Production de plaquettes de silicium

Source: mksinst.com

Purification électronique de silicium polycristallin (polysilicium)

Schematic of a submerged electrode arc furnace used in the production of MG-Si

Figure 1. Schéma d'un four à arc à électrodes immergées utilisé dans la production de MG-Si.

Le silicium est le deuxième élément le plus abondant de la croûte terrestre (l'oxygène est le premier). Il se produit naturellement dans les roches et les sables silicatés (contenant du Si-O). Le silicium élémentaire utilisé dans la fabrication de dispositifs semi-conducteurs est produit à partir de sables de quartz et de quartzite de haute pureté, qui contiennent relativement peu d'impuretés. Le silicium de qualité électronique, le nom utilisé pour la qualité de silicium utilisée dans la fabrication de dispositifs semi-conducteurs, est le produit d'une chaîne de processus commençant par la conversion du quartz ou du sable de quartzite en «silicium de qualité métallurgique» (MG-Si), dans un four à arc (figure 1) selon la réaction chimique:

SiO2+ C → Si + CO2

Le silicium préparé de cette manière est appelé «qualité métallurgique» car la majeure partie de la production mondiale est en fait destinée à la fabrication de l'acier. Il est pur à environ 98%. Le MG-Si n'est pas assez pur pour une utilisation directe dans la fabrication électronique. Une petite fraction (5% - 10%) de la production mondiale de MG-Si est davantage purifiée pour être utilisée dans la fabrication électronique. La purification du MG-Si en silicium de qualité semi-conducteur (électronique) est un processus en plusieurs étapes, illustré schématiquement sur la figure 2. Dans ce processus, MG-Si est d'abord broyé dans un broyeur à boulets pour produire très fin (75%< 40 µM) de particules qui sont ensuite introduites dans un réacteur à lit fluidisé (FBR). Là, le MG-Si réagit avec l'acide chlorhydrique anhydre (HCl), à 575 K (environ 300 ° C) selon la réaction:

Si + 3HCl → SiHCl3+ H2

La réaction d'hydrochloration dans le FBR donne un produit gazeux qui est d'environ 90% de trichlorosilane (SiHCl3). Les 10% restants du gaz produit dans cette étape sont principalement du tétrachlorosilane, SiCl4, avec un peu de dichlorosilane, SiH2Cl2. Ce mélange gazeux est soumis à une série de distillations fractionnées qui purifient le trichlorosilane et collectent et réutilisent les sous-produits tétrachlorosilane et dichlorosilane. Ce processus de purification produit du trichlorosilane extrêmement pur avec des impuretés majeures dans la gamme des parties par milliard. Le silicium polycristallin solide purifié est produit à partir de trichlorosilane de haute pureté en utilisant une méthode connue sous le nom de «procédé Siemens». Dans ce procédé, le trichlorosilane est dilué avec de l'hydrogène et introduit dans un réacteur de dépôt chimique en phase vapeur. Là, les conditions de réaction sont ajustées pour que du silicium polycristallin se dépose sur des tiges de silicium chauffées électriquement selon l'inverse de la réaction de formation du trichlorosilane:

SiHCl3+ H2→ Si + 3HC

Sous-produits de la réaction de dépôt (H2, HCl, SiHCl3, SiCl4et SiH2Cl2) sont capturés et recyclés dans le processus de production et de purification du trichlorosilane comme le montre la figure 2. La chimie des processus de production, de purification et de dépôt de silicium associés au silicium de qualité semi-conducteur est plus complexe que cette simple description. Il existe également un certain nombre de chimies alternatives qui peuvent être, et sont, utilisées pour la production de polysilicium.

rocess flow diagram for the production of semiconductor grade (electronic grade) silicon

Figure 2. Diagramme de flux de processus pour la production de silicium de qualité semi-conducteur (qualité électronique).

