4.2: Зростання кремнію
Як це можливо, щоб індустрія IC продовжувала отримувати такі прибутки, і як вони все одно будують стільки схем на одному чіпі? Для того, щоб ми змогли це зрозуміти, ми повинні поглянути на процес монолітного виготовлення. «Літ» походить від грецького слова камінь, а «моно» означає «один», звичайно. Таким чином, монолітне будівництво відноситься до побудови схеми в «одному камені» або в одній монокристалічної підкладці.
Однак для того, щоб ми це зробили, нам в першу чергу потрібен «камінь», тому давайте подивимося, звідки це береться.
Ми починаємо з природної форми кремнію, яка дуже рясна (і відносно чиста); кварцит абоSiO2 (пісок). Насправді кремній є одним з найпоширеніших елементів на землі. Це реагує в печі з вуглецем (з коксу та/або вугілля), щоб зробити так званий металургійний кремній (MGS), який є близько 98% чистим, через реакціюSiO2+2 C→Si+2 CO
Ми бачили, що на порядок1014 домішок будуть внесені серйозні зміни в електричну поведінку шматочка кремнію. Оскільки5×1022 atoms/cm3 в кристалі кремнію є приблизно, це означає, що нам потрібна чистота краще, ніж1 частина108, або 99,999999% чистого матеріалу. Таким чином, нам належить пройти довгий шлях від чистоти MGS, якщо ми хочемо зробити електронні пристрої, які ми можемо використовувати в кремнії.
Кремній подрібнюється і вступає в реакцію зHCl (газом), утворюючи трихлорсилан, рідину високого тиску пари, яка кипить при32∘C:Si+3 HCl (g)→SiHCl3+3 HCl
Багато домішки в складі кремнію (алюміній, залізо, фосфор, хром, марганець, титан, ванадій і вуглець) також вступають в реакціюHCl, утворюючи різні хлориди. Однією з приємних речей про галогени є те, що вони будуть реагувати майже з чим завгодно. Кожен з цих хлоридів має різну температуру кипіння, і так, шляхом фракційної перегонки, можна відокремити їхSiHCl3 від більшої частини домішок. Потім (чистий) трихлорсилан вступає в реакцію з газом водню (знову ж таки при підвищеній температурі) з утворенням чистого електронного кремнію (EGS). SiHCl3+H2→2 Si+3HCl
Хоча EGS є відносно чистим, він знаходиться в полікристалічній формі, яка не підходить для виготовлення пристроїв. Наступним кроком у процесі є вирощування монокристалічного кремнію, який зазвичай робиться за допомогою методу Чохральського (вимовляється «cha-krawl-ski»), щоб зробити те, що іноді називають CZ кремнієм. Процес Чохральського включає плавлення EGS в тиглі, а потім введення кристала насіння на стрижень, який називається знімачем, який потім повільно видаляється з розплаву. Якщо температурний градієнт розплаву регулюється таким чином, що температура плавлення/замерзання знаходиться лише на межі розділу насіння-розплав, безперервний монокристалічний стрижень кремнію, званий булем, буде рости в міру вилучення знімача.
Малюнок4.2.1 являє собою схему того, як працює процес Чохральського. Весь апарат повинен бути укладений в атмосферу аргону, щоб запобігти потраплянню кисню в кремній. Стрижень і тигель обертаються в протилежних напрямках, щоб мінімізувати наслідки конвекції в розплаві. Швидкість витягування, швидкість обертання та градієнт температури повинні бути ретельно оптимізовані для певного діаметра пластини та напрямку росту. <111>Напрямок (по діагоналі кубічної решітчастої структури) зазвичай вибирається для пластин, які будуть використовуватися для <100>біполярних пристроїв, тоді як напрямок (вздовж однієї зі сторін куба) є сприятливим для застосування МОП. В даний час вафлі, як правило, 6 «або 8" в діаметрі, хоча на горизонті маячать пластини діаметром 12 «(300 міліметрів).


Після того, як буль вирощується, його подрібнюють до стандартного діаметра (тому вафлі можна використовувати в автоматичних обробних машинам) і нарізають на вафлі, так само, як салямі. Вафлі травляються і поліруються, і переходять до технологічної лінії. Однак слід зазначити, що через втрати «пропила» (ширина пильного диска), а також полірування втрат, більше половини ретельно вирощеного, дуже чистого монокристалічного кремнію викидається ще до того, як процес виготовлення схеми навіть починається!