Proizvodnja silicijevih rezin

Vir: mksinst.com

Elektronsko čiščenje polikristalnega silicija (polisilicija)

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

Slika 1. Shema potopne elektrode obločne peči, ki se uporablja pri proizvodnji MG-Si.

Silicij je drugi najpogostejši element v zemeljski skorji (kisik je prvi). Pojavlja se naravno v silikatnih (Si-O) vsebujočih kamninah in pesku. Elementarni silicij, ki se uporablja pri izdelavi polprevodniških naprav, je izdelan iz kremenovega in kvarcitnega peska visoke čistosti, ki vsebuje razmeroma malo nečistoč. Elektronski silicij, ime, ki se uporablja za kakovost silicija, uporabljenega v proizvodnji polprevodniških naprav, je produkt verige procesov, ki se začnejo s pretvorbo kremena ali kvarcitnega peska v "metalurški silicij" (MG-Si) v električni obločna peč (slika 1) glede na kemijsko reakcijo:

SiO2+ C → Si + CO2

Tako pripravljen silicij se imenuje "metalurški razred", saj večina svetovne proizvodnje dejansko gre v jeklarstvo. Čist je približno 98%. MG-Si ni dovolj čist za neposredno uporabo v proizvodnji elektronike. Majhen del (5% - 10%) svetovne proizvodnje MG-Si se dodatno očisti za uporabo v proizvodnji elektronike. Čiščenje MG-Si v polprevodniški (elektronski) razred silicija je večstopenjski postopek, shematično prikazan na sliki 2. V tem postopku MG-Si najprej zmeljemo v krogličnem mlinu, da dobimo zelo fino (75%< ; 40 µM) delcev, ki se nato dovajajo v reaktor s fluidiziranim slojem (FBR). Tam MG-Si reagira z brezvodnim plinom klorovodikove kisline (HCl) pri 575 K (približno 300 ° C) v skladu z reakcijo:

Si + 3HCl → SiHCl3+ H2

Reakcija hidrokloriranja v FBR tvori plinasti produkt, ki je približno 90% triklorosilan (SiHCl3). Preostalih 10% plina, proizvedenega v tej stopnji, je večinoma tetraklorosilan, SiCl4z nekaj diklorosilana, SiH2Kl2. Ta plinska mešanica se da skozi vrsto frakcijskih destilacij, ki prečiščejo triklorosilan ter zberejo in ponovno uporabijo stranske proizvode tetraklorosilana in diklorosilana. Ta postopek čiščenja proizvaja izredno čist triklorosilan z glavnimi nečistočami v območju z nizkimi deleži na milijardo. Prečiščeni, trdni polikristalni silicij je izdelan iz triklorosilana visoke čistosti po metodi, znani kot "Siemensov postopek". V tem postopku triklorosilan razredčimo z vodikom in dovajamo v reaktor za kemijsko nanašanje hlapov. Tam se reakcijski pogoji prilagodijo tako, da se polikristalni silicij nanese na električno ogrevane silicijeve palice glede na reverzno reakcijo tvorbe triklorosilana:

SiHCl3+ H2→ Si + 3HC

Stranski produkti reakcije nanašanja (H2, HCl, SiHCl3, SiCl4in SiH2Kl2) se zajamejo in reciklirajo s postopkom proizvodnje in čiščenja triklorosilana, kot je prikazano na sliki 2. Kemija postopkov proizvodnje, čiščenja in nanašanja silicija, povezanih s polprevodniškim silicijem, je bolj zapletena kot ta preprost opis. Obstaja tudi več alternativnih kemikalij, ki se lahko uporabljajo in se uporabljajo za proizvodnjo polisilicija.

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

Slika 2. Diagram postopka za proizvodnjo polprevodniškega (elektronskega) silicija.

