Produzzjoni tal-Wafer tas-Silikon

Sors: mksinst.com

Purifikazzjoni tas-Silikon Polikristallin Elettroniku (Polysilicon)

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

Figura 1. Skema ta 'forn mgħaddas bl-ark tal-elettrodu użat fil-produzzjoni tal-MG-Si.

Siliconis it-tieni l-iktar element abbundanti fil-qoxra tad-dinja (l-ossiġnu huwa l-ewwel). Dan iseħħ b'mod naturali fis-silikat (li fih Si-O) blat u ramel. Is-silikon elementari użat fil-manifattura ta 'apparat semikonduttur huwa prodott minn ramel tal-kwarz u kwarżit ta' purità għolja, li fihom relattivament ftit impuritajiet. Silikon ta 'grad elettroniku, l-isem użat għall-grad ta' silikon użat fil-manifattura ta 'apparat semikonduttur, huwa l-prodott ta' katina ta 'proċessi li jibdew bil-konverżjoni ta' ramel tal-kwarz jew kwarżit għal "silikon ta 'grad metallurġiku" (MG-Si), f'apparat elettriku. forn bl-ark (Figura 1) skond ir-reazzjoni kimika:

SiO2+ C → Si + CO2

Is-silikon ippreparat b'dan il-mod jissejjaħ "grad metallurġiku" peress li ħafna mill-produzzjoni tad-dinja fil-fatt tmur fil-produzzjoni ta 'l-azzar. Huwa madwar 98% pur.MG-Si mhuwiex pur biżżejjed għall-użu dirett fil-manifattura tal-elettronika. Frazzjoni żgħira (5% - 10%) tal-produzzjoni dinjija ta 'MG-Si tiġi purifikata aktar għall-użu fil-manifattura tal-elettronika. Il-purifikazzjoni ta 'MG-Si għal silikon ta' grad semikonduttur (elettroniku) hija proċess f'diversi stadji, muri b'mod skematiku fil-Figura 2. F'dan il-proċess, MG-Si huwa l-ewwel mitħun f'balla-mitħna biex jipproduċi fin ħafna (75%< ; 40 µM) partiċelli li mbagħad jiġu mitmugħa f'Reattur tas-Sodda Fluwidizzata (FBR). Hemmhekk l-MG-Si jirreaġixxi ma 'gass ta' aċidu idrokloriku anidru (HCl), f'575 K (madwar 300 ° C) skond ir-reazzjoni:

Si + 3HCl → SiHCl3+ H2

Ir-reazzjoni tal-idroklorinazzjoni fl-FBR tagħmel prodott gassuż li huwa madwar 90% triklorosilan (SiHCl3). L-10% li jifdal tal-gass prodott f'dan il-pass huwa l-aktar tetrachlorosilane, SiCl4, b'xi dichlorosilane, SiH2Cl2. Din it-taħlita ta 'gass titqiegħed permezz ta' serje ta 'distillazzjonijiet frazzjonali li jippurifikaw it-trichlorosilane u jiġbru u jużaw mill-ġdid il-prodotti sekondarji tat-tetrachlorosilane u dichlorosilane. Dan il-proċess ta 'purifikazzjoni jipproduċi triklorosilan pur estrem b'impuritajiet maġġuri fil-medda ta' partijiet baxxi għal kull biljun. Is-silikon polikristallin solidu u purifikat huwa prodott minn triklorosilan ta 'purità għolja billi jintuża metodu magħruf bħala "Il-Proċess Siemens." F'dan il-proċess, it-triklorosilan jiġi dilwit bl-idroġenu u mitmugħ f'reattur kimiku għad-depożizzjoni tal-fwar. Hemmhekk, il-kondizzjonijiet tar-reazzjoni huma aġġustati sabiex is-silikon polikristallin jiġi depożitat fuq vireg tas-silikon imsaħħna bl-elettriku skond il-maqlub tar-reazzjoni tal-formazzjoni tat-triklorosilan:

SiHCl3+ H2→ Si + 3HC

Prodotti sekondarji mir-reazzjoni ta 'depożizzjoni (H2, HCl, SiHCl3, SiCl4u SiH2Cl2) jinqabdu u jiġu riċiklati permezz tal-proċess ta ’produzzjoni u purifikazzjoni tat-triklorosilan kif muri fil-Figura 2. Il-kimika tal-proċessi ta’ produzzjoni, purifikazzjoni u depożizzjoni tas-silikon assoċjati ma ’silikon ta’ grad semikonduttur hija iktar kumplessa minn din id-deskrizzjoni sempliċi. Hemm ukoll numru ta 'kimiċi alternattivi li jistgħu jintużaw u jintużaw għall-produzzjoni tal-polysilicon.

