تولید ویفر سیلیکون - دانش

منبع: mksinst.com

تصفیه سیلیکون پلی کریستال درجه الکترونی (پلی سیلیکون)

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

شکل 1. شماتیک یک کوره قوس الکتریکی الکترود غوطه ور که در تولید MG-Si استفاده می شود.

سیلیکونیس دومین عنصر فراوان در پوسته زمین است (اولین اکسیژن است). به طور طبیعی در سنگها و ماسه های سیلیکات (حاوی Si-O) وجود دارد. سیلیکون بنیادی مورد استفاده در ساخت دستگاه های نیمه هادی از شن کوارتز و کوارتزیت با خلوص بالا تولید می شود که حاوی ناخالصی های نسبتاً کمی است. سیلیکون درجه الکترونیکی ، نامی که برای گرید سیلیکون مورد استفاده در ساخت دستگاه های نیمه رسانا استفاده می شود ، محصول زنجیره ای از فرایندها است که با تبدیل شن کوارتز یا کوارتزیت به "سیلیکون درجه متالورژی" (MG-Si) در یک الکتریکی آغاز می شود. کوره قوس (شکل 1) با توجه به واکنش شیمیایی:

SiO2+ C → Si + شرکت2

سیلیکونی که به این روش تهیه می شود "گرید متالورژی" نام دارد زیرا بیشتر تولیدات جهان در واقع به فولاد سازی می رسد. این حدود 98٪ خالص است. MG-Si برای استفاده مستقیم در تولید الکترونیک به اندازه کافی خالص نیست. بخش کوچکی (5٪ - 10٪) از تولید جهانی MG-Si برای استفاده در تولید الکترونیک بیشتر خالص سازی می شود. تصفیه سیلیسیم درجه MG-Si به نیمه هادی (الکترونیکی) یک فرآیند چند مرحله ای است که به صورت شماتیک در شکل 2 نشان داده شده است. ؛ 40 میکرومولار) ذراتی که سپس به یک راکتور بستر سیال (FBR) منتقل می شوند. در آنجا MG-Si با گاز اسید کلریدریک بی آب (HCl) با دمای 575 K (تقریباً 300 درجه سانتیگراد) مطابق واکنش واکنش می دهد:

Si + 3HCl → SiHCl3+ H2

واکنش هیدروکلرینه در FBR باعث تولید محصولی گازی می شود که حدود 90٪ تری کلروسیلان است (SiHCl3) 10٪ باقیمانده گاز تولید شده در این مرحله بیشتر تتراکلروزیلان ، SiCl است4، با مقداری دی کلروسیلان ، SiH2Cl2. این مخلوط گاز از طریق یک سری تقطیرهای کسری انجام می شود که تری کلروسیلان را تصفیه می کند و محصولات جانبی تتراکلروزیلان و دی کلروسیلان را جمع آوری و استفاده مجدد می کند. این فرآیند تصفیه تری کلروسیلان بسیار خالص با ناخالصی های عمده در قسمتهای پایین در هر میلیارد تولید می کند. سیلیکون پلی کریستالی خالص و جامد از تری کلروسیلان با خلوص بالا با استفاده از روشی به نام "فرآیند زیمنس" تولید می شود. در این فرآیند ، تری کلروسیلان با هیدروژن رقیق شده و به یک راکتور رسوب بخار شیمیایی خورانده می شود. در آنجا ، شرایط واکنش به گونه ای تنظیم می شود که سیلیکون پلی کریستالی بر اساس عکس واکنش واکنش تشکیل تری کلروسیلان بر روی میله های سیلیکون گرم شده قرار گیرد:

SiHCl3+ H2→ Si + 3HC

محصولات جانبی حاصل از واکنش رسوب (H2، HCl ، SiHCl3، SiCl4و SiH2Cl2) از طریق فرآیند تولید و خالص سازی تری کلروسیلان گرفته و بازیافت می شود ، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است. شیمی فرآیندهای تولید ، تصفیه و رسوب سیلیکون مرتبط با سیلیکون درجه نیمه هادی پیچیده تر از این توصیف ساده است. همچنین تعدادی شیمی شیمی جایگزین نیز وجود دارد که می تواند برای تولید پلی سیلیکون مورد استفاده قرار گیرد.

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

شکل 2. نمودار جریان فرآیند برای تولید سیلیکون درجه نیمه هادی (درجه الکترونیکی).

ساخت ویفر سیلیکون تک کریستال

ویفرهای سیلیکونی که برای ما در صنعت نیمه هادی بسیار آشنا هستند ، در واقع برشهای نازکی از یک بلور بزرگ سیلیکون است که از سیلیکون پلی کریستالی ذوب شده درجه الکترونیکی رشد کرده است. فرآیندی که در رشد این تک بلورها استفاده می شود به نام فرایند Czochralski پس از مخترع آن ، Jan Czochralski شناخته می شود. شکل 3 توالی اساسی و م componentsلفه های دخیل در روند Czochralski را نشان می دهد.