Izdelava monokristalnih silicijevih rezin

Silicijeve rezine, ki so nam tako znane v industriji polprevodnikov, so pravzaprav tanke rezine velikega monokristalnega silicija, ki je bil vzgojen iz stopljenega elektrokristalnega polikristalnega silicija. Postopek, ki se uporablja za gojenje teh monokristalov, je po izumitelju Janu Czochralskem znan kot postopek Czochralski. Slika 3 prikazuje osnovno zaporedje in komponente, ki sodelujejo v procesu Czochralskega.

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

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

Postopek Czochralskega poteka v evakuacijski komori, ki jo običajno imenujemo "kristalni vlekač", ki vsebuje velik lonček, običajno kremen, in električni grelni element (slika 3 (a)). Polisilicij polprevodniškega razreda se napolni (napolni) v lonček skupaj z natančnimi količinami kakršnih koli dodatkov, kot je fosfor ali bor, ki bodo morda potrebni, da dobijo rezine izdelka določene značilnosti P ali N. Z evakuacijo se iz komore odstrani ves zrak, da se prepreči oksidacija segretega silicija med rastnim procesom. Napolnjeni lonček se električno segreje na temperaturo, ki zadošča za taljenje polisilicija (nad 1421 ° C). Ko se silicijev naboj popolnoma stopi, se v staljeni silicij spusti majhen semenski kristal, nameščen na palici. Semenski kristal je običajno premera približno 5 mm in dolg do 300 mm. Deluje kot "zaganjalnik" za rast večjega silicijevega kristala iz taline. Semenski kristal je nameščen na palici z znano kristalno faseto, navpično usmerjeno v talino (kristalne fasete so opredeljene z "Millerjevimi indeksi"). V primeru semenskih kristalov so fasete z Millerjevimi indeksi< 100>="">< 110=""> ali< 111=""> so običajno izbrani. Rast kristala iz taline bo ustrezala tej začetni usmeritvi, kar bo končnemu velikemu monokristalu dalo znano kristalno usmeritev. Po potopitvi v talino semenski kristal počasi (nekaj cm / uro) izvlečemo iz taline, ko raste večji kristal. Vlečna hitrost določa končni premer velikega kristala. Tako kristal kot lonček se med vlečenjem kristala zasukata, da se izboljša homogenost kristala in porazdelitve dopata. Končni veliki kristal je valjaste oblike; imenuje se "bal". Rast Czochralskega je najbolj ekonomična metoda za proizvodnjo silicijevih kristalnih bal, primerna za proizvodnjo silicijevih rezin za splošno izdelavo polprevodniških naprav (znanih kot rezine CZ). Metoda lahko tvori balne, ki so dovolj veliki, da se dobijo silicijeve rezine s premerom do 450 mm. Vendar ima metoda določene omejitve. Ker se balin goji v kremenu (SiO2) v lončku, v siliciju je vedno prisotna kontaminacija s kisikom (običajno 1018 atomov cm-3 ali 20 ppm). Da bi se izognili tej kontaminaciji, so bili uporabljeni grafitni lončki, vendar v siliciju tvorijo ogljikove nečistoče, čeprav koncentracije nižje od velikosti. Tako kisikove kot ogljikove nečistoče znižujejo manjšo dolžino difuzije nosilca v končnem silicijevem rezinu. Homogenost dodatka v aksialni in radialni smeri je omejena tudi s silicijem Czochralski, zaradi česar je težko dobiti rezine z upori nad 100 ohm-cm.

Silicij višje čistosti lahko dobimo z metodo, znano kot prečiščevanje Float Zone (FZ). Pri tej metodi je polikristalni silicijev ingot nameščen navpično v rastno komoro, bodisi v vakuumu ali inertni atmosferi. Ingotek ni v stiku z nobeno komponento komore, razen s plinom iz okolice in semenskim kristalom znane orientacije na njegovi podlagi (slika 4). Ingot se segreva z brezkontaktnimi radiofrekvenčnimi (RF) tuljavami, ki vzpostavijo območje stopljenega materiala v ingotu, običajno debelo približno 2 cm. V postopku FZ se palica premika navpično navzdol, kar omogoča, da se staljeno območje premika po dolžini ingota, potiska nečistoče pred talino in za seboj pušča visoko prečiščen monokristalni silicij. FZ-silicijeve rezine imajo upor do 10.000 ohm-cm.

