Szilícium egykristály előállítása

Az előadások a következő témára: "Szilícium egykristály előállítása"— Előadás másolata:

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

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

3 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

4 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

5 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.

6

7 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.

8 Elkészült Szilícium egykristály

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

10

11 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.

12 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.

13 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.

14 Huzalos tömb szeletelő

15

16 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

17

18 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

19 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

20

21 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

22

23 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

24 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

25

26 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

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

28

29 Szelet átmérők változása

30 A szilícium szeletek ára

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