Silisyòm Wafer Pwodiksyon

Sous: mksinst.com

Elektwonik Klas Polikristalin Silisyòm (Polysilicon) pou pirifye

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

Figi 1. Schematic nan yon gwo founo dlo arc submerged yo itilize nan pwodiksyon MG-Si.

Siliconis dezyèm eleman ki pi abondan nan kwout latè (oksijèn se premye a). Li rive natirèlman nan silikate (Si-O ki gen) wòch ak grenn sab. Silisyòm nan eleman yo itilize nan fabrike aparèy semi-conducteurs pwodui nan kwats segondè pite ak sab kwatsit, ki gen enpurte relativman kèk. Silisyòm klas elektwonik, non yo itilize pou klas Silisyòm ki anplwaye nan fabrikasyon aparèy semi-kondiktè, se pwodwi yon chenn pwosesis ki kòmanse avèk konvèsyon sab kwatz oswa kwatsit nan "Silisyòm klas metaliji" (MG-Si), nan yon elektrik arc gwo founo dife (Figi 1) selon reyaksyon chimik la:

SiO2+ C → Si + CO2

Silisyòm prepare nan fason sa a yo rele "klas métallurgique" depi pi fò nan pwodiksyon nan mond lan aktyèlman ale nan fè asye. Li se sou 98% pi.MG-Si se pa pi bon kalite pou itilize dirèk nan fabrikasyon elektwonik. Yon ti fraksyon (5% - 10%) nan pwodiksyon atravè lemond MG-Si vin pi pirifye pou itilize nan fabrikasyon elektwonik. Pou pirifye MG-Si a semi-kondiktè (elektwonik) Silisyòm klas se yon pwosesis milti-etap, yo montre schematic nan Figi 2. Nan pwosesis sa a, MG-Si se premye tè nan yon boul-moulen yo pwodwi trè byen (75%< ; 40 µM) patikil ki Lè sa a, manje nan yon reyaktè kabann fluidize (FBR). Gen MG-Si a reyaji ak gaz asid idroklorik asid (HCl), nan 575 K (approx. 300ºC) selon reyaksyon an:

Si + 3HCl → SiHCl3+ H2

Reyaksyon idroklorinasyon an nan FBR a fè yon pwodwi gaz ki se apeprè 90% triklorosilane (SiHCl3). Rès 10% nan gaz ki pwodui nan etap sa a se sitou tetraklorosilan, SiCl4, ak kèk dichlorosilane, SiH2Cl2. Sa a se melanj gaz mete nan yon seri de distilasyon fraksyon ki pirifye trichlorosilane a ak kolekte epi re-itilize tetrachlorosilane a ak dichlorosilane pa-pwodwi yo. Pwosesis pou pirifye sa a pwodui triklorosilan trè pi ak enpurte pi gwo nan pati ki ba pou chak milya dola ranje. Pirifye, solid Silisyòm polikristalin pwodui nan gwo trichlorosilane pite lè l sèvi avèk yon metòd li te ye tankou "Pwosesis Siemens la." Nan pwosesis sa a, trichlorosilane a dilye ak idwojèn ak manje nan yon raktor chimik depo vapè. Gen, kondisyon yo reyaksyon yo ajiste pou ke Silisyòm polikristalin depoze sou baton Silisyòm elektrik-chofe selon do a nan reyaksyon an fòmasyon trichlorosilane:

SiHCl3+ H2→ Si + 3HC

By-pwodwi ki soti nan reyaksyon an depo (H2, HCl, SiHCl3, SiCl4ak SiH2Cl2) yo te kaptire ak resikle nan pwodiksyon trichlorosilane ak pwosesis pou pirifye jan yo montre nan Figi 2. Chimi nan pwodiksyon, pirifikasyon ak pwosesis depo Silisyòm ki asosye avèk semi-kondiktè Silisyòm klas la pi konplèks pase deskripsyon senp sa a. Genyen tou yon kantite chemistries altènatif ki ka, epi yo, itilize pou pwodiksyon polisilikon.

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

Figi 2. Dyagram koule pwosesis pou pwodiksyon an nan semi-conducteurs klas (elektwonik klas) Silisyòm.