Slika 4. Konfiguracija rasti kristalov float cone.

Ko je silicijev bal ustvarjen, ga razrežemo na obvladljive dolžine in vsako dolžino zmletimo na želeni premer. Na tej stopnji se v bal zmeljejo tudi orientacijske plošče, ki označujejo doliranje silicija in usmerjenost rezin s premerom manj kot 200 mm. Za rezine s premerom manj kot 200 mm je primarna (največja) plošča usmerjena pravokotno na določeno kristalno os, kot je< 111=""> ali< 100=""> (glej sliko 5). Sekundarna (manjša) stanovanja označujejo, ali je rezina p-tipa ali n-tipa. Oblatne 200 mm (8 palcev) in 300 mm (12 palcev) uporabljajo enojni zarezo, usmerjeno na določeno kristalno os, ki označuje usmerjenost rezin brez indikatorja za vrsto dopinga. Slika 3 prikazuje razmerje med vrsto rezin in postavitvijo stanovanj na robu rezin.

Wafer flat designators for different wafer orientation and doping

Slika 5. Označevalniki plošč za različne rezine rezin in dopinga.

Ko je balin zmlet do želenega premera in so plošče ustvarjene, se ga razreže na tanke rezine z diamantno obloženim rezilom ali jekleno žico. Robovi silicijevih rezin so na tej stopnji običajno zaobljeni. Trenutno so v bližini primarne plošče trenutno dodane tudi laserske oznake, ki označujejo vrsto silicija, odpornost, proizvajalca itd. Obe površini nedokončane rezine se brusijo in prekrivajo, da se vsi rezini znižajo v določeno toleranco debeline in ravnosti. Z brušenjem rezina doseže grobo toleranco debeline in ravnosti, po kateri postopek lapiranja odstrani še zadnji del neželenega materiala s površin rezin, tako da ostane gladka, ravna, nepolirana površina. Prekrivanje običajno doseže tolerance manj kot 2,5 µm enakomernosti v ravnosti površine rezin.

Končna stopnja pri proizvodnji silicijevih rezin vključuje kemično uporabojedkanjeodstranite morebitne površinske plasti, na katerih bi se med žaganjem, brušenjem in lapiranjem lahko nabrale poškodbe in onesnaženje kristalov; čemur sledikemično mehansko poliranje(CMP) za izdelavo močno odsevne površine, brez prask in poškodb na eni strani rezine. Kemično jedkanje izvedemo z uporabo jedilne raztopine fluorovodikove kisline (HF), pomešane z dušikovo in ocetno kislino, ki lahko raztopi silicij. V CMP so silicijeve rezine nameščene na nosilec in nameščene v CMP stroj, kjer se kombinirajo s kemičnim in mehanskim poliranjem. Običajno CMP uporablja trdo poliuretansko polirno blazinico v kombinaciji z mešanico drobno dispergiranih delcev glinice ali silicijevega dioksida v alkalni raztopini. Končni izdelek postopka CMP je silicijeva rezina, ki jo kot uporabniki poznamo. Na eni strani ima močno odsevno površino, brez prask in poškodb, na kateri je mogoče izdelati polprevodniške naprave.

Proizvodnja sestavljenih polprevodniških rezin

Sestavljeni polprevodniki so pomembni materiali v številnih vojaških in drugih specialnih elektronskih napravah, kot so laserji, visokofrekvenčne elektronske naprave, LED, optični sprejemniki, opto-elektronska integrirana vezja itd. GaN se od devetdesetih let pogosto uporablja v številnih komercialnih LED .

