Produkcja wafli krzemowych

SiO2+ C → Si + CO2

Si + 3HCl → SiHCl3+ H2

W wyniku reakcji chlorowodorowania w FBR powstaje produkt gazowy, który stanowi około 90% trichlorosilanu (SiHCl3). Pozostałe 10% gazu wytwarzanego na tym etapie to głównie tetrachlorosilan, SiCl4, z pewną ilością dichlorosilanu, SiH2Cl2. Tę mieszaninę gazów poddaje się serii destylacji frakcjonowanych, które oczyszczają trichlorosilan oraz zbierają i ponownie wykorzystują produkty uboczne tetrachlorosilanu i dichlorosilanu. Ten proces oczyszczania daje wyjątkowo czysty trichlorosilan z głównymi zanieczyszczeniami w zakresie niskich części na miliard. Oczyszczony, stały krzem polikrystaliczny jest wytwarzany z trichlorosilanu o wysokiej czystości metodą znaną jako „Proces Siemens”. W tym procesie trichlorosilan rozcieńcza się wodorem i podaje do reaktora chemicznego osadzania z fazy gazowej. Tam warunki reakcji dobiera się tak, aby krzem polikrystaliczny osadzał się na elektrycznie podgrzewanych prętach krzemowych zgodnie z odwrotnością reakcji tworzenia trichlorosilanu:

SiHCl3+ H2→ Si + 3HC

Produkty uboczne reakcji osadzania (H.2, HCl, SiHCl3, SiCl4i SiH2Cl2) są wychwytywane i poddawane recyklingowi w procesie produkcji i oczyszczania trichlorosilanu, jak pokazano na rysunku 2. Chemia procesów produkcji, oczyszczania i osadzania krzemu związanych z krzemem półprzewodnikowym jest bardziej złożona niż ten prosty opis. Istnieje również wiele alternatywnych chemii, które mogą być i są wykorzystywane do produkcji polikrzemu.

Krzem o wyższej czystości można wytwarzać metodą znaną jako rafinacja Float Zone (FZ). W tej metodzie wlewek z polikrystalicznego krzemu montuje się pionowo w komorze wzrostu, w próżni lub w atmosferze obojętnej. Wlewek nie styka się z żadnym z elementów komory, z wyjątkiem gazu otoczenia i kryształu zaszczepiającego o znanej orientacji u podstawy (Rysunek 4). Wlewek jest podgrzewany za pomocą bezkontaktowych cewek o częstotliwości radiowej (RF), które tworzą strefę stopionego materiału we wlewku, zwykle o grubości około 2 cm. W procesie FZ pręt porusza się pionowo w dół, umożliwiając strefie stopionej przesuwanie się w górę wzdłuż wlewka, wypychając zanieczyszczenia przed stopiony materiał i pozostawiając wysoce oczyszczony monokrystaliczny krzem. Płytki krzemowe FZ mają rezystywność nawet do 10 000 omów-cm.

Ostatni etap produkcji wafli silikonowych obejmuje procesy chemiczneakwafortausunąć wszelkie warstwy powierzchniowe, które mogły nagromadzić uszkodzenia kryształów i zanieczyszczenia podczas piłowania, szlifowania i docierania; śledzony przezchemiczne polerowanie mechaniczne(CMP) w celu uzyskania wysoce odblaskowej, wolnej od zarysowań i uszkodzeń powierzchni po jednej stronie wafla. Wytrawianie chemiczne przeprowadza się za pomocą wytrawiającego roztworu kwasu fluorowodorowego (HF) zmieszanego z kwasami azotowym i octowym, które mogą rozpuszczać krzem. W CMP plastry krzemu są montowane na nośniku i umieszczane w maszynie CMP, gdzie są poddawane polerowaniu chemicznemu i mechanicznemu. Zazwyczaj CMP wykorzystuje twardą poliuretanową podkładkę polerską połączoną z zawiesiną drobno zdyspergowanych cząstek ściernych tlenku glinu lub krzemionki w roztworze alkalicznym. Końcowym produktem procesu CMP jest płytka krzemowa, którą znamy jako użytkownicy. Po jednej stronie ma wysoce odblaskową, wolną od zarysowań i uszkodzeń powierzchnię, na której można wytwarzać elementy półprzewodnikowe.

Tabela 1 zawiera listę pierwiastkowych i binarnych (dwuelementowych) półprzewodników złożonych wraz z charakterem ich pasma wzbronionego i jego wielkością. Oprócz dwuskładnikowych półprzewodników złożonych, znane są również i stosowane w produkcji urządzeń trójskładnikowe (trzyelementowe) półprzewodniki złożone. Półprzewodniki trójskładnikowe obejmują materiały takie jak arsenek glinu i galu, AlGaAs, arsenek indu i galu, InGaAs i arsenek glinu indu, InAlAs. Czteroelementowe (czteroelementowe) półprzewodniki złożone są również znane i stosowane we współczesnej mikroelektronice.

Wyjątkowa zdolność emitowania światła przez złożone półprzewodniki wynika z faktu, że są one bezpośrednimi półprzewodnikami z przerwą energetyczną. Tabela 1 wskazuje, które półprzewodniki posiadają tę właściwość. Długość fali światła emitowanego przez urządzenia zbudowane z półprzewodników z bezpośrednią przerwą energetyczną zależy od energii pasma wzbronionego. Dzięki umiejętnemu zaprojektowaniu struktury pasma wzbronionego urządzeń kompozytowych zbudowanych z różnych złożonych półprzewodników z bezpośrednimi przerwami pasmowymi, inżynierowie byli w stanie wyprodukować półprzewodnikowe urządzenia emitujące światło, od laserów stosowanych w komunikacji światłowodowej po wysokowydajne żarówki LED. Szczegółowe omówienie implikacji bezpośrednich i pośrednich przerw wzbronionych w materiałach półprzewodnikowych wykracza poza zakres tej pracy.

Proste, dwuskładnikowe półprzewodniki mogą być przygotowywane luzem, a płytki monokrystaliczne są wytwarzane w procesach podobnych do tych stosowanych przy produkcji płytek krzemowych. Wlewki z GaAs, InP i innych złożonych półprzewodników można hodować metodą Czochralskiego lub Bridgmana-Stockbargera z waflami przygotowanymi w sposób podobny do produkcji płytek krzemowych. Kondycjonowanie powierzchni złożonych płytek półprzewodnikowych (tj. Uczynienie ich odblaskowymi i płaskimi) jest skomplikowane przez fakt, że obecne są co najmniej dwa pierwiastki, które mogą reagować ze środkami trawiącymi i ściernymi w różny sposób.

Tabela 1. Elementarne półprzewodniki i binarne półprzewodniki złożone.