سيليكون ويفر الإنتاج

المصدر: mksinst.com

تنقية البوليبلوراتالين الإلكترونية الصف (Polysilicon)

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

الشكل 1. التخطيطي لقوس قطب مغمورة المستخدمة في إنتاج MG-Si.

السيليكون هو العنصر الثاني الأكثر وفرة في القشرة الأرضية (الأكسجين هو الأول). يحدث بشكل طبيعي في السيليكات (سي-O تحتوي على) الصخور والرمال. يتم إنتاج السيليكون العنصرى المستخدم فى تصنيع جهاز أشباه الموصلات من رمال الكوارتز والكوارتز العالية النقاوة ، والتي تحتوي على عدد قليل نسبيا من الشوائب. السيليكون الصف الإلكترونية، الاسم المستخدم لصف السيليكون المستخدمة في تصنيع الأجهزة أشباه الموصلات، هو نتاج سلسلة من العمليات بدءا من تحويل الرمال الكوارتز أو الكوارتز إلى "السيليكون الصف المعدني" (MG-Si)، في فرن قوس كهربائي (الشكل 1) وفقا للتفاعل الكيميائي:

سيو2+ C → سي + CO2

ويسمى السيليكون أعدت في هذه الطريقة "الصف المعدني" لأن معظم الإنتاج في العالم يذهب في الواقع إلى صناعة الصلب. هو حوالي 98% نقية. MG-Si ليست نقية بما فيه الكفاية للاستخدام المباشر في تصنيع الالكترونيات. جزء صغير (5% – 10%) من إنتاج في جميع أنحاء العالم من MG-سي يحصل على مزيد من تنقية للاستخدام في تصنيع الالكترونيات. تنقية MG-Si إلى أشباه الموصلات (الإلكترونية) الصف السيليكون هو عملية متعددة الخطوات، ويظهر في شكل تخطيطي 2. في هذه العملية ، MG - Si هو الأرض الأولى في الكرة مطحنة لإنتاج غرامة جدا (75 ٪< 40="" µm)="" particles="" which="" are="" then="" fed="" to="" a="" fluidized="" bed="" reactor="" (fbr).="" there="" the="" mg-si="" reacts="" with="" anhydrous="" hydrochloric="" acid="" gas="" (hcl),="" at="" 575="" k="" (approx.="" 300ºc)="" according="" to="" the="">

Si + 3HCl → SiHCl3+ حاء2

تفاعل الكلور في FBR يجعل منتج غازي حوالي 90٪ ثلاثي الكلوروزيلين (SiHCl3). ال 10% المتبقية من الغاز المنتجة في هذه الخطوة هي في معظمها رباعي الكلوروسيلين، سيكل4، مع بعض ديكلوروسيلين، SiH2Cl2. يتم وضع هذا الخليط الغاز من خلال سلسلة من التقطير الكسور التي تنقية ثلاثي الكلوروزيلين وجمع وإعادة استخدام رابع الكلوروسيلين والمنتجات الثانوية ديكلوروزيلين. هذه عملية تنقية تنتج تريكلوروسيلين نقية للغاية مع الشوائب الرئيسية في أجزاء منخفضة في مجموعة مليار. يتم إنتاج السيليكون المنقى والصلب من ثلاثي الكلوروسلين عالي النقاوة باستخدام طريقة تعرف باسم "عملية سيمنز". في هذه العملية، يتم تخفيف ثلاثي الكلوروزيلين مع الهيدروجين وتغذية لمفاعل ترسب بخار كيميائي. هناك، يتم ضبط حالات التفاعل بحيث يتم إيداع السيليكون متعدد البلورات على قضبان السيليكون ساخنة كهربائيا وفقا لعكس تفاعل تشكيل ثلاثي الكلوروزيلان:

سيهكل3+ حاء2→ Si + 3HC

المنتجات الثانوية من رد فعل الترسب (H2، HCl, SiHCl3، سيكل4و SiH2Cl2) يتم التقاطها وإعادة تدويرها من خلال عملية إنتاج وتنقية ثلاثي الكلوروسلين كما هو مبين في الشكل 2. كيمياء عمليات الإنتاج والتنقية وترسب السيليكون المرتبطة بأشباه الموصلات السيليكون أكثر تعقيدا من هذا الوصف البسيط. وهناك أيضا عدد من الكيمياء البديلة التي يمكن، ويتم، وتستخدم لإنتاج البولي سيلكون.

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

الشكل 2. مخطط تدفق العملية لإنتاج أشباه الموصلات الصف (الصف الإلكتروني) السيليكون.

