	Gostionica	0.7	D
	Indij fosfid	InP	1.35	D
	Indium Arsenide	InAs	0.36	D
	Indij antimonid	InSb	0.17	D
II-VI	Cinkov sulfid	ZnS	3.68	D
	Cink selenid	ZnSe	2.71	D
	Cink telurid	ZnTe	2.26	D
	Kadmij sulfid	CdS	2.42	D
	Kadmij selenid	CdSe	1.70	D
	Kadmij telurid	CdTe	1.56	D

stol 1. Elementarni poluvodiči i binarni složeni poluvodiči.

Proizvodnja silicijskih pločica

Elektronsko pročišćavanje polikristalnog silicija (polisilicija)

Izrada monokristalne silicijske pločice

Proizvodnja složenih poluvodičkih pločica

Prateće industrije

Pošaljite upit