Fabrication de plaquettes de silicium monocristallin

Les plaquettes de silicium si familières à ceux d'entre nous dans l'industrie des semi-conducteurs sont en fait de fines tranches d'un grand monocristal de silicium qui a été cultivé à partir de silicium polycristallin de qualité électronique fondu. Le procédé utilisé pour la culture de ces monocristaux est connu sous le nom de procédé Czochralski d'après son inventeur, Jan Czochralski. La figure 3 montre la séquence de base et les composants impliqués dans le processus Czochralski.

Schematic of Czochralski process (b) Process equipment (reproduced with permission, PVA TePla AG 2017)

figure 3. Schéma du procédé Czochralski (b) Équipement de procédé (reproduit avec autorisation, PVA TePla AG 2017).

Le processus Czochralski est effectué dans une chambre évacuable, communément appelée «extracteur de cristal» qui contient un grand creuset, généralement en quartz, et un élément chauffant électrique (figure 3 (a)). Le polysilicium de qualité semi-conducteur est chargé (chargé) dans le creuset avec des quantités précises de tout dopant tel que le phosphore ou le bore qui peuvent être nécessaires pour donner aux tranches de produit des caractéristiques P ou N spécifiées. L'évacuation élimine tout air de la chambre pour éviter l'oxydation du silicium chauffé pendant le processus de croissance. Le creuset chargé est chauffé électriquement à une température suffisante pour faire fondre le polysilicium (supérieure à 1421 ° C). Une fois que la charge de silicium est complètement fondue, un petit cristal germe, monté sur une tige, est abaissé dans le silicium fondu. Le germe cristallin mesure généralement environ 5 mm de diamètre et jusqu'à 300 mm de long. Il agit comme un «démarreur» pour la croissance du plus gros cristal de silicium à partir de la fusion. Le germe cristallin est monté sur la tige avec une facette cristalline connue orientée verticalement dans la masse fondue (les facettes cristallines sont définies par les «indices Miller»). Dans le cas des germes cristallins, facettes ayant des indices de Miller de< 100="">,< 110=""> ou< 111=""> sont généralement choisis. La croissance cristalline de la fusion se conformera à cette orientation initiale, donnant au grand monocristal final une orientation cristalline connue. Après l'immersion dans la masse fondue, le cristal germe est lentement (quelques cm / heure) extrait de la masse fondue à mesure que le cristal plus gros grandit. La vitesse de traction détermine le diamètre final du gros cristal. Le cristal et le creuset sont mis en rotation pendant une traction de cristal pour améliorer l'homogénéité du cristal et la distribution du dopant. Le grand cristal final est de forme cylindrique; cela s'appelle une «boule». La croissance de Czochralski est la méthode la plus économique pour la production de boules de cristal de silicium adaptées à la production de plaquettes de silicium pour la fabrication générale de dispositifs semi-conducteurs (appelées plaquettes CZ). Le procédé peut former des boules suffisamment grandes pour produire des plaquettes de silicium jusqu'à 450 mm de diamètre. Cependant, la méthode présente certaines limites. Puisque la boule est cultivée dans un quartz (SiO2), une certaine contamination par l'oxygène est toujours présente dans le silicium (typiquement 1018 atomes cm-3 ou 20 ppm). Des creusets en graphite ont été utilisés pour éviter cette contamination, mais ils produisent des impuretés de carbone dans le silicium, bien qu'à un ordre de grandeur inférieur en concentration. Les impuretés d'oxygène et de carbone abaissent la longueur de diffusion des porteurs minoritaires dans la tranche de silicium finale. L'homogénéité du dopant dans les directions axiale et radiale est également limitée dans le silicium Czochralski, rendant difficile l'obtention de plaquettes de résistivités supérieures à 100 ohm-cm.

Du silicium de plus grande pureté peut être produit par une méthode connue sous le nom de raffinage Float Zone (FZ). Dans ce procédé, un lingot de silicium polycristallin est monté verticalement dans la chambre de croissance, sous vide ou sous atmosphère inerte. Le lingot n'est en contact avec aucun des composants de la chambre à l'exception du gaz ambiant et d'un germe cristallin d'orientation connue à sa base (figure 4). Le lingot est chauffé à l'aide de bobines de radiofréquence (RF) sans contact qui établissent une zone de matière fondue dans le lingot, typiquement d'environ 2 cm d'épaisseur. Dans le processus FZ, la tige se déplace verticalement vers le bas, ce qui permet à la zone fondue de monter sur la longueur du lingot, poussant les impuretés devant la masse fondue et laissant derrière elle du silicium monocristallin hautement purifié. Les tranches de silicium FZ ont des résistivités aussi élevées que 10 000 ohms-cm.

