Silīcija vafeļu ražošana

Avots: mksinst.com

Elektroniska polikristāliska silīcija (polisilīcija) attīrīšana

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

1. attēls. MG-Si ražošanā izmantotas iegremdētas elektrodu loka krāsns shēma.

Silikonis ir otrais bagātākais elements zemes garozā (pirmais ir skābeklis). Tas dabiski sastopams silikāta (Si-O saturošos) iežos un smiltīs. Pusvadītāju ierīču ražošanā izmantotais elementārais silīcijs tiek ražots no augstas tīrības pakāpes kvarca un kvarcīta smiltīm, kurās ir salīdzinoši maz piemaisījumu. Elektroniskais silīcijs, nosaukums, ko izmanto pusvadītāju ierīču ražošanā izmantojamā silīcija ražošanai, ir procesu ķēdes produkts, kas sākas ar kvarca vai kvarcīta smilšu pārveidošanu par “metalurģijas pakāpes silīciju” (MG-Si) elektriskā veidā. loka krāsns (1. attēls) saskaņā ar ķīmisko reakciju:

SiO2+ C → Si + CO2

Šādi sagatavotu silīciju sauc par “metalurģijas kategoriju”, jo lielāko daļu pasaules produkcijas faktiski izmanto tērauda ražošanā. Tas ir aptuveni 98% tīrs. MG-Si nav pietiekami tīrs, lai to varētu tieši izmantot elektronikas ražošanā. Neliela daļa (5% - 10%) no MG-Si produkcijas visā pasaulē tiek tālāk attīrīta izmantošanai elektronikas ražošanā. MG-Si attīrīšana līdz pusvadītāju (elektronisko) silīciju ir daudzpakāpju process, kas shematiski parādīts 2. attēlā. Šajā procesā MG-Si vispirms sasmalcina lodīšu dzirnavās, lai iegūtu ļoti smalku (75%< ; 40 µM) daļiņas, kuras pēc tam tiek ievadītas plūstošās gultas reaktorā (FBR). Tur MG-Si reaģē ar bezūdens sālsskābes gāzi (HCl) 575 K (aptuveni 300 ° C) temperatūrā atbilstoši reakcijai:

Si + 3HCl → SiHCl3+ H2

Hidrohlorēšanas reakcija FBR rada gāzveida produktu, kas satur aptuveni 90% trihlorosilāna (SiHCl3). Atlikušie 10% no šajā posmā saražotās gāzes galvenokārt ir tetrahlorosilāns, SiCl4, ar nedaudz dihlorosilāna, SiH2Cl2. Šim gāzes maisījumam veic virkni frakcionētu destilāciju, kas attīra trihlorosilānu un savāc un atkārtoti izmanto tetrahlorosilāna un dihlorosilāna blakusproduktus. Šis attīrīšanas process rada ārkārtīgi tīru trihlorosilānu ar galvenajiem piemaisījumiem zemās daļās uz miljardu. Attīrīts, ciets polikristāliskais silīcijs tiek iegūts no augstas tīrības pakāpes trihlorosilāna, izmantojot metodi, kas pazīstama kā “Siemens process”. Šajā procesā trihlorosilānu atšķaida ar ūdeņradi un ievada ķīmiskā tvaiku nogulsnēšanās reaktorā. Tur reakcijas apstākļi tiek noregulēti tā, lai polikristāliskais silīcijs nogulsnētos uz elektriski sildāmām silīcija stieņiem saskaņā ar trihlorosilāna veidošanās reakcijas reverso daļu:

SiHCl3+ H2→ Si + 3HC

Nogulsnēšanās reakcijas blakusprodukti (H2, HCl, SiHCl3, SiCl4un SiH2Cl2) tiek uztverti un pārstrādāti, izmantojot trihlorosilāna ražošanas un attīrīšanas procesu, kā parādīts 2. attēlā. Ar pusvadītāju klases silīciju saistīto ražošanas, attīrīšanas un silīcija nogulsnēšanas procesu ķīmija ir sarežģītāka nekā šis vienkāršais apraksts. Ir arī vairākas alternatīvas ķīmijas, kuras var izmantot un izmanto polisilīcija ražošanai.

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

2. attēls. Procesa plūsmas diagramma pusvadītāju klases (elektroniskās kvalitātes) silīcija ražošanai.