Single Crystal Silisyòm Wafer fabrikasyon

Silisyòm gato yo tèlman abitye ak moun nan nou nan endistri semi-conducteurs yo aktyèlman tranch mens nan yon gwo kristal sèl nan Silisyòm ki te grandi nan fonn elektwonik klas Silisyòm polikristalin. Pwosesis la itilize nan ap grandi sa yo kristal sèl li te ye tankou pwosesis la Czochralski apre envanteur li yo, Jan Czochralski. Figi 3 montre sekans debaz la ak eleman ki enplike nan pwosesis Czochralski la.

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

Figi 3. Schematic nan pwosesis Czochralski (b) Ekipman pwosesis (repwodwi avèk pèmisyon, PVA TePla AG 2017).

Pwosesis Czochralski la te pote soti nan yon chanm evakyab, souvan refere yo kòm yon "kristal rale" ki kenbe yon gwo kriz, anjeneral kwatz, ak yon eleman chofaj elektrik (Figi 3 (a)). Semiconductor klas polysilicon se chaje (chaje) nan kriz la ansanm ak kantite lajan egzak nan nenpòt ki dopan tankou fosfò oswa bor ki ka bezwen bay gato yo pwodwi espesifye P oswa N karakteristik. Evakyasyon retire nenpòt lè nan chanm lan pou fè pou evite oksidasyon nan Silisyòm lan chofe pandan pwosesis kwasans lan. Kreze a chaje elektrik chofe nan yon tanperati ase yo fonn polisilikon la (pi gran pase 1421ºC). Yon fwa ke chaj la Silisyòm konplètman fonn, se yon ti kristal grenn, monte sou yon baton, bese nan Silisyòm lan fonn. Kristal la grenn se tipikman sou 5 mm an dyamèt ak jiska 300 mm nan longè. Li aji kòm yon "starter" pou kwasans lan nan kristal la Silisyòm pi gwo soti nan fonn lan. Se kristal la pitit pitit monte sou baton an ak yon fasèt li te ye kristal vètikal oryante nan fonn lan (fasèt kristal yo defini nan "Miller endis"). Nan ka kristal grenn, aspè ki gen endis Miller nan< 100>="">< 110=""> oswa< 111=""> yo tipikman chwazi. Kwasans lan kristal soti nan fonn lan pral konfòme yo ak oryantasyon inisyal sa a, bay final la gwo kristal sèl yon oryantasyon kristal li te ye. Apre imèsyon nan fonn lan, kristal pitit pitit la tou dousman (kèk cm / èdtan) rale soti nan fonn lan kòm kristal la pi gwo ap grandi. Vitès la rale detèmine dyamèt final la nan kristal la gwo. Tou de kristal la ak kreze a yo vire toutotou pandan yon rale kristal amelyore omojeneite a nan distribisyon an kristal ak dopan. Kristal final la gwo se silendrik nan fòm; yo rele sa yon "boule." Kwasans Czochralski se metòd ki pi ékonomi pou pwodiksyon boul kristal Silisyòm apwopriye pou pwodwi gato Silisyòm pou fabrike aparèy semi-kondiktè jeneral (ke yo rekonèt kòm gato CZ). Metòd la ka fòme boules gwo ase yo pwodwi gato Silisyòm jiska 450 mm an dyamèt. Sepandan, metòd la gen sèten limit. Depi boule a grandi nan yon kwats (SiO2) kriz, kèk kontaminasyon oksijèn toujou prezan nan Silisyòm lan (tipikman 1018 atòm cm-3 oswa 20 ppm). Kreze grafit yo te itilize pou fè pou evite kontaminasyon sa a, sepandan yo pwodwi enpurte kabòn nan Silisyòm lan, kwake nan yon lòd nan grandè pi ba nan konsantrasyon. Tou de oksijèn ak enpurte kabòn pi ba longè difizyon konpayi asirans lan minor nan plat la Silisyòm final la. Dopan omojèn nan direksyon axial ak radial limite tou nan Czochralski Silisyòm, sa ki fè li difisil pou jwenn gato ak rezistivite ki pi gran pase 100 ohm-cm.

