Элионные технологии

Оглавление1. Введение ................................................................................................. 32. Историческая справка .......................................................................... 43. Физико-химические свойства кремния............................................... 54. Структура кристалла ............................................................................. 65. Реальные кристаллы ..............................................................................76. Получение поликристаллического кремния ...................................... 87.

Выращивание монокристалла кремния ............................................. 97.1.Метод Чохральского ............................................................................................ 97.1.1.Описание метода ......................................................................................................................97.1.2.Описание установки .............................................................................................................. 107.2.Метод бестигельной зонной плавки ................................................................ 107.2.1.Описание метода ....................................................................................................................

107.2.2.Описание установки .............................................................................................................. 118. Механическая обработка полупроводниковых материалов.Подготовка подложки ............................................................................... 128.1.Шлифовка слитков, получение базового среза .............................................. 128.2. Резка слитков на пластины ...............................................................................

138.3. Маркировка пластин ......................................................................................... 138.4. Полировка пластин ............................................................................................ 148.5. Химическая обработка пластин ....................................................................... 148.6. Окончательная обработка .................................................................................

158.7. Погрешности формы ......................................................................................... 169. Заключение ........................................................................................... 1710. Список литературы ..............................................................................1821. ВведениеНа сегодняшний день в мире высоких технологий практически несуществует прибора, работающего без интегральных микросхем. Будучи ужезарекомендовавшими и проверенными в самых разных отраслях, микросхемыдавно стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни, и человечествоуже вряд ли когда-нибудь сможет отказаться от них.32.

Историческая справкаСовременные полупроводниковые приборы и интегральные микросхемыпредставляют собой чрезвычайно сложные устройства, отдельные компонентыкоторых имеют размеры не более доли микрометра. Изготовление такихустройств осуществляется на монокристаллических полупроводниковыхпластинах. На сегодняшний день основным полупроводником является кремний,так как он имеет ряд немаловажных преимуществ: кремния много в земной коре ввиде минералов (~25%), которые очень легко добывать, обрабатывать иперерабатывать; на кремнии легко получать стабильныедиэлектрические пленки SiO2; у кремния гораздо больше шириназапрещенной зоны и интервал рабочих температур по сравнению сгерманием, что существенно облегчает термическое выращиваниекристалла и различные вариации с легирующими элементами;Рис. 1.кремниевая технология является менее затратной, получение Поликристаллкремнияхимически чистого Si в 10 раз дешевле, чем Ge.43.

Физико-химические свойства кремнияКремний относится к полупроводникам с непрямой структуройэнергетических зон, причем главный минимум зоны проводимости располагаетсяв каждом из кристаллографических направлений семейства <100>. Такихэквивалентных направлений шесть. Отсутствие прямой зонной структурыявляется одним из немногих недостатков кремния, поскольку в этом случаеисключаетсявозможностьсозданияэффективныхисточниковрекомбинационного излучения, т.е. излучающих диодов и лазеров.Практический интерес представляет собой зависимость удельногосопротивления полупроводника от концентрации примесных атомов. Онииспользуются при расчетах количества легирующей примеси, необходимого дляполучения монокристалла с требуемым удельным сопротивлением. Дляудельного сопротивления в области приметной электропроводности справедливо1выражение r =, где Nпр – концентрация примесных атомов (доноров илиe × N пр × mакцепторов).Таблица 1Запрещенная зона1,12 эВДиэлектрическая постоянная11,8ТеплопроводностьТемпература плавленияУдельное сопротивление1,5 Втсм × К14143016 Ом-смПодвижность электронов21500 смПодвижность дырок2450 смНапряжение пробоя3 ×105 ВВ×сВ×ссм54.

Структура кристаллаВообще говоря, наилучшие свойства достигаются на подложках измонокристаллического кремния – это возможно благодаря периодическойструктуре расположения атомов в кристалле, что недостижимо в аморфныхкристаллах (см. рис. 3).Рис. 3. Периодическая структура атомов монокристалла и хаотическая – аморфногокристалла кремнияРазличные характеристики и свойства кремниевой подложки зависят от ееориентации. Кремний обладает алмазоподобной кристаллической решеткой.Наиболее распространенными в производстве являются подложки скристаллографическим семейством направлений <111> и <100>.