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

Figura 2. Dijagramma tal-fluss tal-proċess għall-produzzjoni ta 'silikon ta' grad semikonduttur (grad elettroniku).

Fabbrikazzjoni tal-Wafer tas-Silikon tal-Kristall Uniku

Il-wejfers tas-silikon tant familjari għal dawk minna fl-industrija tas-semikondutturi huma attwalment flieli rqaq ta 'kristall wieħed kbir ta' silikon li kien imkabbar minn silikon polikristallin imdewweb ta 'grad elettroniku. Il-proċess użat fit-tkabbir ta 'dawn il-kristalli singoli huwa magħruf bħala l-proċess Czochralski wara l-inventur tiegħu, Jan Czochralski. Il-Figura 3 turi s-sekwenza bażika u l-komponenti involuti fil-proċess Czochralski.

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

Figura 3. Skema tal-proċess Czochralski (b) Tagħmir tal-proċess (riprodott bil-permess, PVA TePla AG 2017).

Il-proċess Czochralski jitwettaq f'kamra li tista 'tiġi evakwata, komunement imsejħa "ġibda tal-kristall" li żżomm griġjol kbir, ġeneralment kwarz, u element ta' tisħin elettriku (Figura 3 (a)). Polisilikon ta 'grad semikonduttur jitgħabba (iċċarġjat) fil-griġjol flimkien ma' ammonti preċiżi ta 'kwalunkwe dopanti bħal fosfru jew boron li jistgħu jkunu meħtieġa biex il-wejfers tal-prodott jingħataw karatteristiċi P jew N speċifikati. L-evakwazzjoni tneħħi kwalunkwe arja mill-kamra biex tevita l-ossidazzjoni tas-silikon imsaħħan matul il-proċess tat-tkabbir. Il-griġjol iċċarġjat huwa msaħħan bl-elettriku għal temperatura suffiċjenti biex idub il-polysilicon (akbar minn 1421ºC). Ladarba ċ-ċarġ tas-silikon ikun imdewweb kompletament, kristall żgħir taż-żerriegħa, immuntat fuq virga, jitbaxxa fis-silikon imdewweb. Il-kristall taż-żerriegħa huwa tipikament madwar 5 mm fid-dijametru u sa 300 mm twil. Jaġixxi bħala "starter" għat-tkabbir tal-kristall tas-silikon ikbar mit-tidwib. Il-kristall taż-żerriegħa huwa mmuntat fuq il-virga b'aspett tal-kristall magħruf orjentat vertikalment fit-tidwib (l-aspetti tal-kristall huma definiti minn "Indiċi Miller"). Fil-każ ta 'kristalli taż-żerriegħa, aspetti li għandhom indiċi Miller ta'< 100>="">< 110=""> jew< 111=""> huma tipikament magħżula. It-tkabbir tal-kristall mit-tidwib se jikkonforma ma 'din l-orjentazzjoni inizjali, u jagħti lill-kristall wieħed kbir finali orjentazzjoni tal-kristall magħrufa. Wara l-immersjoni fit-tidwib, il-kristall taż-żerriegħa jinġibed bil-mod (ftit ċm / siegħa) mit-tidwib hekk kif jikber il-kristall ikbar. Il-veloċità tal-ġibda tiddetermina d-dijametru finali tal-kristall il-kbir. Kemm il-kristall kif ukoll il-griġjol jiddawru waqt ġibda tal-kristall biex itejbu l-omoġeneità tal-kristall u d-distribuzzjoni tad-dopant. Il-kristall kbir finali għandu forma ċilindrika; tissejjaħ "boule." It-tkabbir ta 'Czochralski huwa l-iktar metodu ekonomiku għall-produzzjoni ta' boules tal-kristall tas-silikon adattati għall-produzzjoni ta 'wejfers tas-silikon għall-fabbrikazzjoni ġenerali ta' apparat semikonduttur (magħrufa bħala wejfers CZ). Il-metodu jista 'jifforma boules kbar biżżejjed biex jipproduċu wejfers tas-silikon b'dijametru sa 450 mm. Madankollu, il-metodu għandu ċerti limitazzjonijiet. Peress li l-boule titkabbar fi kwarz (SiO2) griġjol, xi kontaminazzjoni bl-ossiġnu hija dejjem preżenti fis-silikon (tipikament 1018 atomi ċm-3 jew 20 ppm). Griġjoli tal-grafita ntużaw biex tiġi evitata din il-kontaminazzjoni, madankollu jipproduċu impuritajiet tal-karbonju fis-silikon, għalkemm f'ordni ta 'kobor inqas f'konċentrazzjoni. Kemm l-ossiġnu kif ukoll l-impuritajiet tal-karbonju jbaxxu t-tul tad-diffużjoni tat-trasportatur minoritarju fl-aħħar wejfer tas-silikon. L-omoġeneità Dopant fid-direzzjonijiet assjali u radjali hija limitata wkoll fis-silikon Czochralski, u tagħmilha diffiċli biex jinkisbu wejfers b'reżistivitajiet akbar minn 100 ohm-cm.