واحد الكريستال سيليكون رقاقة تلفيق

رقائق السيليكون مألوفة جدا لأولئك منا في صناعة أشباه الموصلات هي في الواقع شرائح رقيقة من الكريستال واحد كبير من السيليكون التي كانت تزرع من السيليكون متعدد البلورات الإلكترونية الصف ذاب. ومن المعروف أن العملية المستخدمة في زراعة هذه البلورات واحدة كما هو الحال في عملية Czochralski بعد مخترعها، يان Czochralski. ويبين الشكل 3 التسلسل الأساسي والمكونات التي تنطوي عليها عملية Czochralski.

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

الشكل 3. التخطيطي لعملية Czochralski (ب) معدات المعالجة (مستنسخة بإذن، PVA TePla AG 2017).

تتم عملية Czochralski في غرفة قابلة للتدمير ، ويشار إليها عادة باسم "سحب الكريستال" الذي يحمل بوتقة كبيرة ، عادة الكوارتز ، وعنصر التدفئة الكهربائية (الشكل 3 (أ)). يتم تحميل أشباه الموصلات من الدرجة polysilicon (مشحونة) في بوتقة جنبا إلى جنب مع كميات دقيقة من أي ملوثات احام مثل الفوسفور أو البورون التي قد تكون هناك حاجة لإعطاء رقائق المنتج المحدد P أو خصائص N. إزالة أي تهيّم هواء من الغرفة لتجنب أكسدة السيليكون الساخن أثناء عملية النمو. يتم تسخين البوتقة المشحونة كهربائيًا إلى درجة حرارة كافية لإذابة البولي سيلكون (أكبر من 1421 درجة مئوية). بمجرد أن تذوب شحنة السيليكون بالكامل ، يتم إنزال بلورة بذور صغيرة ، مثبتة على قضيب ، في السيليكون المنصهر. الكريستال البذور عادة حوالي 5 ملم في القطر و تصل إلى 300 مم طويلة. وهو بمثابة "بداية" لنمو أكبر الكريستال السيليكون من تذوب. يتم تركيب الكريستال البذور على قضيب مع وجه الكريستال المعروفة موجهة عموديا في ذوبان (يتم تعريف الأوجه البلورية من قبل "مؤشرات ميلر"). في حالة بلورات البذور، أوجه وجود مؤشرات ميلر من<100>,<110>او<111>يتم اختيارها عادة. سوف يتوافق نمو البلورات من الذوبان مع هذا التوجه الأولي ، مما يعطي الكريستالة الكبيرة النهائية ذات اتجاه بلوري معروف. بعد الانغماس في الذوبان ، يتم سحب بلورات البذور ببطء (بضع سم / ساعة) من الذوبان مع نمو الكريستال الأكبر. سرعة السحب يحدد القطر النهائي للكريستال كبيرة. يتم تدوير كل من الكريستال وبوتقة أثناء سحب الكريستال لتحسين تجانس البلورة وتوزيع dopant. البلورة الكبيرة النهائية أسطوانية الشكل. يطلق عليه "بول". Czochralski النمو هو الأسلوب الأكثر اقتصادا لإنتاج بوليات الكريستال السيليكون مناسبة لإنتاج رقائق السيليكون لتصنيع جهاز أشباه الموصلات العامة (المعروفة باسم رقائق CZ). يمكن أن تشكل هذه الطريقة boules كبيرة بما يكفي لإنتاج رقائق السيليكون تصل إلى 450 ملم في القطر. ومع ذلك، الأسلوب له قيود معينة. منذ يزرع بول في الكوارتز (SiO2) بوتقة، بعض التلوث بالأكسجين موجود دائماً في السيليكون (عادة 1018 ذرة سم-3 أو 20 جزء في المليون). وقد استخدمت البوتقات الجرافيت لتجنب هذا التلوث، ومع ذلك فإنها تنتج شوائب الكربون في السيليكون، وإن كان ذلك بناء على درجة أقل من حيث التركيز. كل من الأوكسجين والشوائب الكربون خفض طول نشر الناقل الأقلية في رقاقة السيليكون النهائي. التجانس الدود في الاتجاهات المحورية والشعاعية محدودة أيضا في السيليكون Czochralski، مما يجعل من الصعب الحصول على رقائق مع المقاومات أكبر من 100 أوم سم.

يمكن إنتاج السيليكون العالي النقاء بواسطة طريقة تعرف باسم تكرير منطقة العوامة (FZ). في هذه الطريقة، يتم تركيب سبيكة السيليكون البوليبلورية عموديا في غرفة النمو، إما تحت فراغ أو جو خامل. لا تكون السبائك على اتصال مع أي من مكونات الغرفة باستثناء الغاز المحيط وبلورة البذور ذات التوجه المعروف في قاعدتها (الشكل 4). يتم تسخين السبيكة باستخدام لفائف الترددات الراديوية (RF) غير المتصلة التي تنشئ منطقة من المواد الذائبة في السبيكة، عادة ما يبلغ سمكها حوالي 2 سم. في عملية FZ ، يتحرك القضيب عموديًا إلى الأسفل ، مما يسمح للمنطقة المنصهرة بالتحرك فوق طول السبائك ، مما يدفع الشوائب قبل الذوبان ويترك وراءه سيليكون بلوري واحد عالي النقاء. FZ رقائق السيليكون والمقاومة التي يصل ارتفاعها إلى 10،000 أوم سم.