Viena kristāla silīcija vafeļu izgatavošana

Silīcija plāksnītes, kas mums tik pazīstamas pusvadītāju nozarē, patiesībā ir plānas liela silīcija viena kristāla plānas šķēles, kas tika audzētas no kausēta elektroniskā polikristāliskā silīcija. Šo monokristālu audzēšanas procesā izmantotais process ir pazīstams kā Czochralski process pēc tā izgudrotāja Jan Czochralski. 3. attēlā parādīta Czochralski procesa galvenā secība un komponenti.

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

3. attēls. Czochralski procesa shēma (b) Procesa aprīkojums (reproducēts ar atļauju, PVA TePla AG 2017).

Čohralska procesu veic evakuējamā kamerā, ko parasti dēvē par “kristāla pulleri”, kurā ir liels tīģelis, parasti kvarcs, un elektrisks sildelements (3. attēls (a)). Pusvadītāju pakāpes polisilīcija tiek ievietota (uzlādēta) tīģelī kopā ar precīzu daudzumu tādu piedevu kā fosfors vai bors, kas var būt vajadzīgs, lai produkta vafelēm piešķirtu noteiktas P vai N īpašības. Evakuācija no kameras noņem visu gaisu, lai augšanas procesā izvairītos no uzkarsētā silīcija oksidēšanās. Uzlādēto tīģeli elektriski silda līdz temperatūrai, kas ir pietiekama polisilīcija izkausēšanai (lielāka par 1421 ° C). Kad silīcija lādiņš ir pilnībā izkusis, neliels sēklas kristāls, kas piestiprināts uz stieņa, tiek nolaists izkausētajā silīcijā. Sēklu kristāla diametrs parasti ir aptuveni 5 mm un garums līdz 300 mm. Tas darbojas kā “starteris” lielāka silīcija kristāla augšanai no kausējuma. Sēklas kristāls ir piestiprināts pie stieņa ar zināmu kristāla šķautni, kas vertikāli orientēta kausējumā (kristāla šķautnes nosaka “Millera indeksi”). Sēklu kristālu gadījumā šķautnes ar Millera indeksu< 100>="">< 110=""> vai< 111=""> parasti izvēlas. Kristāla izaugums no kausējuma atbilst šai sākotnējai orientācijai, dodot gala lielajam monokristālam zināmu kristāla orientāciju. Pēc iegremdēšanas kausējumā sēklas kristāls lēnām (dažus cm / stundā) tiek izvilkts no kausējuma, pieaugot lielākajam kristālam. Vilkšanas ātrums nosaka lielā kristāla galīgo diametru. Gan kristālu, gan tīģeli kristāla vilkšanas laikā pagriež, lai uzlabotu kristāla viendabīgumu un piedevu sadalījumu. Galīgais lielais kristāls ir cilindriskas formas; to sauc par “boule”. Czochralski izaugsme ir visekonomiskākā metode silīcija kristāla apvalku ražošanai, kas piemērota silīcija vafeles ražošanai vispārējai pusvadītāju ierīču ražošanai (pazīstama kā CZ vafeles). Ar šo metodi var izveidot pietiekami lielas granulas, lai ražotu silīcija plāksnes, kuru diametrs ir līdz 450 mm. Tomēr metodei ir noteikti ierobežojumi. Tā kā bulli audzē kvarcā (SiO2) tīģelis, silīcijā vienmēr ir zināms skābekļa piesārņojums (parasti 1018 atomi cm-3 vai 20 ppm). Lai izvairītos no šī piesārņojuma, ir izmantoti grafīta tīģeļi, tomēr tie silīcijā rada oglekļa piemaisījumus, kaut arī koncentrācijā tie ir zemāki par pakāpēm. Gan skābekļa, gan oglekļa piemaisījumi mazina nesēja difūzijas garumu galīgajā silīcija plāksnē. Dopanta viendabīgums aksiālajā un radiālajā virzienā ir ierobežots arī Czochralski silīcijā, tāpēc ir grūti iegūt vafeles, kuru pretestība ir lielāka par 100 omi-cm.

Augstākas tīrības pakāpes silīciju var iegūt, izmantojot metodi, kas pazīstama kā pludinātās zonas (FZ) rafinēšana. Ar šo metodi augšanas kamerā vertikāli tiek uzstādīts polikristālisks silīcija lietnis vakuumā vai inertā atmosfērā. Lietnis nesaskaras ar kādu no kameras komponentiem, izņemot apkārtējo gāzi un zināmas orientācijas sēklas kristālu tā pamatnē (4. attēls). Lietni silda, izmantojot bezkontakta radiofrekvenču (RF) spoles, kas lietnī izveido izkausēta materiāla zonu, parasti apmēram 2 cm biezu. FZ procesā stienis pārvietojas vertikāli uz leju, ļaujot izkusušajai zonai virzīties uz augšu lietņa garumā, izstumjot piemaisījumus pirms kausējuma un atstājot aiz sevis ļoti attīrītu monokristālu silīciju. FZ silīcija vafeļu pretestība ir tik liela kā 10 000 om-cm.