Pi wo Silisyòm pite ka pwodwi pa yon metòd ke yo rekonèt kòm Flote Zòn (FZ) raffinage. Nan metòd sa a, yon ingot Silisyòm polikristalin monte vètikal nan chanm kwasans lan, swa anba vakyòm oswa atmosfè inaktif. Lingote a pa an kontak ak nenpòt nan eleman chanm yo eksepte pou gaz anbyen ak yon kristal grenn nan oryantasyon li te ye nan baz li (Figi 4). Ingot la chofe lè l sèvi avèk bobin ki pa kontak radyo-frekans (RF) ki etabli yon zòn nan materyèl fonn nan ingot la, tipikman sou 2 cm epè. Nan pwosesis FZ la, baton an deplase vètikal anba, sa ki pèmèt zòn nan fonn pou avanse pou pi longè nan eboch la, pouse enpurte devan yo nan fonn lan epi kite dèyè trè pirifye sèl kristal Silisyòm. Gaufrettes Silisyòm FZ gen résistivités byen wo tankou 10,000 ohm-cm.

Figi 4. Flote zòn kristal kwasans konfigirasyon.

Yon fwa boule Silisyòm lan te kreye, li koupe an longè jere ak chak longè tè a dyamèt la vle. Plat oryantasyon ki endike dopan Silisyòm lan ak oryantasyon pou gato ki gen mwens pase 200 mm dyamèt yo tou tè nan boule a nan etap sa a. Pou gato ki gen dyamèt mwens pase 200 mm, prensipal (pi gwo) plat la oryante pèpandikilè ak yon aks kristal espesifye tankou< 111=""> oswa< 100=""> (gade Figi 5). Segondè (ki pi piti) plat endike si wi ou non yon plat se swa p-kalite oswa n-kalite. 200 mm (8-pous) ak 300 mm (12-pous) gato sèvi ak yon dan sèl oryante aks kristal la espesifye ki endike oryantasyon wafer ki pa gen okenn endikatè pou kalite dopan. Figi 3 montre relasyon ki genyen ant kalite wafer ak plasman nan plat sou kwen an wafer.

Wafer flat designators for different wafer orientation and doping

Figi 5. Wafer deziyatè plat pou diferan oryantasyon wafer ak dopan.

Apre boule a te tè a dyamèt la vle ak plat yo te kreye, li koupe an tranch mens lè l sèvi avèk swa yon dyaman enkruste lam oswa yon fil asye. Bor yo nan tranch Silisyòm yo anjeneral awondi nan etap sa a. Mak lazè ki deziyen kalite Silisyòm, rezistivite, manifakti, elatriye yo ajoute tou tou pre plat prensipal la nan moman sa a. Tou de sifas yo nan tranch la fini yo tè ak lapped yo pote tout nan tranch yo nan yon epesè espesifye ak tolerans epatman. Manje pote tranch la nan yon epesè ki graj ak tolerans epatman apre ki pwosesis la lapping retire ti jan an dènye nan materyèl vle soti nan figi yo tranch, kite yon lis, plat, sifas unpolished. Lapping tipikman reyalize tolerans ki gen mwens pase 2.5 µm inifòmite nan plat plat wafer.

Etap final la nan envantè Silisyòm wafer enplike chimikmangravelwen nenpòt kouch sifas ki ka akimile domaj kristal ak kontaminasyon pandan siye, fanm k'ap pile ak lapping; ki te swiv pachimik polisaj mekanik(CMP) yo pwodwi yon sifas trè meditativ, grafouyen ak domaj gratis sou yon bò nan plat la. Etch chimik la akonpli lè l sèvi avèk yon solisyon ègzant nan asid fluoridrik (HF) melanje ak asid nitrique ak acetic ki ka fonn Silisyòm. Nan CMP, tranch Silisyòm yo monte sou yon konpayi asirans epi yo mete yo nan yon machin CMP kote yo sibi konbine polisaj chimik ak mekanik. Tipikman, CMP anplwaye yon pad an poliyiretàn difisil polisaj konbine avèk yon sispansyon nan tise byen dispèse alumina oswa silica patikil abrazif nan yon solisyon alkalin. Pwodwi a fini nan pwosesis la CMP se wafer a Silisyòm ke nou, kòm itilizatè, yo abitye avèk yo. Li te gen yon trè meditativ, grafouyen ak domaj gratis sifas sou yon bò ki te sou aparèy semi-conducteurs dwe fabrike.

Konpoze Semiconductor Wafer Pwodiksyon

Semiconductors konpoze yo se materyèl enpòtan nan anpil aparèy elektwonik espesyalite militè ak lòt tankou lazer, aparèy elektwonik-wo frekans, poul, récepteurs optik, opto-elektwonik sikwi entegre, elatriye GaN te souvan itilize nan anpil diferan aplikasyon pou komèsyal dirije depi ane 1990 .

