Silikon gofret ishlab chiqarish - bilim

Manba: mksinst.com

Elektron darajadagi polikristalli kremniyni (polilikonni) tozalash

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

Shakl 1. MG-Si ishlab chiqarishda ishlatiladigan suv osti elektrodli yoy pechining sxemasi.

Kremniy - er qobig'idagi eng ko'p tarqalgan ikkinchi element (kislorod birinchi). Tabiiyki, u silikat (tarkibida Si-O) bo'lgan jinslar va qumlarda uchraydi. Yarimo'tkazgichli qurilmalar ishlab chiqarishda ishlatiladigan elementar kremniy yuqori miqdordagi kvarts va kvartsit qumlaridan ishlab chiqariladi, ular tarkibida nisbatan kam aralashmalar mavjud. Yarimo'tkazgichli qurilmalar ishlab chiqarishda ishlatiladigan silikon markasi uchun ishlatiladigan elektron sinf silikon - bu kvarts yoki kvartsit qumining "metallurgiya silikoniga" (MG-Si), elektrda konversiyasidan boshlanadigan jarayonlar zanjiri mahsulotidir. boshq reaktsiyasi bo'yicha kamonli pech (1-rasm):

SiO2+ C → Si + CO2

Shu tarzda tayyorlangan silikon "metallurgiya navi" deb nomlanadi, chunki dunyodagi ishlab chiqarishning katta qismi aslida po'lat ishlab chiqarishga sarflanadi. Bu taxminan 98% toza.MG-Si elektronika ishlab chiqarishda bevosita foydalanish uchun etarli darajada toza emas. MG-Si butun dunyo bo'ylab ishlab chiqarishning kichik qismi (5% - 10%) elektronika ishlab chiqarishida foydalanish uchun yanada tozalanadi. MG-Si-ni yarimo'tkazgichli (elektron) silikonga tozalash ko'p bosqichli jarayon bo'lib, 2-rasmda sxematik tarzda ko'rsatilgan. Ushbu jarayonda MG-Si birinchi bo'lib sharikli tegirmonda juda yaxshi (75%<) hosil qiladi ; 40 µM) zarralar, ular keyinchalik suyuq yotoq reaktoriga (FBR) beriladi. U erda MG-Si suvsiz xlorid kislota gazi (HCl) bilan reaksiyaga kirishib 575 K (taxminan 300ºC) da reaksiyaga kirishadi:

Si + 3HCl → SiHCl3+ H2

FBRdagi gidroxlorlanish reaktsiyasi gazli mahsulotni hosil qiladi, bu taxminan 90% triklorosilan (SiHCl)3). Ushbu bosqichda ishlab chiqarilgan gazning qolgan 10% asosan tetraklorosilan, SiCl4, ba'zi bir diklorosilan bilan SiH2Cl2. Ushbu gaz aralashmasi triklorosilanni tozalaydigan, tetraklorosilan va diklorosilanning yon mahsulotlarini to'playdigan va qayta ishlatadigan bir qator fraksiyonel distillash orqali o'tkaziladi. Ushbu tozalash jarayoni milliard oralig'ida past qismlarda asosiy aralashmalar bilan juda toza triklorosilan ishlab chiqaradi. Tozalangan, qattiq polikristalli kremniy "Siemens Process" deb nomlanuvchi usul yordamida yuqori darajada toza triklorosilandan ishlab chiqariladi. Ushbu jarayonda triklorosilan vodorod bilan suyultiriladi va kimyoviy bug 'yotqizish reaktoriga beriladi. U erda reaksiya shartlari shunday o'rnatiladiki, polikristalli kremniy triklorosilan hosil bo'lish reaktsiyasining teskari tomoniga ko'ra elektr isitiladigan silikon tayoqchalarga yotqiziladi:

SiHCl3+ H2→ Si + 3HC

Cho'kma reaktsiyasidan olinadigan yon mahsulotlar (H2, HCl, SiHCl3, SiCl4va SiH2Cl2) 2-rasmda ko'rsatilgandek triklorosilan ishlab chiqarish va tozalash jarayoni orqali olingan va qayta ishlangan. Yarimo'tkazgichli kremniy bilan bog'liq bo'lgan ishlab chiqarish, tozalash va kremniyni cho'ktirish jarayonlari kimyosi bu oddiy tavsifga qaraganda ancha murakkab. Bundan tashqari, ko'plab silikon ishlab chiqarish uchun ishlatilishi mumkin bo'lgan va ishlatilishi mumkin bo'lgan bir qator muqobil kimyoviy moddalar mavjud.

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

Shakl 2. Yarimo'tkazgichli (elektron navli) kremniy ishlab chiqarish uchun texnologik oqim diagrammasi.

Yagona kristalli silikon gofret ishlab chiqarish

Yarimo'tkazgich sanoatida biz uchun juda yaxshi tanish bo'lgan kremniy gofretlari aslida eritilgan elektron polikristalli kremniydan o'stirilgan katta silikon kristalining ingichka bo'laklari. Ushbu yagona kristallarni o'stirishda ishlatiladigan jarayon ixtirochisi Jan Chexralskiyning nomi bilan "Chexralskiy jarayoni" deb nomlanadi. 3-rasmda Czochralskiy jarayonida ishtirok etadigan asosiy ketma-ketlik va tarkibiy qismlar ko'rsatilgan.

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

Shakl 3. Czochralski jarayonining sxemasi (b) Texnologik uskunalar (ruxsati bilan qayta ishlab chiqarilgan, PVA TePla AG 2017).

Czochralski jarayoni evakuatsiya qilinadigan xonada amalga oshiriladi, odatda "krujka tortuvchisi" deb nomlanadi, u katta krujka, odatda kvarts va elektr isitish elementini ushlab turadi (3-rasm (a)). Yarimo'tkazgichli polisilikon kastryulga yuklanadi (zaryadlanadi), shuningdek, mahsulotga gofretga ko'rsatilgan P yoki N xususiyatlarini berish uchun kerak bo'lishi mumkin bo'lgan fosfor yoki bor kabi har qanday dopantlarning aniq miqdori bilan birga. Evakuatsiya o'sish jarayonida qizdirilgan kremniyning oksidlanishiga yo'l qo'ymaslik uchun kameradan har qanday havoni olib tashlaydi. Zaryadlangan krujka polisilikonni eritishi uchun etarli bo'lgan haroratgacha elektr bilan isitiladi (1421ºS dan yuqori). Kremniy zaryadi to'liq eritilgandan so'ng, tayoqchaga o'rnatilgan kichik urug 'kristall eritilgan kremniyga tushiriladi. Urug'lik kristalining diametri odatda taxminan 5 mm va uzunligi 300 mm gacha. Bu eritmadan katta silikon kristalining o'sishi uchun "boshlang'ich" vazifasini bajaradi. Urug'lik kristali eritmaga vertikal yo'naltirilgan ma'lum kristalli yuz bilan tayoqchaga o'rnatiladi (kristall qirralar "Miller indekslari" bilan belgilanadi). Urug'lik kristallari bo'yicha< 100="">< 110=""> yoki< 111=""> odatda tanlanadi. Eritilgan kristalning o'sishi ushbu dastlabki yo'nalishga mos keladi va yakuniy yirik kristalga ma'lum bo'lgan kristal yo'nalishini beradi. Eritma ichiga cho'mgandan so'ng, urug 'kristalining kattalashishi bilan eritmadan asta (bir necha sm / soat) olinadi. Tortishish tezligi katta kristalning oxirgi diametrini aniqlaydi. Kristall ham, krujka ham kristall tortish paytida aylantirilib, kristalning bir xilligini va dopantning tarqalishini yaxshilaydi. Oxirgi yirik kristal silindr shaklida bo'ladi; u "boule" deb nomlanadi. Czochralski o'sishi - bu umumiy yarimo'tkazgich moslamasini ishlab chiqarish uchun kremniy plitalarini ishlab chiqarish uchun mos bo'lgan (CZ gofretlari deb nomlangan) kremniy kristalli boullarni ishlab chiqarishning eng tejamkor usuli. Usul diametri 450 mm gacha bo'lgan silikon gofret ishlab chiqarish uchun etarlicha katta boullarni hosil qilishi mumkin. Biroq, usul ma'lum cheklovlarga ega. Bulya kvartsda (SiO) o'stirilganligi sababli2) krujkada har doim kislorod bilan ifloslanish har doim mavjud (odatda 1018 atom sm-3 yoki 20 ppm). Ushbu ifloslanishni oldini olish uchun grafit krujkalar ishlatilgan, ammo ular kremniy tarkibidagi uglerod aralashmalarini konsentratsiyasi pastroq tartibda bo'lsa ham ishlab chiqaradi. Ikkala kislorod va uglerod aralashmalari ham so'nggi silikon plastinada ozchilikni tashuvchisi diffuziya uzunligini pasaytiradi. Chexralskiy kremniyida eksenel va radial yo'nalishdagi dopant bir xilligi cheklangan, shuning uchun qarshilik 100 ohm-sm dan yuqori bo'lgan gofretlarni olish qiyin.

