Produktion av kiselplattor

Källa: mksinst.com

Elektronisk kvalitet Polykristallint kisel (polisilikon) rening

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

Figur 1. Schematisk bild av en nedsänkt elektrodbågsugn som används vid produktion av MG-Si.

Kisel är det näst vanligaste elementet i jordskorpan (syre är det första). Det förekommer naturligt i silikat (Si-O-innehållande) stenar och sand. Det elementära kisel som används vid tillverkning av halvledaranordningar är tillverkat av kvarts och kvartsitsand med hög renhet, som innehåller relativt få orenheter. Kisel av elektronisk kvalitet, namnet som används för den kiselkvalitet som används vid tillverkning av halvledaranordningar, är produkten av en kedja av processer som börjar med omvandlingen av kvarts eller kvartsit sand till "metallurgisk kvalitet kisel" (MG-Si), i en elektrisk bågugn (figur 1) enligt den kemiska reaktionen:

SiO2+ C → Si + CO2

Kisel som framställts på detta sätt kallas ”metallurgisk kvalitet” eftersom större delen av världens produktion faktiskt går till ståltillverkning. Det är cirka 98% rent. MG-Si är inte tillräckligt rent för direkt användning vid elektroniktillverkning. En liten del (5% - 10%) av den globala produktionen av MG-Si renas ytterligare för användning inom elektroniktillverkning. Reningen av MG-Si till kisel av halvledarkvalitet (elektronisk) är en flerstegsprocess, vilket visas schematiskt i figur 2. I denna process males MG-Si först i en kulkvarn för att producera mycket fin (75%< 40 µM) partiklar som sedan matas till en fluidiserad bäddreaktor (FBR). Där reagerar MG-Si med vattenfri saltsyragas (HCl), vid 575 K (ca 300 ° C) enligt reaktionen:

Si + 3HCl → SiHCl3+ H2

Hydrokloreringsreaktionen i FBR gör en gasformig produkt som är cirka 90% triklorsilan (SiHCl).3). De återstående 10% av den gas som produceras i detta steg är mest tetraklorsilan, SiCl4, med lite diklorsilan, SiH2Cl2. Denna gasblandning förs genom en serie fraktionerade destillationer som renar triklorsilanen och samlar upp och återanvänder tetraklorsilan och diklorsilan biprodukter. Denna reningsprocess ger extremt ren triklorsilan med stora föroreningar i området med låga delar per miljard. Renat, fast polykristallint kisel framställs av triklorsilan med hög renhet med en metod som kallas "Siemens-processen." I denna process späds triklorsilanen med väte och matas till en kemisk ångavsättningsreaktor. Där justeras reaktionsbetingelserna så att polykristallint kisel avsätts på elektriskt uppvärmda kiselstänger enligt det omvända av triklorsilanbildningsreaktionen:

SiHCl3+ H2→ Si + 3HC

Biprodukter från deponeringsreaktionen (H2, HCl, SiHCl3SiCl4och SiH2Cl2) fångas upp och återvinns genom produktionen och reningen av triklorsilan, såsom visas i figur 2. Kemien för produktion, rening och kiseldeponeringsprocesser associerad med kisel av halvledarkvalitet är mer komplex än denna enkla beskrivning. Det finns också ett antal alternativa kemier som kan användas och används för produktion av polysilikon.

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

figur 2. Processflödesdiagram för produktion av kisel av halvledarkvalitet (elektronisk kvalitet).

Single Crystal Silicon Wafer Fabrication

De kiselskivor som är så bekanta för oss inom halvledarindustrin är faktiskt tunna skivor av en stor enda kristall av kisel som odlades av smält elektroniskt polykristallint kisel. Processen som används vid odling av dessa enskilda kristaller är känd som Czochralski-processen efter dess uppfinnare, Jan Czochralski. Figur 3 visar den grundläggande sekvensen och komponenterna som är involverade i Czochralski-processen.

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

Figur 3. Schema över Czochralski-processen (b) Processutrustning (återges med tillstånd, PVA TePla AG 2017).