4. attēls. Peldošās zonas kristālu augšanas konfigurācija.

Kad silīcija tvertne ir izveidota, to sagriež vadāmos garumos un katru garumu sasmalcina līdz vajadzīgajam diametram. Šajā posmā kanālā tiek iezemēti arī orientācijas plakanie elementi, kas norāda silīcija piedevu un orientāciju vafelēm, kuru diametrs ir mazāks par 200 mm. Plātnēm, kuru diametrs ir mazāks par 200 mm, primārā (lielākā) plakana ir vērsta perpendikulāri noteiktai kristāla asij, piemēram,< 111=""> vai< 100=""> (skat. 5. attēlu). Sekundārie (mazākie) dzīvokļi norāda, vai vafeles ir vai nu p, vai n veida. 200 mm (8 collas) un 300 mm (12 collas) vafelēs tiek izmantota viena iecirtums, kas orientēts uz norādīto kristāla asi, lai norādītu vafeļu orientāciju bez dopinga veida indikatora. 3. attēlā parādīta saikne starp vafeļu tipu un dzīvokļu izvietojumu uz vafeļu malas.

Wafer flat designators for different wafer orientation and doping

5. attēls. Plātņu vafeļu apzīmējumi atšķirīgai vafeļu orientācijai un dopingam.

Pēc tam, kad kūlis ir sasmalcināts līdz vajadzīgajam diametram un ir izveidoti dzīvokļi, to sagriež plānās šķēlēs, izmantojot vai nu ar dimantu inkrustētu asmeni, vai tērauda stiepli. Šajā posmā silīcija šķēlīšu malas parasti ir noapaļotas. Šobrīd pie primārā dzīvokļa tiek pievienoti arī lāzera marķējumi, kas norāda silīcija veidu, pretestību, ražotāju utt. Abas nepabeigtās šķēles virsmas tiek sasmalcinātas un pārklātas, lai visas šķēles nonāktu noteiktā biezumā un līdzenuma pielaidē. Slīpēšana sagriež šķēli aptuvenā biezuma un līdzenuma pielaidē, pēc kuras slaukšanas process no šķēles virsmām noņem pēdējo nevēlamo materiālu, atstājot gludu, līdzenu, nepulētu virsmu. Pārklājot, parasti tiek panākta pielaide, kas mazāka par 2,5 µm plātņu virsmas līdzenumu.

Silīcija vafeļu ražošanas pēdējais posms ir saistīts ar ķīmijukodināšanaprom visus virsmas slāņus, kas zāģēšanas, slīpēšanas un plakstīšanās laikā varētu būt uzkrājuši kristālu bojājumus un piesārņojumu; sekojaķīmiskā mehāniskā pulēšana(CMP), lai vienā atstarpes pusē izveidotu ļoti atstarojošu, nesaskrāpētu un bojātu virsmu. Ķīmisko kodināšanu veic, izmantojot fluorūdeņražskābes (HF) kodināšanas šķīdumu, kas sajaukts ar slāpekļskābi un etiķskābi, kas var izšķīdināt silīciju. CMP silīcija šķēles tiek piestiprinātas uz nesēja un ievietotas CMP mašīnā, kur tām tiek veikta kombinēta ķīmiskā un mehāniskā pulēšana. Parasti CMP izmanto cietu poliuretāna pulēšanas spilventiņu, kas apvienots ar smalki disperģētu alumīnija oksīda vai silīcija dioksīda abrazīvu daļiņu vircu sārmainā šķīdumā. CMP procesa galaprodukts ir silīcija plāksne, kas mums kā lietotājiem ir pazīstama. Vienā pusē tam ir ļoti atstarojoša, skrāpējumiem un bojājumiem brīva virsma, uz kuras var izgatavot pusvadītāju ierīces.

Salikto pusvadītāju vafeļu ražošana

Saliktie pusvadītāji ir svarīgi materiāli daudzās militārajās un citās speciālajās elektronikas ierīcēs, piemēram, lāzeros, augstfrekvences elektroniskās ierīcēs, gaismas diodēs, optiskajos uztvērējos, optoelektroniskās integrālajās shēmās utt. GaN kopš 1990. gadiem parasti izmanto daudzās dažādās LED gaismas lietojumprogrammās. .