Silikon ta 'purità ogħla jista' jiġi prodott b'metodu magħruf bħala raffinar ta 'Float Zone (FZ). F'dan il-metodu, ingott tas-silikon polikristallin huwa mmuntat vertikalment fil-kamra tat-tkabbir, jew taħt vakwu jew atmosfera inerta. L-ingott m'hu f'kuntatt ma 'l-ebda wieħed mill-komponenti tal-kamra ħlief għall-gass ambjentali u kristall taż-żerriegħa ta' orjentazzjoni magħrufa fil-bażi tiegħu (Figura 4). L-ingott jissaħħan bl-użu ta 'koljaturi tal-frekwenza tar-radju (RF) mingħajr kuntatt li jistabbilixxu żona ta' materjal imdewweb fl-ingott, tipikament ħoxna madwar 2 cm. Fil-proċess FZ, il-virga timxi vertikalment 'l isfel, u tippermetti li ż-żona mdewba tiċċaqlaq fuq it-tul tal-ingott, timbotta l-impuritajiet quddiem it-tidwib u tħalli warajh silikon tal-kristall wieħed purifikat ħafna. Il-wejfers tas-silikon FZ għandhom reżistivitajiet għoljin sa 10,000 ohm-cm.

Figura 4. Konfigurazzjoni tat-tkabbir tal-kristall taż-żona float.

Ladarba l-boule tas-silikon tkun inħolqot, tinqata 'f'tulijiet maniġġabbli u kull tul mitħun għad-dijametru mixtieq. Flats ta 'orjentazzjoni li jindikaw id-doping tas-silikon u l-orjentazzjoni għal wejfers b'dijametru ta' inqas minn 200 mm huma wkoll mitħuna fil-boule f'dan l-istadju. Għal wejfers b'dijametri ta 'inqas minn 200 mm, il-primarja (l-ikbar) ċatta hija orjentata perpendikulari għal assi tal-kristall speċifikat bħal< 111=""> jew< 100=""> (ara l-Figura 5). Flats sekondarji (iżgħar) jindikaw jekk wejfer huwiex tat-tip p jew tat-tip n. Il-wejfers ta ’200 mm (8-il pulzier) u 300 mm (12-il pulzier) jużaw talja waħda orjentata lejn l-assi tal-kristall speċifikat biex jindikaw l-orjentazzjoni tal-wejfer mingħajr indikatur għat-tip ta’ doping. Il-Figura 3 turi r-relazzjoni bejn it-tip ta 'wejfer u t-tqegħid ta' appartamenti fuq ix-xifer tal-wejfer.