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

شکل 3. شماتیک فرآیند Czochralski (ب) تجهیزات فرایند (تولید مجدد با مجوز ، PVA TePla AG 2017).

روند Czochralski در یک محفظه قابل تخلیه انجام می شود ، که معمولاً "کشش کریستال" نامیده می شود و دارای یک بوته بزرگ ، معمولاً کوارتز و یک عنصر گرم کننده الکتریکی است (شکل 3 (a)). پلی سیلیکون درجه نیمه رسانا همراه با مقادیر دقیق هر نوع ماده خنثی کننده مانند فسفر یا بور که ممکن است برای دادن ویفرهای محصول به مشخصات P یا N مشخص شود ، در بوته بارگیری می شود (شارژ می شود). تخلیه برای جلوگیری از اکسید شدن سیلیکون گرم شده در طی فرایند رشد ، هوای محفظه را از بین می برد. بوته شارژ شده به صورت الکتریکی گرم می شود و در دمای کافی برای ذوب پلی سیلیکون (بیش از 1421 درجه سانتیگراد) گرم می شود. هنگامی که بار سیلیکون کاملاً ذوب شد ، یک کریستال کوچک دانه ، سوار بر یک میله ، درون سیلیکون مذاب پایین می آید. قطر کریستال بذر به طور معمول حدود 5 میلی متر و طول آن تا 300 میلی متر است. این ماده به عنوان "شروع کننده" رشد کریستال سیلیسیم بزرگتر از مذاب عمل می کند. کریستال بذر بر روی میله نصب می شود که دارای یک وجه بلور شناخته شده است که به صورت عمودی در مذاب قرار گرفته است (وجوه کریستال توسط "شاخص های میلر" تعریف می شوند). در مورد بلورهای دانه ، وجوهی با شاخص های میلر< ؛ 100> ؛ ،< ؛ 110> ؛ یا< ؛ 111> ؛ به طور معمول انتخاب می شوند. رشد کریستال حاصل از مذاب با این جهت اولیه مطابقت خواهد داشت و جهت گیری بلوری تک بزرگ نهایی را نشان می دهد. پس از غوطه ور شدن در مذاب ، با رشد کریستال بزرگتر ، کریستال بذر به آرامی (چند سانتی متر در ساعت) از مذاب کشیده می شود. سرعت کشش قطر نهایی بلور بزرگ را تعیین می کند. هر دو کریستال و بوته در طی یک کشش کریستال چرخانده می شوند تا همگنی توزیع کریستال و دوپانت را بهبود بخشد. کریستال بزرگ نهایی استوانه ای شکل است. به آن "بول" گفته می شود. رشد Czochralski مقرون به صرفه ترین روش برای تولید بول های کریستال سیلیکون مناسب برای تولید ویفر سیلیکون برای ساخت دستگاه های نیمه هادی عمومی است (معروف به ویفرهای CZ). این روش می تواند بول هایی را به اندازه ای بزرگ تولید کند که ویفرهای سیلیکونی با قطر تا 450 میلی متر تولید کنند. با این حال ، این روش محدودیت های خاصی دارد. از آنجا که بول در کوارتز (SiO) پرورش داده می شود2) بوته ای ، مقداری آلودگی اکسیژن همیشه در سیلیکون وجود دارد (به طور معمول 1018 اتم در سانتی متر -3 یا 20 ppm) از بوته های گرافیت برای جلوگیری از این آلودگی استفاده شده است ، با این وجود آنها ناخالصی های کربن را در سیلیکون تولید می کنند ، البته در یک مرتبه از غلظت کمتر. ناخالصی های اکسیژن و کربن طول انتشار حامل اقلیت را در ویفر سیلیکون نهایی کاهش می دهند. همگنی دوپانت در جهات محوری و شعاعی نیز در سیلیکون Czochralski محدود است و بدست آوردن ویفرهایی با مقاومت بیشتر از 100 اهم سانتی متر دشوار است.

