Szilícium egykristály előállítása Készítette: Pálfi Zoltán 2009.11.09 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke A szilicium lapkák gyártásakor

Előállítás lépései Szilícium polykristály előállítása Kristály húzás Egykristály felületének csiszolása Szeletelés Élek lekerekítése Szeletek simítás Polírozás Szeletek tisztítása Lézeres felületvizsgálás Epitaxiális rétegnövesztés

Polykristály előállítása Kvarckristályból állítják elő (kvarchomok) A kvarcot megolvasztják ívkemencében (1900°C) Eltávolítják az olvadékból a szilíciumot A keletkező anyagot oxigén-kloriddal oxidálják Újra tisztítják->99% tiszta szilícium keletkezik Ezután a szilíciumot hidrogénkloriddal reagáltatják egy réz tartalmú katalizátor segítségével Triklór-szilánt állítanak elő

Polykristály előállítása 2 Desztillációval tisztítják A triklór szilán magas hőmérsékleten (1100°C-on) reakcióba lép a hidrogénnel Nagy tisztaságú szilícium redukálódik Ebben a szilíciumban kevesebb mint 1ppm a szennyeződés

Egykristály húzása Poly-szilíciumból és adalék anyagból (arzén, bór, foszfor antimon) Szilícium tisztítása és hőkezelése Kemence melegítése és forgatása Egykristály segítségével húzzák Olvadék hőmérséklete és húzás sebességével állítják be a kívánt átmérőt Számítógép vezérelt folyamat Az első és legfontosabb lépés a szilíciumlapkák gyártásában az egykristály növesztése. Először gondosan kézzel berakják a poly-szilícium nyersanyagot egy kvarc olvasztótégelybe, ami pedig a kristály húzó berendezés olvasztókemencéjének a belsejében található. Egy kis mennyiségű adalékot (elektromosan aktív elemeket), mint például arzén, bór, foszfor vagy antimont is tesznek a poly-szilícium mellé. Ez az adalék előre meghatározza a szeletelt ostya elektromos tulajdonságait, adalékolását és ellenállását. A berendezést ezután gondosan lezárják, majd a gép megtisztítja a poly-szilíciumot a gáz szennyeződésektől. A tisztítás után az adott megrendelő igényei szerint hőkezelik a szilíciumot. Amint a kemence megközelítette a megfelelő hőmérsékletet, elkezdik a tégelyt forgatni az óramutató járásával megegyező irányban. Miután az olvadék elérte a kívánt hőmérsékletet, akkor az óramutató járásával ellentétes irányba forgó egykristályt eresztenek az olvadt poly-szilíciumba. Ezután az olvadékot lassan elkezdik hűteni mindaddig, amíg az egykristály mag körül el nem kezd kiristályosodni a szilícium. Az egykristály magot lassan elkezdik emelni, vagy húzni az olvadékból, a húzás és forgatás sebességével tudják szabályozni a kristályosodást. Az olvadék hőmérséklete és a kihúzás sebessége határozza meg a kristály keresztmetszetének nagyságát. Amint a kristály keresztmetszete elérte a kívánt méretet, a kristályhúzó berendezés feladata ezeknek a paramétereknek a megtartása és így a kívánt átmérőjű egykristály tömb előállítása. Az egykristály-húzás ciklusát a fokozatosan keskenyedő kúp fejezi be, ami biztosítja az egykristály szabályszerű befejezettségét.

Poly-szilícium a kemencében lévő olvasztótégelyben Az első és legfontosabb lépés a szilíciumlapkák gyártásában az egykristály növesztése. Először gondosan kézzel berakják a poly-szilícium nyersanyagot egy kvarc olvasztótégelybe, ami pedig a kristály húzó berendezés olvasztókemencéjének a belsejében található. Egy kis mennyiségű adalékot (elektromosan aktív elemeket), mint például arzén, bór, foszfor vagy antimont is tesznek a poly-szilícium mellé. Ez az adalék előre meghatározza a szeletelt ostya elektromos tulajdonságait, adalékolását és ellenállását. A berendezést ezután gondosan lezárják, majd a gép megtisztítja a poly-szilíciumot a gáz szennyeződésektől. A tisztítás után az adott megrendelő igényei szerint hőkezelik a szilíciumot. Amint a kemence megközelítette a megfelelő hőmérsékletet, elkezdik a tégelyt forgatni az óramutató járásával megegyező irányban. Miután az olvadék elérte a kívánt hőmérsékletet, akkor az óramutató járásával ellentétes irányba forgó egykristályt eresztenek az olvadt poly-szilíciumba. Ezután az olvadékot lassan elkezdik hűteni mindaddig, amíg az egykristály mag körül el nem kezd kiristályosodni a szilícium. Az egykristály magot lassan elkezdik emelni, vagy húzni az olvadékból, a húzás és forgatás sebességével tudják szabályozni a kristályosodást. Az olvadék hőmérséklete és a kihúzás sebessége határozza meg a kristály keresztmetszetének nagyságát. Amint a kristály keresztmetszete elérte a kívánt méretet, a kristályhúzó berendezés feladata ezeknek a paramétereknek a megtartása és így a kívánt átmérőjű egykristály tömb előállítása. Az egykristály-húzás ciklusát a fokozatosan keskenyedő kúp fejezi be, ami biztosítja az egykristály szabályszerű befejezettségét.