Czochralski-processen utförs i en evakuerbar kammare, vanligen kallad en "kristalldragare" som rymmer en stor degel, vanligtvis kvarts, och ett elektriskt värmeelement (figur 3 (a)). Halvledarkvalitets polysilikon laddas (laddas) i degeln tillsammans med exakta mängder av eventuella dopmedel såsom fosfor eller bor som kan behövas för att ge produkten skivor specificerade P- eller N-egenskaper. Evakuering tar bort luft från kammaren för att undvika oxidation av det uppvärmda kislet under tillväxtprocessen. Den laddade degeln upphettas elektriskt till en temperatur som är tillräcklig för att smälta polykislet (över 1421 ° C). När kiseladdningen väl är helt smält sänks en liten frökristall, monterad på en stång, ned i det smälta kislet. Frökristallen är typiskt ca 5 mm i diameter och upp till 300 mm lång. Det fungerar som en "start" för tillväxten av den större kiselkristallen från smältan. Frökristallen är monterad på stången med en känd kristallfasett vertikalt orienterad i smältan (kristallfasetter definieras av ”Miller Indices”). När det gäller frökristaller, fasetter med Miller-index av< 100>="">< 110=""> eller< 111=""> väljs vanligtvis. Kristalltillväxten från smältan kommer att överensstämma med denna initiala orientering, vilket ger den slutliga stora enskilda kristallen en känd kristallorientering. Efter nedsänkning i smältan dras frökristallen långsamt (några cm / timme) från smältan när den större kristallen växer. Draghastigheten bestämmer den slutliga diametern för den stora kristallen. Både kristallen och degeln roteras under en kristalldragning för att förbättra kristallens och dopningsfördelningens homogenitet. Den slutliga stora kristallen är cylindrisk i form; det kallas en “boule”. Czochralski-tillväxt är den mest ekonomiska metoden för produktion av kiselkristallkulor som är lämpliga för tillverkning av kiselskivor för tillverkning av allmänna halvledare (känd som CZ-skivor). Metoden kan bilda bollar som är tillräckligt stora för att producera kiselskivor med en diameter på upp till 450 mm. Metoden har dock vissa begränsningar. Eftersom boule odlas i kvarts (SiO2) degel, finns det alltid någon syreförorening i kislet (vanligtvis 1018 atomer cm-3 eller 20 ppm). Grafitdeglar har använts för att undvika denna förorening, men de producerar kolföroreningar i kislet, om än i en storleksordning som är lägre i koncentrationen. Både syre- och kolföroreningar sänker minoritetsbärardiffusionslängden i den slutliga kiselskivan. Dopanthomogenitet i axiell och radiell riktning är också begränsad i Czochralski-kisel, vilket gör det svårt att få skivor med resistiviteter större än 100 ohm-cm.

Kisel med högre renhet kan produceras med en metod som kallas Float Zone (FZ) raffinering. I denna metod monteras ett polykristallint kiselgöt vertikalt i tillväxtkammaren, antingen under vakuum eller inert atmosfär. Götet är inte i kontakt med någon av kammarkomponenterna förutom den omgivande gasen och en frökristall med känd orientering vid dess bas (figur 4). Götet värms upp med hjälp av kontaktfria radiofrekvensspolar (RF) som skapar en zon av smält material i götet, typiskt cirka 2 cm tjockt. I FZ-processen rör sig stången vertikalt nedåt, vilket gör att den smälta zonen kan röra sig längs götets längd, trycka föroreningar före smältan och lämna efter sig högrenat enkelkristallkisel. FZ-kiselskivor har motstånd så höga som 10 000 ohm-cm.

Figur 4. Konfiguration av kristalltillväxt för flytzon.

När kiselskålen har skapats skärs den i hanterbara längder och varje längd slipas till önskad diameter. Orienteringslägenheter som indikerar kiseldoping och orientering för skivor med en diameter mindre än 200 mm slipas också in i skålen i detta skede. För skivor med diametrar mindre än 200 mm är den primära (största) plattan orienterad vinkelrätt mot en specificerad kristallaxel såsom< 111=""> eller< 100=""> (se figur 5). Sekundära (mindre) lägenheter indikerar om en skiva är antingen p-typ eller n-typ. 200 mm (8 tum) och 300 mm (12 tum) skivor använder ett enda skåror som är orienterat mot den angivna kristallaxeln för att indikera skivorientering utan indikator för dopningstyp. Figur 3 visar förhållandet mellan skivtyp och placering av lägenheter på skivkanten.

Wafer flat designators for different wafer orientation and doping

Figur 5. Wafer platta designatorer för olika wafer orientering och dopning.

Efter att kulen har slipats till önskad diameter och lägenheterna har skapats, skärs den i tunna skivor med antingen ett diamantskyddat blad eller en ståltråd. Kanterna på kiselskivorna är vanligtvis rundade i detta skede. Lasermärkningar som anger kiseltyp, resistivitet, tillverkare etc. läggs också till vid primärplanet just nu. Båda ytorna på den oavslutade skivan är slipade och lappade för att få alla skivorna till en specificerad tjocklek och planhetstolerans. Slipning ger skivan en grov tjocklek och planhetstolerans, varefter lappningsprocessen tar bort den sista biten av oönskat material från skivytorna och lämnar en jämn, plan, opolerad yta. Lappning uppnår typiskt toleranser som är mindre än 2,5 um jämnhet i plattans yta.