Wafer flat designators for different wafer orientation and doping

Figura 5. Designaturi ċatti tal-wejfer għal orjentazzjoni u doping differenti tal-wejfer.

Wara li l-boule tkun ġiet mitħuna għad-dijametru mixtieq u l-flats inħolqu, din tinqata 'fi flieli rqaq billi tuża jew xafra inkrustata bid-djamanti jew wajer ta' l-azzar. It-truf tal-flieli tas-silikon huma ġeneralment arrotondati f'dan l-istadju. Marki tal-lejżer li jindikaw it-tip tas-silikon, ir-reżistività, il-manifattur, eċċ huma wkoll miżjuda ħdejn il-flat primarju f'dan il-ħin. Iż-żewġ uċuħ tal-porzjon mhux mitmum huma mitħunin u lappati biex iġibu l-flieli kollha fi ħxuna speċifika u tolleranza tal-ebusija. It-tħin iġib il-porzjon fi ħxuna mhux maħduma u tolleranza tal-flatness u wara dan il-proċess tal-imblukkar ineħħi l-aħħar ftit materjal mhux mixtieq mill-uċuħ tal-porzjon, u jħalli wiċċ lixx, ċatt u mhux illustrat. Il-ħoġor tipikament jikseb tolleranzi ta 'inqas minn 2.5 µm uniformità fl-ebusija tal-wiċċ tal-wejfer.

L-aħħar stadju fil-manifattura tal-wejfer tas-silikon jinvolvi kimikamentinċiżjonibogħod kwalunkwe saff tal-wiċċ li seta 'akkumula ħsara u kontaminazzjoni tal-kristall waqt is-serrar, it-tħin u l-għoqda; segwit minnillustrar mekkaniku kimiku(CMP) biex tipproduċi wiċċ li jirrifletti ħafna, li jinbarax u li ma jagħmilx ħsara fuq naħa waħda tal-wejfer. L-inċiżjoni kimika titwettaq bl-użu ta 'soluzzjoni eċċantanti ta' aċidu idrofluworiku (HF) imħallat ma 'aċidi nitriċi u aċetiċi li jistgħu jħollu s-silikon. Fis-CMP, flieli tas-silikon huma mmuntati fuq trasportatur u mqiegħda f'magna CMP fejn jgħaddu minn illustrar kimiku u mekkaniku kkombinat. Tipikament, CMP timpjega kuxxinett iebes tal-illustrar tal-polyurethane flimkien ma 'demel likwidu ta' partiċelli li joborxu ta 'alumina jew silika mxerrda b'mod fin f'soluzzjoni alkalina. Il-prodott lest tal-proċess CMP huwa l-wejfer tas-silikon li aħna, bħala utenti, aħna familjari magħhom. Għandha wiċċ li jirrifletti ħafna, li jinbarax u li ma jagħmilx ħsara fuq naħa waħda li fuqha jistgħu jiġu ffabbrikati apparat semikondutturi.

Produzzjoni ta 'Wafer ta' Semikondutturi Komposti

Semikondutturi komposti huma materjali importanti f'ħafna apparati elettroniċi militari u ta 'speċjalità oħra bħal lasers, apparati elettroniċi ta' frekwenza għolja, LEDs, riċevituri ottiċi, ċirkwiti integrati opto-elettroniċi, eċċ. .

It-Tabella 1 tipprovdi lista tas-semikondutturi komposti elementali u binarji (żewġ elementi) flimkien man-natura tad-distakk tal-medda tagħhom u l-kobor tagħha. Minbarra s-semikondutturi komposti binarji, is-semikondutturi komposti ternarji (tliet elementi) huma wkoll magħrufa u użati fil-fabbrikazzjoni tal-apparat. Is-semikondutturi komposti ternarji jinkludu materjali bħal aluminju gallium arsenide, AlGaAs, indium gallium arsenide, InGaAs u indium aluminium arsenide, InAlAs. Semikondutturi komposti ta 'kwartnarju (erba' elementi) huma wkoll magħrufa u użati fil-mikroelettronika moderna.