سیلیکون با خلوص بالاتر می تواند با روشی شناخته شود که به عنوان تصفیه کننده منطقه شناور (FZ) شناخته می شود. در این روش ، شمش پلی کریستالی سیلیکون به صورت عمودی در محفظه رشد ، یا در فضای خلاuum یا بی اثر نصب می شود. شمش با هیچ یک از اجزای محفظه به جز گاز محیط و یک کریستال بذر با جهت گیری شناخته شده در قاعده آن در تماس نیست (شکل 4) شمش با استفاده از سیم پیچ فرکانس رادیویی (RF) غیر تماسی که ناحیه ای از مواد ذوب شده را در شمش ایجاد می کند ، ضخامت معمولاً حدود 2 سانتی متر ، گرم می شود. در فرآیند FZ ، میله به صورت عمودی رو به پایین حرکت می کند ، به منطقه ذوب اجازه می دهد تا طول شمش را به سمت بالا حرکت دهد ، ناخالصی ها را جلوتر از ذوب فشار دهد و سیلیکون تک کریستال کاملا خالص را پشت سر بگذارد. ویفرهای سیلیکونی FZ مقاومت خاصی تا 10،000 ohm-cm دارند.

شکل 4. پیکربندی رشد بلور منطقه شناور.

هنگامی که بول سیلیکون ایجاد شد ، به طول قابل کنترل و هر طول به قطر مورد نظر خرد می شود. آپارتمان های جهت گیری که نشان دهنده دوپینگ و جهت گیری سیلیکون برای ویفرهای با قطر کمتر از 200 میلی متر است نیز در این مرحله به بول تبدیل می شوند. برای ویفرهایی با قطر کمتر از 200 میلی متر ، مسطح اصلی (بزرگترین) عمود بر یک محور بلوری مشخص مانند< ؛ 111> است. یا< ؛ 100> ؛ (شکل 5 را ببینید). آپارتمان های ثانویه (کوچکتر) نشان می دهد که ویفر از نوع p یا نوع n است. ویفرهای 200 میلی متر (8 اینچ) و 300 میلی متر (12 اینچ) از یک بریدگی جهت محور کریستال مشخص شده استفاده می کنند تا جهت ویفر را بدون نشانگر برای نوع دوپینگ نشان دهد. شکل 3 رابطه بین نوع ویفر و قرارگیری آپارتمان ها در لبه ویفر را نشان می دهد.

Wafer flat designators for different wafer orientation and doping

شکل 5. ویفرهای مسطح ویفر جهت جهت گیری ویفر متفاوت و دوپینگ.

بعد از اینکه بول به قطر مورد نظر چرخ شد و آپارتمان ها ایجاد شد ، با استفاده از یک تیغه الماس یا یک سیم فولادی به برش های نازک برش داده می شود. لبه های برش های سیلیکون معمولاً در این مرحله گرد می شوند. مارک های لیزری با تعیین نوع سیلیکون ، مقاومت ، تولید کننده و غیره نیز در این زمان در نزدیکی تخت اولیه اضافه می شوند. هر دو سطح قطعه ناتمام آسیاب شده و لبه خورده اند تا همه برش ها در حد تحمل ضخامت و صافی قرار گیرند. پس از خرد کردن ، قطعه به ضخامت ضخیم و تحمل صافی منتقل می شود و پس از آن فرآیند لپ کردن ، آخرین ذره از مواد ناخواسته را از سطح ورقه ها خارج می کند و یک سطح صاف ، صاف و غیر صیقلی باقی می گذارد. لپینگ معمولاً به تحمل کمتر از 2.5 میکرومتر یکنواختی در صافی سطح ویفر دست می یابد.

مرحله آخر در تولید ویفر سیلیکون از نظر شیمیایی انجام می شودقلم زنیلایه های سطحی را که ممکن است در هنگام اره ، سنگ زنی و برش ، کریستال آسیب دیده و آلودگی داشته باشد ، دور کنید. به دنبالپرداخت مکانیکی شیمیایی(CMP) برای ایجاد یک سطح آزاد بسیار بازتابنده ، خراشنده و آسیب دیده در یک طرف ویفر. اچ شیمیایی با استفاده از یک محلول اچ اسید هیدروفلوئوریک (HF) مخلوط با اسیدهای نیتریک و استیک انجام می شود که می تواند سیلیسیم را حل کند. در CMP ، برشهای سیلیکون بر روی یک حامل سوار می شوند و در دستگاه CMP قرار می گیرند در جایی که تحت پرداخت ترکیبی شیمیایی و مکانیکی قرار می گیرند. به طور معمول ، CMP از یک پد پولیش سخت پلی اورتان همراه با دوغاب ذرات ساینده آلومینا یا سیلیس ریز پراکنده در یک محلول قلیایی استفاده می کند. محصول نهایی فرآیند CMP ویفر سیلیکونی است که ما به عنوان کاربر با آن آشنا هستیم. این یک سطح کاملاً بازتابنده ، خراشنده و آسیب دیده در یک طرف دارد که می توان وسایل نیمه هادی را روی آن ساخت.