Elkészült Szilícium egykristály

Felület csiszolása A húzás után a tömb felülete egyenetlen A tömb felületét teljesen simára csiszolják Mechanikus eszterga segítségével Ezzel biztosítva az állandó átmérőt

Szeletelés Módszer Vágólappal (a lap belső élével) Huzalos szeletelővel A szilícium egy egykristály-tömbbé válik miután eltávolítottuk a húzás után az alsó végéről a kúpos végződést, és a felső végéről a húzó kristályt, egy belső-átmérővel vágó fűrésszel. A levágott végeket néha kidobják, de előfordul, hogy felolvasztják és felhasználják más kristálynál. A végek eltávolítása után a tömböt kisebb darabokra vágják szét, az optimálisabb szeletelési beállítások megvalósíthatósága miatt. Ezután minden darabot a meghatározott átmérőre formáznak egy speciális mechanikus eszterga segítségével. Ezután minden tömb darab átesik egy minőségellenőrzésen és egy teszten. Ez magába foglalja az ellenállás, oxigén, szén és tömbi hibák mérését. Ezután a teljes öntvényt megröntgenezik, a kristálytani orientáció megerősítése miatt. A röntgenezés után az egész tömböt bevonják egy szén blokkoló gyantával. Ez egy óvatossági foglalat, és orientáció függő. A szilíciumlap darabolására használják a belső átmérővel vágó fűrészt és a vezetékkel vágó fűrészt is. Az ID fűrésszel egyszerre csak egy szilíciumszelet készíthető. A vezetékes fűrész sokkal hatékonyabb, mert képesek vagyunk egy tömböt egyszerre feldarabolni. Miután az epoxy megszáradt, a tömböt megfordítják és egy 10 tonnás szeletelőbe teszik. A tömböt lassan eresztik rá a gyorsan mozgó ultravékony szeletelő vezeték hálóra. A vezetékeket csiszolóanyagot tartalmazó keverékkel locsolják. Tulajdonképpen egy vezeték van az orsókra feltekerve. Közvetlen a szeletelés után a szilícium szeleteket megtisztítják egy kémiai fürdő soron ahol eltávolítják róla a rajta maradt iszapot. Innen a szeletek további tisztítási lépéseken esnek keresztül, hogy erősebbé és simábbá tegyék őket.

Szeletelés 2 A tömb végéről a kúpok eltávolítása Belső átmérős szeletelővel A levágott végeket újrahasznosítják Egész tömböt több kisebb darabra vágják Minőség-ellenőrzés és teszt Ellenállás, tömbi hibák Röntgenes vizsgálat Kristálytani orientáció ellenőrzése A szilícium egy egykristály-tömbbé válik miután eltávolítottuk a húzás után az alsó végéről a kúpos végződést, és a felső végéről a húzó kristályt, egy belső-átmérővel vágó fűrésszel. A levágott végeket néha kidobják, de előfordul, hogy felolvasztják és felhasználják más kristálynál. A végek eltávolítása után a tömböt kisebb darabokra vágják szét, az optimálisabb szeletelési beállítások megvalósíthatósága miatt. Ezután minden darabot a meghatározott átmérőre formáznak egy speciális mechanikus eszterga segítségével. Ezután minden tömb darab átesik egy minőségellenőrzésen és egy teszten. Ez magába foglalja az ellenállás, oxigén, szén és tömbi hibák mérését. Ezután a teljes öntvényt megröntgenezik, a kristálytani orientáció megerősítése miatt. A röntgenezés után az egész tömböt bevonják egy szén blokkoló gyantával. Ez egy óvatossági foglalat, és orientáció függő. A szilíciumlap darabolására használják a belső átmérővel vágó fűrészt és a vezetékkel vágó fűrészt is. Az ID fűrésszel egyszerre csak egy szilíciumszelet készíthető. A vezetékes fűrész sokkal hatékonyabb, mert képesek vagyunk egy tömböt egyszerre feldarabolni. Miután az epoxy megszáradt, a tömböt megfordítják és egy 10 tonnás szeletelőbe teszik. A tömböt lassan eresztik rá a gyorsan mozgó ultravékony szeletelő vezeték hálóra. A vezetékeket csiszolóanyagot tartalmazó keverékkel locsolják. Tulajdonképpen egy vezeték van az orsókra feltekerve. Közvetlen a szeletelés után a szilícium szeleteket megtisztítják egy kémiai fürdő soron ahol eltávolítják róla a rajta maradt iszapot. Innen a szeletek további tisztítási lépéseken esnek keresztül, hogy erősebbé és simábbá tegyék őket.

