Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

4.2: Зростання кремнію

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    34549

    \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Завантажити книгу:

    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 або\(\mathrm{SiO}_{2}\) (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 реакцію\[\mathrm{SiO}_{2} + 2 \mathrm{~C} \rightarrow \mathrm{Si} + 2 \mathrm{~CO}\]

    Ми бачили, що на порядок\(10^{14}\) домішок будуть внесені серйозні зміни в електричну поведінку шматочка кремнію. Оскільки\(5 \times 10^{22} \mathrm{~atoms} / \mathrm{cm}^{3}\) в кристалі кремнію є приблизно, це означає, що нам потрібна чистота краще, ніж\(1\) частина\(10^{8}\), 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 з\(\mathrm{HCl}\) (газом), утворюючи трихлорсилан, рідину високого тиску пари, яка кипить при\(32 ^{\circ} \mathrm{C}\):\[\mathrm{Si} + 3 \mathrm{~HCl} \ (\mathrm{g}) \rightarrow \mathrm{SiHCl}_{3} + 3 \mathrm{~HCl}\]

    Багато домішки в складі кремнію (алюміній, залізо, фосфор, хром, марганець, титан, ванадій і вуглець) також вступають в реакцію\(\mathrm{HCl}\), 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 їх\(\mathrm{SiHCl}_{3}\) 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). \[\mathrm{SiHCl}_{3} + \mathrm{H}_{2} \rightarrow 2 \mathrm{~Si} + 3 \mathrm{HCl}\]

    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.

    Малюнок\(\PageIndex{1}\) 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).

    В атмосфері аргону тигель розплавленого EGS, облицьований плавленим кремнеземом, має температурний градієнт прохолодного зверху до гарячого внизу. Тигель обертається як знімач стрижень з насіннєвим кристалом вставляється, а потім витягується, щоб створити кремнієвий кристалічний буль на стрижні.
    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Зростання кристала Чохральського

    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!