Yuqori tozaligidagi kremniyni Float Zone (FZ) tozalash deb nomlanadigan usul bilan ishlab chiqarish mumkin. Ushbu usulda polikristalli silikon quyma o'sish xonasida vertikal ravishda vakuum yoki inert atmosferada o'rnatiladi. Kuycha atrof-muhitdagi gaz va uning bazasida ma'lum yo'naltirilgan urug 'kristalidan tashqari kameraning biron bir qismi bilan aloqa qilmaydi (4-rasm). Kuyikish odatda qalinligi taxminan 2 sm bo'lgan ingotda eritilgan material zonasini o'rnatadigan, kontaktsiz radiochastota (RF) sariqlari yordamida isitiladi. FZ jarayonida novda vertikal ravishda pastga qarab siljiydi, bu eritilgan zonani quyma uzunligini yuqoriga ko'tarib, iflosliklarni eritmadan oldin surib, yuqori darajada tozalangan bitta kristalli kremniyni qoldiradi. FZ kremniy gofretlari 10 000 ohm-sm gacha qarshilikka ega.

Shakl 4. Float zone kristalining o'sishi konfiguratsiyasi.

Silikon boul yaratilgandan so'ng, u boshqariladigan uzunliklarga bo'linadi va har bir uzunlik kerakli diametrga tenglashtiriladi. Kremniy doping va diametri 200 mm dan kam bo'lgan gofretlar uchun yo'nalishni ko'rsatadigan yo'naltirilgan kvartiralar ham ushbu bosqichda boulga tushiriladi. Diametri 200 mm dan kam bo'lgan gofretlar uchun birlamchi (eng katta) kvartira, masalan,< 111=""> yoki< 100=""> (5-rasmga qarang). Ikkilamchi (kichikroq) kvartiralar gofretning p yoki n-tipli ekanligini bildiradi. 200 mm (8 dyuym) va 300 mm (12 dyuym) gofretlarda gofret yo'nalishini ko'rsatish uchun belgilangan kristall o'qiga yo'naltirilgan bitta chuqurchadan foydalaniladi, bu esa doping turi uchun ko'rsatkich yo'q. 3-rasmda gofret turi va gofret chetiga tekisliklar joylashishi o'rtasidagi bog'liqlik ko'rsatilgan.

Wafer flat designators for different wafer orientation and doping

Shakl 5. Har xil gofret yo'nalishi va doping uchun gofretli tekis belgilagichlar.