1. tabulā sniegts elementāro un bināro (divu elementu) salikto pusvadītāju saraksts, kā arī to joslu atstarpes raksturs un lielums. Papildus bināro savienojumu pusvadītājiem ir zināmi arī trīsdaļīgi (trīselementu) salikti pusvadītāji, kurus izmanto ierīču ražošanā. Trīskāršie pusvadītāji ietver tādus materiālus kā alumīnija gallija arsenīds, AlGaAs, indija gallija arsenīds, InGaAs un indija alumīnija arsenīds, InAlAs. Ceturtdaļīgie (četru elementu) saliktie pusvadītāji ir zināmi un izmantoti arī mūsdienu mikroelektronikā.

Savienoto pusvadītāju unikālā gaismas izstarošanas spēja ir saistīta ar to, ka tie ir tiešie joslu spraugas pusvadītāji. 1. tabula norāda, kuriem pusvadītājiem piemīt šī īpašība. Gaismas viļņa garums, ko izstaro ierīces, kas uzbūvētas no tiešiem joslu spraugas pusvadītājiem, ir atkarīgs no joslas spraugas enerģijas. Prasmīgi konstruējot kompozītmateriālu joslu spraugu struktūru, kas uzbūvēta no dažādiem saliktiem pusvadītājiem ar tiešiem joslu atstarpēm, inženieri ir spējuši ražot cietvielu gaismu izstarojošas ierīces, sākot no optisko šķiedru sakaros izmantotajiem lāzeriem līdz augstas efektivitātes LED spuldzēm. Detalizēta diskusija par pusvadītāju materiālu tiešo un netiešo joslu atstarpju sekām ir ārpus šī darba jomas.

Vienkāršus, binārus saliktus pusvadītājus var pagatavot bez taras, un monokristālu plāksnītes ražo ar procesiem, kas līdzīgi tiem, kurus izmanto silīcija vafeļu ražošanā. GaAs, InP un citus saliktos pusvadītāju lietņus var audzēt, izmantojot vai nu Czochralski, vai Bridgman-Stockbarger metodi, ar plāksnēm, kas sagatavotas līdzīgi kā silīcija vafeļu ražošanā. Salikto pusvadītāju plātņu virsmas kondicionēšanu (ti, padarot tās atstarojošas un plakanas) sarežģī fakts, ka tajā ir vismaz divi elementi un šie elementi var reaģēt ar kodinātājiem un abrazīviem materiāliem dažādās modēs.

Materiālā sistēma	Nosaukums	Formula	Enerģijas trūkums (eV)	Joslas tips (I=netiešs; D=tiešs)
IV	Dimants	C	5.47	I
	Silīcijs	Si	1.124	I
	Germanium	Ģe	0.66	I
	Pelēkā alva	Sn	0.08	D
IV-IV	Silīcija karbīds	SiC	2.996	I
IV-IV	Silīcija-ģermānija	SixĢe1-x	Var.	I
IIV-V	Svina sulfīds	PbS	0.41	D
	Svins Selenīds	PbSe	0.27	D
	Svins Tellurīds	PbTe	0.31	D
III-V	Alumīnija nitrīds	AlN	6.2	I
	Alumīnija fosfīds	ALP	2.43	I
	Alumīnija arsenīds	AlAs	2.17	I
	Alumīnija antimonīds	AlSb	1.58	I
	Gallija nitrīds	GaN	3.36	D
	Gallija fosfīds	Plaisa	2.26	I
	Gallija arsenīds	GaAs	1.42	D
	Gallium Antimonide	GaSb	0.72	D
	Indija nitrīds	Krogs	0.7	D
	Indija fosfīds	InP	1.35	D
	Indija arsenīds	InAs	0.36	D
	Indija antimonīds	InSb	0.17	D
II-VI	Cinka sulfīds	ZnS	3.68	D
	Cinka selenīds	ZnSe	2.71	D
	Cinks Tellurīds	ZnTe	2.26	D
	Kadmija sulfīds	CdS	2.42	D
	Kadmija selenīds	CdSe	1.70	D
	Kadmija telurīds	CdTe	1.56	D

1. tabula. Elementārie pusvadītāji un bināro savienojumu pusvadītāji.

Elektroniska polikristāliska silīcija (polisilīcija) attīrīšana

Viena kristāla silīcija vafeļu izgatavošana

Salikto pusvadītāju vafeļu ražošana

Ar to saistīto nozaru

Nosūtīt pieprasījumu