Det sista steget i tillverkning av kiselskivor involverar kemisktetsningta bort eventuella ytskikt som kan ha ackumulerat kristallskador och kontamination under sågning, slipning och lappning; följd avkemisk mekanisk polering(CMP) för att producera en mycket reflekterande, rep- och skadefri yta på ena sidan av skivan. Den kemiska etsen åstadkoms med en etsande lösning av fluorvätesyra (HF) blandad med salpetersyra och ättiksyra som kan lösa kisel. I CMP monteras kiselskivor på en bärare och placeras i en CMP-maskin där de genomgår kombinerad kemisk och mekanisk polering. Typiskt använder CMP en hård polyuretanpoleringskudde kombinerad med en uppslamning av finfördelad aluminiumoxid eller kiseldioxidslipande partiklar i en alkalisk lösning. Den färdiga produkten av CMP-processen är kiselskivan som vi som användare känner till. Den har en mycket reflekterande, rep- och skadefri yta på ena sidan på vilken halvledaranordningar kan tillverkas.

Compound Semiconductor Wafer Production

Sammansatta halvledare är viktiga material i många militära och andra specialelektronikapparater såsom lasrar, högfrekventa elektroniska enheter, lysdioder, optiska mottagare, opto-elektroniska integrerade kretsar etc. GaN har använts i många olika kommersiella LED-applikationer sedan 1990-talet .

Tabell 1 ger en lista över elementära och binära (tvåelement) sammansatta halvledare tillsammans med arten av deras bandgap och dess storlek. Förutom halvledare med binära sammansättningar är ternära (tre-element) sammansatta halvledare också kända och används vid tillverkning av enheter. Halvledare med ternära föreningar innefattar material såsom aluminiumgalliumarsenid, AlGaAs, indiumgalliumarsenid, InGaAs och indiumaluminiumarsenid, InAlAs. Kvartära (fyra element) sammansatta halvledare är också kända och används i modern mikroelektronik.

Den unika ljusemitterande förmågan hos sammansatta halvledare beror på att de är direktledande halvledare. Tabell 1 anger vilka halvledare som har denna egenskap. Våglängden för ljuset som emitteras av anordningar byggda från halvledare med direkt bandgap beror på bandgapsenergin. Genom att skickligt konstruera bandgapstrukturen för kompositanordningar byggda från olika sammansatta halvledare med direkta bandgap har ingenjörer kunnat producera halvledarlampor som sträcker sig från lasrar som används i fiberoptisk kommunikation till högeffektiva LED-lampor. En detaljerad diskussion om konsekvenserna av direkta eller indirekta bandgap i halvledarmaterial ligger utanför ramen för detta arbete.

Enkla halvledare med binär sammansättning kan framställas i bulk, och skivor med en kristall produceras genom processer som liknar de som används vid tillverkning av kiselskivor. GaAs, InP och andra sammansatta halvledarstänger kan odlas med antingen Czochralski eller Bridgman-Stockbarger-metoden med skivor framställda på ett sätt som liknar kiselproduktion. Ytkonditionering av sammansatta halvledarskivor (dvs. att göra dem reflekterande och plana) kompliceras av det faktum att minst två element finns och dessa element kan reagera med etsmedel och slipmedel i olika mode.

Materialsystem	namn	Formel	Energy Gap (eV)	Bandtyp (I=indirekt; D=direkt)
IV	Diamant	C	5.47	I
	Kisel	Si	1.124	I
	Germanium	Ge	0.66	I
	Grå Tenn	Sn	0.08	D
IV-IV	Kiselkarbid	Sic	2.996	I
IV-IV	Kisel-Germanium	SixGe1-x	Var.	I
IIV-V	Bly sulfid	PbS	0.41	D
	Bly Selenide	PbSe	0.27	D
	Led Telluride	PbTe	0.31	D
III-V	Aluminiumnitrid	AlN	6.2	I
	Aluminiumfosfid	Alp	2.43	I
	Aluminiumarsenid	Ack	2.17	I
	Antimonid av aluminium	AlSb	1.58	I
	Galliumnitrid	GaN	3.36	D
	Galliumfosfid	Glipa	2.26	I
	Galliumarsenid	GaAs	1.42	D
	Galliumantimonid	GaSb	0.72	D
	Indiumnitrid	Värdshus	0.7	D
	Indiumfosfid	I P	1.35	D
	Indiumarsenid	InAs	0.36	D
	Indiumantimonid	InSb	0.17	D
II-VI	Zinksulfid	ZnS	3.68	D
	Zinkselenid	ZnSe	2.71	D
	Zink Telluride	ZnTe	2.26	D
	Kadmiumsulfid	CD skivor	2.42	D
	Kadmiumselenid	CdSe	1.70	D
	Kadmium Telluride	CdTe	1.56	D

bord 1. De elementära halvledarna och de binära sammansatta halvledarna.

Elektronisk kvalitet Polykristallint kisel (polisilikon) rening

Single Crystal Silicon Wafer Fabrication

Compound Semiconductor Wafer Production

Relaterade branscher

Skicka förfrågan