Bulani kerakli diametrda maydalash va tekisliklar yaratilgandan so'ng, olmos bilan o'ralgan pichoq yoki po'lat sim yordamida ingichka bo'laklarga bo'linadi. Ushbu bosqichda silikon bo'laklarning qirralari odatda yaxlitlanadi. Ayni paytda asosiy kvartiraning yonida kremniy turi, rezistivligi, ishlab chiqaruvchisi va boshqalarni belgilaydigan lazer belgilari qo'shilgan. Tugallanmagan tilimning har ikkala yuzasi ham maydalangan va kesilgan bo'lib, barcha bo'laklarni belgilangan qalinlik va tekislikka bardoshlik darajasiga etkazadi. Taşlama dilimni qo'pol qalinligi va tekislikka chidamliligiga olib keladi, shundan so'ng silliqlash jarayoni tilim yuzlaridan kiruvchi materiallarning so'nggi qismini olib tashlaydi va silliq, tekis, silliqlanmagan sirt qoldiradi. Yalang'ochlash odatda gofret yuzasining tekisligida 2,5 mikrondan kam bo'lgan bir xillik toleranslariga erishadi.

Kremniy gofret ishlab chiqarishning yakuniy bosqichi kimyoviy jihatdan o'z ichiga oladizarb qilisharralash, silliqlash va qoplash paytida kristalning shikastlanishi va ifloslanishi mumkin bo'lgan har qanday sirt qatlamlarini uzoqlashtiring; dan so'ngkimyoviy mexanik polishing(CMP) gofretning bir tomonida yuqori darajada aks etadigan, chizilgan va shikastlanadigan erkin sirt hosil qilish uchun. Kimyoviy eritma kremniyni eritishi mumkin bo'lgan azot va sirka kislotalari bilan aralashtirilgan gidroflorik kislota (HF) eritmasi yordamida amalga oshiriladi. CMP-da kremniy bo'laklari tashuvchiga o'rnatiladi va CMP mashinasiga joylashtiriladi, u erda ular kimyoviy va mexanik polishing bilan birlashtiriladi. Odatda CMP qattiq poliuretan polishing padini ishqoriy eritmadagi mayda dispersli alumina oksidi yoki silika abraziv zarralari atala bilan birlashtiriladi. CMP jarayonining tayyor mahsuloti, biz, foydalanuvchilar sifatida tanish bo'lgan, kremniy gofretdir. Yarimo'tkazgichli qurilmalar ishlab chiqarilishi mumkin bo'lgan bir tomoni yuqori darajada aks etuvchi, chizish va shikastlanish yuzaga ega.

Murakkab yarimo'tkazgichli gofret ishlab chiqarish

Murakkab yarimo'tkazgichlar lazerlar, yuqori chastotali elektron qurilmalar, LEDlar, optik qabul qiluvchilar, optoelektron integral mikrosxemalar va boshqalar kabi ko'plab harbiy va boshqa maxsus elektronika qurilmalarida muhim material hisoblanadi. .

1-jadvalda elementar va ikkilik (ikkita elementli) yarimo'tkazgichlarning ro'yxati, shuningdek ularning tarmoqli bo'shliqlarining tabiati va uning kattaligi keltirilgan. Ikkilik birikma yarimo'tkazgichlaridan tashqari, uchlamchi (uch elementli) yarimo'tkazgichlar ham ma'lum va ular qurilmani tayyorlashda ishlatiladi. Uchlamchi aralash yarimo'tkazgichlarga alyuminiy galliy arsenidi, AlGaAs, indiy galyum arsenidi, InGaAs va indiy alyuminiy arsenidi, InAlAs kabi materiallar kiradi. Chorternary (to'rt elementli) yarimo'tkazgichlar ham ma'lum va zamonaviy mikroelektronikada qo'llaniladi.