تولید ویفر نیمه هادی مرکب

نیمه هادیهای ترکیبی از مواد مهم در بسیاری از دستگاههای الکترونیکی نظامی و تخصصی دیگر مانند لیزر ، دستگاههای الکترونیکی با فرکانس بالا ، LED ، گیرنده های نوری ، مدارهای مجتمع الکترونیکی الکترونیکی و غیره هستند. GaN از دهه 1990 معمولاً در کاربردهای مختلف LED تجاری استفاده می شود .

جدول 1 لیستی از نیمه هادیهای ترکیبی عنصری و باینری (دو عنصر) همراه با ماهیت شکاف باند و اندازه آن را ارائه می دهد. علاوه بر نیمه هادی های ترکیبی باینری ، نیمه هادی های ترکیبی سه تایی (سه عنصر) نیز شناخته شده و در ساخت دستگاه مورد استفاده قرار می گیرند. نیمه هادی های ترکیبی سه تایی شامل موادی مانند آلومینیوم گالیم آرسنید ، AlGaAs ، ایندیم گالیوم آرسنید ، InGaAs و ایندیم آلومینیم آرسنید ، InAlAs هستند. نیمه هادیهای ترکیبی رباعی (چهار عنصر) نیز در میکرو الکترونیک مدرن شناخته شده و مورد استفاده قرار می گیرند.

توانایی منحصر به فرد در تابش نور نیمه هادی های مرکب به دلیل نیمه هادی های شکاف باند مستقیم است. جدول 1 نشان می دهد که کدام نیمه هادی ها دارای این ویژگی هستند. طول موج نور ساطع شده توسط دستگاه های ساخته شده از نیمه هادی های شکاف باند مستقیم به انرژی شکاف باند بستگی دارد. مهندسان با مهندسی ماهرانه ساختار شکاف باند دستگاههای کامپوزیتی ساخته شده از نیمه هادیهای مرکب مختلف با شکافهای باند مستقیم ، توانسته اند دستگاههای ساطع کننده نور حالت جامد تولید کنند که از لیزرهای مورد استفاده در ارتباطات فیبر نوری گرفته تا لامپ های LED با بازده بالا تولید می شود. بحث مفصلی درباره پیامدهای شکاف باند مستقیم در مقابل غیرمستقیم در مواد نیمه هادی فراتر از محدوده این کار است.

نیمه هادی های ترکیبی ساده و دودویی را می توان به صورت فله تهیه کرد و ویفرهای تک کریستالی با فرایندهایی مشابه فرآیند تولید ویفر سیلیکون تولید می شوند. GaAs ، InP و سایر شمش های نیمه هادی مرکب را می توان با استفاده از روش Czochralski یا Bidgman-Stockbarger و ویفرهای تهیه شده به روشی مشابه تولید ویفر سیلیکون پرورش داد. تهویه سطح ویفرهای نیمه رسانای مرکب ، (به عنوان مثال ، انعکاسی و صاف ساختن آنها) با این واقعیت که حداقل دو عنصر وجود دارد و این عناصر می توانند با مد های مختلف با مواد ساینده و ساینده واکنش دهند ، پیچیده است.

سیستم مواد	نام	فرمول	شکاف انرژی (eV)	نوع باند (I=غیر مستقیم ؛ D=مستقیم)
چهارم	الماس	C	5.47	I
	سیلیکون	سی	1.124	I
	ژرمانیوم	GE	0.66	I
	قلع خاکستری	Sn	0.08	D
IV-IV	سیلیکون کاربید	SiC	2.996	I
IV-IV	سیلیکون-ژرمانیم	سیxGE1-x	Var	I
IIV-V	سولفید سرب	PbS	0.41	D
	سلنید سرب	PbSe	0.27	D
	سرب تلوراید	PbTe	0.31	D
III-V	نیترید آلومینیوم	AlN	6.2	I
	فسفید آلومینیوم	AlP	2.43	I
	آرسنید آلومینیوم	AlAs	2.17	I
	آنتیمونید آلومینیوم	AlSb	1.58	I
	گالیم نیترید	GaN	3.36	D
	فسفید گالیم	شکاف	2.26	I
	گالیم آرسنید	GaAs	1.42	D
	گالیم آنتیمونید	GaSb	0.72	D
	نیترید ایندیوم	InN	0.7	D
	فسفید ایندیوم	InP	1.35	D
	آرسنید ایندیوم	InAs	0.36	D
	آنتیمونید ایندیوم	InSb	0.17	D
II-VI	سولفید روی	ZnS	3.68	D
	سلنید روی	ZnSe	2.71	D
	روی تلوراید	ZnTe	2.26	D
	سولفید کادمیوم	CdS	2.42	D
	کادمیوم سلناید	CdSe	1.70	D
	کادمیوم تلوراید	CdTe	1.56	D

میز 1. نیمه هادیهای بنیادی و نیمه هادیهای ترکیبی باینری.