Szeletelés 3 Tömb bevonása szén blokkoló epoxy gyantával A szilícium lapok szeletelése Huzalos szeletelővel Gyorsabb Ultra-vékony szeletelő huzal Csiszolóanyagot tartalmazó keverékkel locsoljuk Kémiai fürdő Csiszolóanyag eltávolítása miatt A szilícium egy egykristály-tömbbé válik miután eltávolítottuk a húzás után az alsó végéről a kúpos végződést, és a felső végéről a húzó kristályt, egy belső-átmérővel vágó fűrésszel. A levágott végeket néha kidobják, de előfordul, hogy felolvasztják és felhasználják más kristálynál. A végek eltávolítása után a tömböt kisebb darabokra vágják szét, az optimálisabb szeletelési beállítások megvalósíthatósága miatt. Ezután minden darabot a meghatározott átmérőre formáznak egy speciális mechanikus eszterga segítségével. Ezután minden tömb darab átesik egy minőségellenőrzésen és egy teszten. Ez magába foglalja az ellenállás, oxigén, szén és tömbi hibák mérését. Ezután a teljes öntvényt megröntgenezik, a kristálytani orientáció megerősítése miatt. A röntgenezés után az egész tömböt bevonják egy szén blokkoló gyantával. Ez egy óvatossági foglalat, és orientáció függő. A szilíciumlap darabolására használják a belső átmérővel vágó fűrészt és a vezetékkel vágó fűrészt is. Az ID fűrésszel egyszerre csak egy szilíciumszelet készíthető. A vezetékes fűrész sokkal hatékonyabb, mert képesek vagyunk egy tömböt egyszerre feldarabolni. Miután az epoxy megszáradt, a tömböt megfordítják és egy 10 tonnás szeletelőbe teszik. A tömböt lassan eresztik rá a gyorsan mozgó ultravékony szeletelő vezeték hálóra. A vezetékeket csiszolóanyagot tartalmazó keverékkel locsolják. Tulajdonképpen egy vezeték van az orsókra feltekerve. Közvetlen a szeletelés után a szilícium szeleteket megtisztítják egy kémiai fürdő soron ahol eltávolítják róla a rajta maradt iszapot. Innen a szeletek további tisztítási lépéseken esnek keresztül, hogy erősebbé és simábbá tegyék őket.

Huzalos tömb szeletelő

Élek lekerekítése Csiszolás után a szelet széle éles és törékeny Letörhet, megrepedhet a szelet A további folyamatok során problémát okozhat Lekerekítik a szeletek szélét A szeleteket lézerrel megjelölik

Szeletek simítása A szeletek felülete nem teljesen sima A simításnál eltávolítják a szeletek felületéről a kitüremkedő részeket Csiszoló paszta használata A szelet felülete teljesen simává válik Eltávolítja a szeleteléskor keletkező hibákat az alsó és felső oldalról is

Szeletek simítása 2 A szeleteket ezután megmarják Eltávolítja a simítás után fenmaradó hibahelyeket Különböző összetételű kémiai fürdökbe mártják a szeleteket Tisztítja szelet felületét és csökkenti a felületi hibák számát Eltávolítja a szeleten maradó csiszoló pasztát A simítás után minden szeletet megvizsgálnak Mechanikai tulajdonságokat

Polírozás Több lépéses automatizált folyamat Ultra finom csiszoló pasztát használnak Az egymással szembelévő csiszoló felületek ellentétes irányba forognak Vegyi-mechanikai polírozási eljárás 1960-as években fejlesztették ki

Szeletek tisztítása Merítő fürdős tisztítás Szelet tisztatérbe kerül Eltávolítja a fennmaradó polírozó iszapot, viaszt és a nagyobb szennyeződéseket Szelet tisztatérbe kerül Újabb vegyi tisztítási fürdők Fürdők összetétele, hőmérséklete számítógéppel vezérelt Monitorozzák a tisztítás lépéseit

Lézeres felületvizsgálás A szeletek elkészítése után megvizsgálják a felületüket A szeleteket a legújabb lézeres felületvizsgáló berendezésekkel letapogatják Ellenőrzik a felület simaságát Bármilyen részecske található a lézer felületén az szórja a beeső lézer sugarát A visszavert fény mérésével feltérképezhető a szelet felületén lévő részecskék mérete, száma és elhelyezkedése

Epitaxiális rétegnövesztés A tiszta szeletek átkerülnek az epitaxiális rétegnövesztő kályhába Vékony ultra-tiszta réteget alakítanak ki a felületen Triklór-szilánt juttatnak a kályhába nagy nyomáson A szilícium atomok a felület tetején kiválnak

Epitaxiális réteg Különböző elektromos tulajdonságú rétegeket alakíthatunk ki Kevés a hibahely a leválasztott rétegben Javul a gyártott eszközök kihozatali aránya Nő a technológiai megbízhatóság

Szelet átmérők változása

A szilícium szeletek ára

Szilícium szelet vizsgálata Érintésmentes vizsgálat Minél több tulajdonság vizsgálata érintésmentesen Például: Töltéshordozók élettartama Adalékolás mértéke, ellenállás, adalék típusa Kristálytani orientáció Szennyeződések, hibahelyek Diffúziós hossz