Последниереализуются в МОП-транзисторах. Самым плотноупакованным являетсянаправление [111] (см. рис. 4), вследствие этого кристалл растет быстрее всего поэтому направлению – лучшая основа для биполярных транзисторов.Рис. 4. Кристаллографические направленияОриентацию кристалла можно определить разными способами, например, спомощью рентгеновского излучения.65. Реальные кристаллыРеальные кристаллы всегда отличаются от идеальных наличием различныхдефектов (см.

рис. 5) – точечных, линейных, поверхностных и объемных, а такжетем, что атомы в решетке смещены относительно идеального положениявследствие термических колебаний.Рис.5. Точечные и линейные дефекты в структуре реального кристаллаНаиболее серьезным дефектом является наличие примесей.

Ихрастворимость зависит от температуры как показано на рис. 6. Равновесие вкристалледостигаетсяпутемосажденияпримесныхатомов.Образовавшийся осадокстановитсяисточникомзарождениядислокаций.Рис. 6. Зависимость растворимости атомов примесей от температуры76. Получение поликристаллического кремнияДляполучениямонокристалланеобходимосначалаполучитьполикристаллический кремний высокой чистоты, и только потом выращиватьмонокристалл.С 1961 года по сей день производство поликристаллического кремниязаключается в двух этапах:1.

Из очищенной руды (песка) получают при 300температура кипения которого 31.8 :трихлорсилан,Si (тв) + 3HCl (г) → SiHCl3 (г) + H2 (г) + Qa. Полученный трихлорсилан дистиллируется для полученияочень чистого трихлорсилана.2. Путемреакциисводородомпри1000получаютполикристаллический кремний высокой чистоты:2SiHCl3 (г) + 2H2 (г) → 2Si (тв) + 6HCl (г)Уже очищенный поликристаллический кремний высокой чистоты(99,9999%, см. рис. 7) используется в качестве сырья для выращиваниямонокристалла по методу Чохральского.Рис. 7.

Природный кремний и поликристаллический кремний высокой чистоты (99,9999%)87. Выращивание монокристалла кремния7.1. Метод ЧохральскогоВыращивание монокристалла по методу Чохральского (польскогометаллурга) включает в себя превращение жидкой фазы в твердуюкристаллическую. По этому методу производят до 90% всей мировой продукциикремниевых пластин, так как он позволяет получать заготовку диаметром больше200мм, прост в реализации и дешев.7.1.1.

Описание методаСм. рис. 8: в расплав сверхчистого кремния (1415 , при температуреплавления кремния в 1414 ), находящегося в кварцево-графитовом тигле,помещается небольшой пруток-зерно (кристаллическая затравка), и, вращаясьвокруг своей оси, медленно поднимается наверх, чтобы обеспечить равномерностьдиаметра слитка и минимизировать количество дефектов (см. рис. 9). Кристаллзатравку и тигель обычно вращают в противоположные стороны, чтообеспечивает радиальную однородность температурного поля, а такжеспособствует однородности растущего кристалла.Рис. 8. Схема установки по выращиванию монокристалла кремния методом ЧохральскогоРис. 9. Стадии процесса выращивания монокристалла97.1.2. Описание установкиВ графитовый тигель делают вставку-наполнитель из кварца.

Для защитыот атмосферных газов тигель помещен в защитный кожух (см. рис. 12), кудаподается инертный газ, например аргон при давлении 100мбар. Индукционныйнагрев происходит на частоте 0.4 МГц. Скорость вращения затравки - 10-15об/мин, поступательная скорость - 1-2 мм/мин.Рис. 12. Промышленная установка по выращиванию монокристалла кремния методомЧохральского7.2. Метод бестигельной зонной плавкиДанный метод позволяет получить заготовку меньше 200мм, однако имеетогромное преимущество по сравнению с методом Чохральского – количествопримесей практически сведено к нулю, при этом резко увеличено удельноесопротивление кристалла.7.2.1.