Tablo 1 bay yon lis semi-conducteurs eleman ak binè (de eleman) yo ansanm ak nati espas gap yo ak grandè li yo. Anplis de semi-conducteurs yo konpoze binè, semi-conducteurs konpoze tènè (twa eleman) yo konnen tou epi yo itilize nan fabwikasyon aparèy. Semiconductors konpoze Ternary gen ladan materyèl tankou asenid galyòm aliminyòm, AlGaAs, asenid galyòm endyòm, InGaAs ak asenid aliminyòm endyòm, InAlAs. Semikondiktè konpoze katriyèm (kat eleman) yo konnen tou epi itilize nan mikwoelektronik modèn.

Kapasite inik limyè-émettant nan semi-conducteurs konpoze se akòz lefèt ke yo se semi-conducteurs dirèk bann band. Tablo 1 vle di ki semi-conducteurs posede pwopriyete sa a. Longèdonn limyè ki emèt pa aparèy ki bati nan semi-conducteurs dirèk bann espas depann de enèji gap bann lan. Pa abilman jeni estrikti a espas bann nan aparèy konpoze bati soti nan diferan semi-kondiktè konpoze ak twou vid ki genyen bann dirèk, enjenyè yo te kapab pwodwi solid eta limyè émettant aparèy ki varye ant lazer yo itilize nan kominikasyon fib optik nan efikasite segondè ki ap dirije anpoul limyè. Yon diskisyon detaye sou enplikasyon yo nan lakun dirèk kont endirèk bann nan materyèl semi-conducteurs se pi lwen pase sijè ki abòde lan travay sa a.

Senp, semi-conducteurs konpoze binè yo ka prepare nan esansyèl, ak gato sèl kristal yo pwodwi pa pwosesis ki sanble ak sa yo itilize nan Silisyòm wafer fabrikasyon. GaAs, InP ak lòt lengote semi-conducteurs konpoze ka grandi lè l sèvi avèk swa metòd la Czochralski oswa Bridgman-Stockbarger ak gato prepare nan yon fason ki sanble ak pwodiksyon wafer Silisyòm. Kondisyone andigman nan gato semi-kondiktè konpoze, (sa vle di, ki fè yo meditativ ak plat) konplike pa lefèt ke omwen de eleman yo prezan ak eleman sa yo ka reyaji avèk elatriye ak abrazif nan mod diferan.

Sistèm materyèl	Non	Fòmil	Enèji Gap (eV)	Kalite Gwoup Mizik (I=endirèk; D=dirèk)
IV	Diamond	C	5.47	I
	Silisyòm	Si	1.124	I
	Germanium	Ge	0.66	I
	Gri eten	Sn	0.08	D
IV-IV	Silisyòm Carbide	SiC	2.996	I
IV-IV	Silisyòm-Germanium	SixGe1-x	Var.	I
IIV-V	Sulfid plon	PbS	0.41	D
	Plon Selenid	PbSe	0.27	D
	Plon Telluride	PbTe	0.31	D
III-V	Nitrid aliminyòm	AlN	6.2	I
	Fosfid aliminyòm	AlP	2.43	I
	Aliminyòm asenid	AlAs	2.17	I
	Antimonide aliminyòm	AlSb	1.58	I
	Galyòm Nitride	GaN	3.36	D
	Galyòm fosfid	GaP	2.26	I
	Galyòm asenid	GaAs	1.42	D
	Galyòm Antimonide	GaSb	0.72	D
	Nitrat Endyòm	Lotel	0.7	D
	Indium Phosphide	InP	1.35	D
	Endyòm asenid	InAs	0.36	D
	Indium Antimonide	InSb	0.17	D
II-VI	Sulfid Zenk	ZnS	3.68	D
	Zenk Selenid	ZnSe	2.71	D
	Zenk Telluride	ZnTe	2.26	D
	Sulfid Kadmyòm	CD	2.42	D
	Kadmyòm Selenid	CdSe	1.70	D
	Kadmyòm telurid	CdTe	1.56	D

Tablo 1. Semiconductors yo eleman ak semi-conducteurs yo konpoze binè.

Elektwonik Klas Polikristalin Silisyòm (Polysilicon) pou pirifye

Single Crystal Silisyòm Wafer fabrikasyon

Konpoze Semiconductor Wafer Pwodiksyon

Endistri yo ki

Voye rechèch