Murakkab yarimo'tkazgichlarning noyob yorug'lik chiqarish qobiliyati ularning to'g'ridan-to'g'ri tarmoqli bo'shliqli yarimo'tkazgichlari ekanligi bilan bog'liq. 1-jadval qaysi yarimo'tkazgichlar ushbu xususiyatga ega ekanligini bildiradi. To'g'ridan-to'g'ri tarmoqli oralig'i yarimo'tkazgichlaridan qurilgan qurilmalar chiqaradigan yorug'likning to'lqin uzunligi tarmoqli bo'shliq energiyasiga bog'liq. To'g'ridan-to'g'ri tarmoqli bo'shliqlari bo'lgan turli xil aralash yarimo'tkazgichlardan qurilgan kompozit qurilmalarning tarmoqli oralig'ining tuzilishini mohirlik bilan muhandislik qilish orqali muhandislar optik tolali aloqada ishlatiladigan lazerlardan tortib to yuqori samaradorlikdagi LED lampochkalarga qadar bo'lgan qattiq holatdagi yorug'lik chiqaradigan moslamalarni ishlab chiqarishga muvaffaq bo'lishdi. Yarimo'tkazgich materiallarida to'g'ridan-to'g'ri va bilvosita tarmoqli bo'shliqlarining ta'sirini batafsil muhokama qilish ushbu ish doirasidan tashqarida.

Oddiy, ikkilik birikma yarimo'tkazgichlar quyma shaklda tayyorlanishi mumkin, va bitta kristalli gofretlar kremniy plastinka ishlab chiqarishda ishlatiladigan jarayonlarga o'xshash jarayonlar natijasida hosil bo'ladi. GaAs, InP va boshqa aralash yarimo'tkazgichli ingotlarni, ya’ni Cechralski yoki Bridgman-Stokbarger usuli yordamida kremniy gofret ishlab chiqarishiga o'xshash usulda tayyorlangan gofretlar yordamida etishtirish mumkin. Murakkab yarimo'tkazgich plitalarining sirtini konditsionerlash (ya'ni ularni aks etuvchi va tekis qilish) kamida ikkita element mavjudligi va bu elementlarning turli xil modalarda efir va abraziv moddalar bilan reaksiyaga kirishishi bilan murakkablashadi.

Materiallar tizimi	Ism	Formula	Energiya oralig'i (eV)	Tarmoq turi (I=bilvosita; D=to'g'ridan-to'g'ri)
IV	Olmos	C	5.47	I
	Silikon	Si	1.124	I
	Germaniya	Ge	0.66	I
	Kulrang qalay	Sn	0.08	D
IV-IV	Silikon karbid	SiC	2.996	I
IV-IV	Silikon-Germaniy	SixGe1-x	Var.	I
IIV-V	Qo'rg'oshin sulfidi	PbS	0.41	D
	Selenid qo'rg'oshin	PbSe	0.27	D
	Qo'rg'oshin Tellurid	PbTe	0.31	D
III-V	Alyuminiy nitrit	AlN	6.2	I
	Alyuminiy fosfid	AlP	2.43	I
	Alyuminiy Arsenid	AlAs	2.17	I
	Alyuminiy antimonid	AlSb	1.58	I
	Gallium nitrit	GaN	3.36	D
	Galliy fosfidi	GaP	2.26	I
	Galliy Arsenidi	GaAs	1.42	D
	Galliy antimonid	GaSb	0.72	D
	Indium nitrit	Kichik mehmonxona	0.7	D
	Indium fosfidi	InP	1.35	D
	Indium Arsenide	InAs	0.36	D
	Indium antimonid	InSb	0.17	D
II-VI	Sink sulfidi	ZnS	3.68	D
	Selenid sink	ZnSe	2.71	D
	Sink Tellurid	ZnTe	2.26	D
	Kadmiy sulfidi	CD	2.42	D
	Kadmiyum selenid	CdSe	1.70	D
	Kadmiy Tellurid	CdTe	1.56	D

1-jadval. Elementar yarim o'tkazgichlar va ikkilik birikma yarimo'tkazgichlar.