V tabeli 1 je seznam elementarnih in binarnih (dvoelementnih) sestavljenih polprevodnikov skupaj z naravo pasovne reže in njeno velikostjo. Poleg binarnih sestavljenih polprevodnikov so znani tudi ternarni (trielementi) sestavljeni polprevodniki, ki se uporabljajo pri izdelavi naprav. Ternarni sestavljeni polprevodniki vključujejo materiale, kot so aluminijev galijev arzenid, AlGaAs, indij galijev arzenid, InGaAs in indij aluminijev arzenid, InAlAs. Kvartarni (štirimestni) sestavljeni polprevodniki so znani in se uporabljajo tudi v sodobni mikroelektroniki.

Edinstvena sposobnost oddajanja svetlobe sestavljenih polprevodnikov je posledica dejstva, da so polprevodniki z neposrednimi pasovnimi režami. Tabela 1 označuje, kateri polprevodniki imajo to lastnost. Valovna dolžina svetlobe, ki jo oddajajo naprave, izdelane iz neposrednih pasovnih polprevodnikov, je odvisna od energije pasovne reže. S spretnim načrtovanjem strukture pasovne reže sestavljenih naprav, zgrajenih iz različnih sestavljenih polprevodnikov z neposrednimi pasovnimi vrzeli, so inženirji lahko izdelali polprevodniške svetlobne naprave, ki segajo od laserjev, ki se uporabljajo v optičnih komunikacijah, do visoko učinkovitih LED žarnic. Podrobna razprava o posledicah neposrednih in posrednih pasovnih vrzeli v polprevodniških materialih presega področje tega dela.

Preproste binarne sestavljene polprevodnike lahko pripravimo v razsutem stanju, monokristalne rezine pa izdelamo po postopkih, podobnih tistim, ki se uporabljajo pri proizvodnji silicijevih rezin. GaAs, InP in druge sestavljene polprevodniške ingote lahko gojimo po metodi Czochralski ali Bridgman-Stockbarger z rezinami, pripravljenimi na način, podoben proizvodnji silicijevih rezin. Kondicioniranje površine sestavljenih polprevodniških rezin (tj. Zaradi tega, da so odsevne in ravne) je zapleteno zaradi dejstva, da sta prisotna vsaj dva elementa in lahko ti elementi reagirajo z jedkanji in abrazivi na različne načine.

Materialni sistem	Ime	Formula	Energijska vrzel (eV)	Vrsta pasu (I=posreden; D=neposreden)
IV	Diamant	C	5.47	I
	Silicij	Si	1.124	I
	Germanij	Ge	0.66	I
	Sivi kositer	Sn	0.08	D
IV-IV	Silicijev karbid	SiC	2.996	I
IV-IV	Silicij-Germanij	SixGe1-x	Var.	I
IIV-V	Svinčev sulfid	PbS	0.41	D
	Svinčev selenid	PbSe	0.27	D
	Svinec telurida	PbTe	0.31	D
III-V	Aluminijev nitrid	AlN	6.2	I
	Aluminijev fosfid	AlP	2.43	I
	Aluminijev arzenid	AlAs	2.17	I
	Aluminijev antimonid	AlSb	1.58	I
	Galijev nitrid	GaN	3.36	D
	Galijev fosfid	GaP	2.26	I
	Galijev arzenid	GaAs	1.42	D
	Galijev antimonid	GaSb	0.72	D
	Indij-nitrid	InN	0.7	D
	Indij fosfid	InP	1.35	D
	Indij Arzenid	InAs	0.36	D
	Indij antimonid	InSb	0.17	D
II-VI	Cinkov sulfid	ZnS	3.68	D
	Cinkov selenid	ZnSe	2.71	D
	Cinkov telurid	ZnTe	2.26	D
	Kadmijev sulfid	CdS	2.42	D
	Kadmijev selenid	CdSe	1.70	D
	Kadmij telurid	CdTe	1.56	D

Preglednica 1. Elementarni polprevodniki in binarni sestavljeni polprevodniki.

Elektronsko čiščenje polikristalnega silicija (polisilicija)

Izdelava monokristalnih silicijevih rezin

Proizvodnja sestavljenih polprevodniških rezin

S tem povezanih industrij

Pošlji povpraševanje