الشكل 4. تعويم منطقة تكوين النمو البلورية.

مرة واحدة وقد تم إنشاء بول السيليكون، يتم قطع إلى أطوال يمكن التحكم فيها وكل طول الأرض إلى القطر المطلوب. الشقق التوجه التي تشير إلى المنشطات السيليكون والتوجه للفطائر من أقل من 200 ملم قطر أيضا الأرض في بول في هذه المرحلة. بالنسبة للرقاقة التي يقل قطرها عن 200 مم، فإن المسطحة الأساسية (الأكبر) تتجه عموديًا على محور بلوري محدد مثل<111>او<100>(انظر الشكل 5). الشقق الثانوية (أصغر) تشير إلى ما إذا كانت رقاقة إما نوع ف أو ن من نوع. 200 مم (8 بوصة) و 300 مم (12 بوصة) رقائق استخدام درجة واحدة موجهة إلى محور الكريستال المحدد للإشارة إلى التوجه رقاقة مع عدم وجود مؤشر لنوع المنشطات. ويبين الشكل 3 العلاقة بين نوع الرقاقة ووضع الشقق على حافة الرقاقة.

Wafer flat designators for different wafer orientation and doping

الشكل 5. ويفر مسطحة المعينين لمختلف التوجيه رقاقة والمنشطات.

بعد أن تم الأرض بول إلى القطر المطلوب وتم إنشاء الشقق، يتم قطعها إلى شرائح رقيقة باستخدام إما شفرة مرصعة بالماس أو أسلاك فولاذية. عادة ما يتم تقريب حواف شرائح السيليكون في هذه المرحلة. علامات الليزر تعيين نوع السيليكون، المقاومة، الصانع، الخ تضاف أيضا بالقرب من الشقة الأولية في هذا الوقت. كلا السطوح من شريحة غير مكتملة هي الأرض و صفع لجلب كل من شرائح إلى داخل سمك محدد والتسامح التسطيح. طحن يجلب شريحة في سمك الخام والتسامح التسطيح وبعد ذلك عملية اللف يزيل بت الأخير من المواد غير المرغوب فيها من وجوه شريحة، وترك سطح سلس، شقة، غير المصقول. اللف عادة ما يحقق التحمل من أقل من 2.5 μm التوحيد في التسطيح سطح رقاقة.

المرحلة النهائية في تصنيع رقاقة السيليكون ينطوي على كيميائياالنقشبعيدا أي طبقات السطحية قد تراكمت الضرر الكريستال والتلوث أثناء المنشار والطحن واللف؛ تليهاتلميع الميكانيكية الكيميائية(CMP) لإنتاج سطح حر عاكس للغاية ، وخدش وتلف على جانب واحد من الرقاقة. يتم إنجاز الحفر الكيميائي باستخدام محلول حواش من حمض الهيدروفلوريك (HF) الممزوج بالنيتريك والأحماض الخليكة التي يمكن أن تذوب السيليكون. وفي CMP، يتم تركيب شرائح السيليكون على حامل وتوضع في جهاز CMP حيث تخضع للتلميع الكيميائي والميكانيكي. عادة، يستخدم CMP لوحة تلميع البولي يوريثان الصلبة جنبا إلى جنب مع الطين من الألمنيوم مشتتة ناعما أو جزيئات جلخ السيليكا في محلول قلوي. المنتج النهائي لعملية CMP هو رقاقة السيليكون التي نحن، كمستخدمين، على دراية. لديها سطح خال من العاكسة والخدش والتلف على جانب واحد يمكن أن تكون أجهزة أشباه الموصلات ملفقة.

إنتاج أشباه الموصلات المركب

أشباه الموصلات المركبة هي مواد هامة في العديد من الأجهزة الإلكترونية العسكرية وغيرها من الأجهزة المتخصصة مثل الليزر والأجهزة الإلكترونية عالية التردد والمصابيح وأجهزة الاستقبال البصرية والدوائر المتكاملة الإلكترونية البصرية ، الخ. وقد تم استخدام GaN عادة في العديد من التطبيقات التجارية LED منذ عام 1990.