Graphique 4. Configuration de la croissance cristalline de la zone flottante.

Une fois la boule de silicium créée, elle est coupée en longueurs gérables et chaque longueur est rectifiée au diamètre souhaité. Des méplats d'orientation qui indiquent le dopage et l'orientation du silicium pour des plaquettes de moins de 200 mm de diamètre sont également broyés dans la boule à ce stade. Pour les plaquettes de diamètre inférieur à 200 mm, le plat principal (le plus grand) est orienté perpendiculairement à un axe cristallin spécifié tel que<, 111> ou< 100=""> (voir la figure 5). Les méplats secondaires (plus petits) indiquent si une tranche est de type p ou de type n. Les tranches de 200 mm (8 pouces) et 300 mm (12 pouces) utilisent une seule encoche orientée vers l'axe du cristal spécifié pour indiquer l'orientation de la tranche sans indicateur de type de dopage. La figure 3 montre la relation entre le type de tranche et le placement des méplats sur le bord de la tranche.

Wafer flat designators for different wafer orientation and doping

Figure 5. Désignateurs plats de plaquette pour différentes orientations et dopages de plaquettes.

Une fois que la boule a été meulée au diamètre souhaité et que les méplats ont été créés, elle est coupée en fines tranches à l'aide d'une lame incrustée de diamant ou d'un fil d'acier. Les bords des tranches de silicium sont généralement arrondis à ce stade. Des marquages laser désignant le type de silicium, la résistivité, le fabricant, etc. sont également ajoutés près du plat primaire à ce moment. Les deux surfaces de la tranche non finie sont rectifiées et rodées pour amener toutes les tranches à l'intérieur d'une tolérance d'épaisseur et de planéité spécifiée. Le meulage apporte à la tranche une épaisseur approximative et une tolérance de planéité, après quoi le processus de rodage enlève le dernier morceau de matériau indésirable des faces de la tranche, laissant une surface lisse, plate et non polie. Le rodage atteint généralement des tolérances d'uniformité inférieure à 2,5 µm dans la planéité de la surface de la tranche.

La dernière étape de la fabrication de plaquettes de silicium implique chimiquementgravureéliminer toutes les couches de surface qui peuvent avoir accumulé des dommages aux cristaux et une contamination pendant le sciage, le meulage et le rodage; suivi parpolissage mécano-chimique(CMP) pour produire une surface hautement réfléchissante, sans rayures et sans dommage sur un côté de la plaquette. La gravure chimique est réalisée en utilisant une solution de gravure d'acide fluorhydrique (HF) mélangée à des acides nitrique et acétique qui peuvent dissoudre le silicium. En CMP, les tranches de silicium sont montées sur un support et placées dans une machine CMP où elles subissent un polissage chimique et mécanique combiné. Typiquement, le CMP utilise un tampon de polissage en polyuréthane dur combiné avec une suspension de particules abrasives d'alumine ou de silice finement dispersées dans une solution alcaline. Le produit fini du procédé CMP est la plaquette de silicium que nous connaissons en tant qu'utilisateurs. Il a une surface hautement réfléchissante, sans rayures et sans dommage sur un côté sur laquelle des dispositifs semi-conducteurs peuvent être fabriqués.

Production de plaquettes de semi-conducteurs composés

Les semi-conducteurs composés sont des matériaux importants dans de nombreux appareils électroniques militaires et autres appareils électroniques spécialisés tels que les lasers, les appareils électroniques à haute fréquence, les LED, les récepteurs optiques, les circuits intégrés optoélectroniques, etc. Le GaN est couramment utilisé dans de nombreuses applications commerciales LED depuis les années 1990 .