L-abilità unika li tarmi d-dawl ta 'semikondutturi komposti hija dovuta għall-fatt li huma semikondutturi diretti tal-firxa tal-medda. It-Tabella 1 tindika liema semikondutturi għandhom din il-proprjetà. Il-wavelength tad-dawl mitfugħ minn apparat mibni minn semikondutturi diretti tal-band gap jiddependi fuq l-enerġija tal-band gap. Permezz ta 'inġinerija b'ħila tal-istruttura tal-band gap ta' apparati komposti mibnija minn semikondutturi komposti differenti bi spazji diretti tal-medda, l-inġiniera rnexxielhom jipproduċu apparati li jarmu d-dawl fi stat solidu li jvarjaw mil-lejżers użati f'komunikazzjonijiet tal-fibra ottika għal bozoz tad-dawl LED ta 'effiċjenza għolja. Diskussjoni dettaljata tal-implikazzjonijiet ta 'lakuni diretti kontra indiretti fil-medda ta' materjali semikondutturi hija lil hinn mill-ambitu ta 'dan ix-xogħol.

Semikondutturi komposti sempliċi u binarji jistgħu jiġu ppreparati bl-ingrossa, u wejfers ta 'kristall wieħed huma prodotti bi proċessi simili għal dawk użati fil-manifattura tal-wejfers tas-silikon. GaAs, InP u ingotti oħra ta 'semikondutturi komposti jistgħu jitkabbru bl-użu tal-metodu Czochralski jew Bridgman-Stockbarger b'wafers ippreparati b'mod simili għall-produzzjoni ta' wejfer tas-silikon. Il-kondizzjonament tal-wiċċ ta 'wejfers semikondutturi komposti, (jiġifieri, li jagħmluhom riflettivi u ċatti) huwa kkumplikat mill-fatt li mill-inqas żewġ elementi huma preżenti u dawn l-elementi jistgħu jirreaġixxu ma' sustanzi oħra li joborxu u li joborxu f'modi differenti.

Sistema Materjali	Isem	Formula	Differenza fl-Enerġija (eV)	Tip ta 'Banda (I=indiretta; D=diretta)
IV	Djamant	C	5.47	I
	Silikon	Si	1.124	I
	Ġermanju	Ġe	0.66	I
	Landa Griża	Sn	0.08	D
IV-IV	Karbur tas-Silikon	SiC	2.996	I
IV-IV	Silikon-Ġermanju	SixĠe1-x	Var.	I
IIV-V	Sulfid taċ-Ċomb	PbS	0.41	D
	Ċomb Selenide	PbSe	0.27	D
	Ċomb Telluride	PbTe	0.31	D
III-V	Nitrur tal-Aluminju	AlN	6.2	I
	Fosfidu tal-Aluminju	AlP	2.43	I
	Arsenidu tal-aluminju	AlAs	2.17	I
	Aluminju Antimonide	AlSb	1.58	I
	Nitroġenu tal-Gallju	GaN	3.36	D
	Gallium Phosphide	GaP	2.26	I
	Gallju Arsenid	GaAs	1.42	D
	Gallium Antimonide	GaSb	0.72	D
	Nitrur tal-Indju	InN	0.7	D
	Fosfidu tal-Indju	InP	1.35	D
	Indium Arsenide	InAs	0.36	D
	Indium Antimonide	InSb	0.17	D
II-VI	Sulfid taż-Żingu	ZnS	3.68	D
	Selenide taż-Żingu	ZnSe	2.71	D
	Telluride taż-Żingu	ZnTe	2.26	D
	Sulfid tal-Kadmju	CdS	2.42	D
	Selenid tal-Kadmju	CdSe	1.70	D
	Tellurur tal-Kadmju	CdTe	1.56	D

Tabella 1. Is-semikondutturi elementari u s-semikondutturi komposti binarji.

Purifikazzjoni tas-Silikon Polikristallin Elettroniku (Polysilicon)

Fabbrikazzjoni tal-Wafer tas-Silikon tal-Kristall Uniku

Produzzjoni ta 'Wafer ta' Semikondutturi Komposti

Industriji relatati

Ibgħat l-inkjesta