ويقدم الجدول 1 قائمة بأشباه الموصلات المركبة الأساسية الثنائية (عنصران) إلى جانب طبيعة الفجوة في النطاق وحجمها. بالإضافة إلى أشباه الموصلات المركبة الثنائية، من المعروف أيضا أشباه الموصلات المركبة (ثلاثة عناصر) واستخدامها في تصنيع الجهاز. وتشمل أشباه الموصلات المركبة الثلاثية مواد مثل زرنيخ الغاليوم الألومنيوم، AlGaAs، زرنيخ الغاليوم إنديوم، InGaAs والزرنيميد الألومنيوم، إينالاس. ومن المعروف أيضا أشباه الموصلات Quarternary (أربعة عناصر) مركبات واستخدامها في الالكترونيات الدقيقة الحديثة.

إن القدرة الفريدة التي تنبعث منها الضوء من أشباه الموصلات المركبة ترجع إلى حقيقة أنها أشباه الموصلات فجوة النطاق المباشر. ويشير الجدول 1 إلى أشباه الموصلات التي تمتلك هذه الخاصية. يعتمد الطول الموجي للضوء المنبعث من الأجهزة المبنية من أشباه الموصلات فجوة النطاق المباشر على طاقة فجوة الفرقة. من خلال هندسة بمهارة هيكل الفجوة الفرقة من الأجهزة المركبة التي بنيت من أشباه الموصلات المركبة المختلفة مع فجوات الفرقة المباشرة، وقد تمكن المهندسون من إنتاج الأجهزة الصلبة الدولة الباعث للضوء التي تتراوح من الليزر المستخدمة في الاتصالات الألياف البصرية لمصابيح LED عالية الكفاءة. وتوجد مناقشة تفصيلية للآثار المترتبة على الفجوات المباشرة مقابل غير المباشرة في مواد أشباه الموصلات خارج نطاق هذا العمل.

يمكن إعداد أشباه الموصلات المركبة الثنائية البسيطة بكميات كبيرة، ويتم إنتاج رقائق الكريستال المفردة من خلال عمليات مماثلة لتلك المستخدمة في تصنيع رقائق السيليكون. يمكن زراعة GaAs و InP وسبائك أشباه الموصلات المركبة الأخرى باستخدام طريقة Czochralski أو Bridgman-Stockbarger مع رقائق أعدت بطريقة مماثلة لإنتاج رقاقة السيليكون. إن تكييف السطح من رقائق أشباه الموصلات المركبة (أي جعلها عاكسة ومسطحة) معقد بسبب حقيقة وجود عنصرين على الأقل ويمكن لهذه العناصر التفاعل مع النقوش والكاشطة في الأزياء المختلفة.

نظام المواد	اسم	الصيغه	فجوة الطاقة (eV)	نوع النطاق (I = غير مباشر; D = مباشر)
رابعا	الماس	ج	5.47	أنا
	السيليكون	سي	1.124	أنا
	الجرمانيوم	جنرال الكتريك	0.66	أنا
	رمادي القصدير	Sn	0.08	د
الرابع - الرابع	كربيد السيليكون	كذا	2.996	أنا
الرابع - الرابع	السيليكون-الجرمانيوم	سيxجنرال الكتريك1-x	فار.	أنا
IIV-V	كبريتيد الرصاص	برنامج تلفزيوني	0.41	د
	الرصاص سيلينيد	PbSe	0.27	د
	الرصاص تيلورايد	PbTe	0.31	د
ثالثا - خامسا	نيتريد الألومنيوم	BLM	6.2	أنا
	فوسفيد الألومنيوم	Alp	2.43	أنا
	الألومنيوم أرسينيد	واحسرتاه	2.17	أنا
	الألومنيوم أنتيمونيد	AlSb	1.58	أنا
	النيتريد الغاليوم	قان	3.36	د
	الغاليوم فوسفيد	الفجوه	2.26	أنا
	غاليوم أرسينيد	GaAs	1.42	د
	الغاليوم أنتيمونيد	GaSb	0.72	د
	إنديوم نيتريد	Inn	0.7	د
	إنديوم فوسفيد	INP	1.35	د
	إنديوم أرسينيد	ايناس	0.36	د
	إنديوم أنتيمونيد	InSb	0.17	د
ثانيا - سادسا	كبريتيد الزنك	ZnS	3.68	د
	الزنك سيلينيد	ZnSe	2.71	د
	الزنك تيلورايد	ZnTe	2.26	د
	كبريتيد الكادميوم	الاقراص المدمجه	2.42	د
	الكادميوم السيلينيوم	CdSe	1.70	د
	الكادميوم تيلورايد	CdTe	1.56	د

الجدول 1. أشباه الموصلات عنصري وأشباه الموصلات المركبة الثنائية.

تنقية البوليبلوراتالين الإلكترونية الصف (Polysilicon)

واحد الكريستال سيليكون رقاقة تلفيق

إنتاج أشباه الموصلات المركب

الصناعة ذات الصلة

إرسال التحقيق