Le tableau 1 fournit une liste des semi-conducteurs composés élémentaires et binaires (deux éléments) ainsi que la nature de leur bande interdite et son amplitude. En plus des semi-conducteurs composés binaires, des semi-conducteurs composés ternaires (trois éléments) sont également connus et utilisés dans la fabrication de dispositifs. Les semi-conducteurs composés ternaires comprennent des matériaux tels que l'arséniure d'aluminium et de gallium, l'AlGaAs, l'arséniure d'indium et de gallium, l'InGaAs et l'arséniure d'indium et d'aluminium, InAlAs. Les semi-conducteurs composés quaternaires (à quatre éléments) sont également connus et utilisés dans la microélectronique moderne.

La capacité unique d'émission de lumière des semi-conducteurs composés est due au fait qu'ils sont des semi-conducteurs à bande interdite directe. Le tableau 1 indique quels semi-conducteurs possèdent cette propriété. La longueur d'onde de la lumière émise par les dispositifs construits à partir de semi-conducteurs à bande interdite directe dépend de l'énergie de la bande interdite. En concevant habilement la structure de bande interdite des dispositifs composites construits à partir de différents semi-conducteurs composés avec des bandes interdites directes, les ingénieurs ont pu produire des dispositifs électroluminescents à semi-conducteurs allant des lasers utilisés dans les communications par fibre optique aux ampoules LED à haute efficacité. Une discussion détaillée des implications des bandes interdites directes ou indirectes dans les matériaux semi-conducteurs dépasse le cadre de ce travail.

Des semi-conducteurs composés binaires simples peuvent être préparés en vrac, et des plaquettes monocristallines sont produites par des procédés similaires à ceux utilisés dans la fabrication de plaquettes de silicium. Le GaAs, l'InP et d'autres lingots semi-conducteurs composés peuvent être cultivés en utilisant le procédé Czochralski ou Bridgman-Stockbarger avec des plaquettes préparées d'une manière similaire à la production de plaquettes de silicium. Le conditionnement de surface des plaquettes semi-conductrices composées (c'est-à-dire les rendant réfléchissantes et plates) est compliqué par le fait qu'au moins deux éléments sont présents et ces éléments peuvent réagir avec des décapants et des abrasifs de différentes manières.

Système matériel	Nom	Formule	Écart d'énergie (eV)	Type de bande (I=indirect; D=direct)
IV	diamant	C	5.47	I
	Silicium	Si	1.124	I
	Germanium	Ge	0.66	I
	Boîte grise	Sn	0.08	D
IV-IV	Carbure de silicium	SiC	2.996	I
IV-IV	Silicium-Germanium	SixGe1-x	Var.	I
IIV-V	Sulfure de plomb	PbS	0.41	D
	Séléniure de plomb	PbSe	0.27	D
	Telluride de plomb	PbTe	0.31	D
III-V	Nitrure d'aluminium	AlN	6.2	I
	Phosphure d'aluminium	AlP	2.43	I
	Arséniure d'aluminium	Hélas	2.17	I
	Antimonide d'aluminium	AlSb	1.58	I
	Nitrure de gallium	GaN	3.36	D
	Phosphure de Gallium	Écart	2.26	I
	Arséniure de gallium	GaAs	1.42	D
	Antimonide de gallium	GaSb	0.72	D
	Nitrure d'indium	Auberge	0.7	D
	Phosphure d'indium	InP	1.35	D
	Arséniure d'indium	InAs	0.36	D
	Antimonide d'indium	InSb	0.17	D
II-VI	Sulfure de zinc	ZnS	3.68	D
	Séléniure de zinc	ZnSe	2.71	D
	Tellurure de zinc	ZnTe	2.26	D
	Sulfure de cadmium	CdS	2.42	D
	Séléniure de Cadmium	CdSe	1.70	D
	Tellurure de cadmium	CdTe	1.56	D

Tableau 1. Les semi-conducteurs élémentaires et les semi-conducteurs composés binaires.

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