OD KŘEMENE KE KŘEMÍKOVÉ DESCE

OD KŘEMENE KE KŘEMÍKOVÉ DESCE
Výroba monokrystalů křemíku a křemíkových desek Verze 2.1 Cz

VPS Tato prezentace byla vytvořena pro potřeby společnosti ON Semiconductor, s cílem přiblížit principy výroby monokrystalů křemíku a křemíkových desek. Podrobnosti z výrobního procesu, obrázky a videoklipy pochází ze společnosti TEROSIL, a.s., se sídlem v Rožnově pod Radhoštěm, Česká republika. Děkujeme za jejich přátelskou výpomoc při tvorbě této prezentace. V rámci úsilí o neustálé zlepšování našich výrobků Vám budeme vděčni za jakékoliv připomínky a návrhy, jež by nám pomohly při výrobě dalších verzí podobných prezentací. Piešťany, březen 2002 VPS s.r.o., P.O. Box B-11, Partizanska 31, Piestany 1, Slovensko tel., fax.: ,

Ovládání prezentace   Ovládání pomocí myši Video
Kliknutí levého tlačítka myši, pokud kurzor myši není na některém ovládacím tlačítku anebo na videu, posune prezentaci o jeden krok vpřed. Pokud je na snímku video, je v hnědém rámečku, jako vpravo dole na tomto snímku. Umístěním kurzoru myši na plochu videa se tvar kurzoru změní na . Stlačení levého tlačítka myši pak spustí video. Kliknutím levého tlačítka na běžící video se video zastaví.  Ovládání z klávesnice Stejnou funkci jako levé tlačítko myši má klávesa N (nezávisle na poloze kurzoru). Opačnou funkci, tedy návrat o jeden krok zpět, má klávesa P. Prezentace se ukončí klávesou Esc. Ovládací tlačítka na snímku Umístěním kurzoru myši na tlačítko se tvar kurzoru změní na . Stlačení levého tlačítka myši pak aktivuje jeho funkci .  přechod na snímek Obsah návrat na poslední zobrazený snímek Pokud si nevšimnete průběh některé animace, stiskněte klávesu P (zpět) a znovu spusťte animaci klávesou N (vpřed). následující snímek konec prezentace

Obsah Úvod Co je uvnitř integrovaného obvodu? Křemík Křemík - struktura Křemík - uvnitř monokrystalu Krystalografické poruchy Dopování Křemíková deska Výroba křemíku Polykrystalický křemík Výroba křemíkových desek Broušení hran desky Oboustranné lapování Leptání Zařízení pro leptání Úprava zadní strany Zařízení CVD Leštění Zařízení pro leštění Chemické čištění Kontrola Finální mechanické čištění Finální kontrola Epitaxe Epitaxní reaktor Charakteristika epitaxní vrstvy Czochralského metoda růstu monokrystalu Tažička Czochralského Rozhraní krystal - tavenina Kyslík a uhlík v monokrystalu křemíku Rozdělovací koeficient Ingot monokrystalu křemíku Broušení a měření monokrystalu Obroušený krystal s fasetou Příloha Čisté prostory Některé fyzikální jednotky Kliknutím na tento rámeček přejdete na snímek s pokyny k ovládání prezentace

Úvod Společnost TEROSIL, a.s., se sídlem v Rožnově pod Radhoštěm, Česká republika, je výrobcem monokrystalů křemíku, křemíkových desek a epitaxních vrstev pro široké použití v elektronice a mikroelektronice. Majoritním vlastníkem firmy TEROSIL, a.s. je společnost ON Semiconductor, světový výrobce vysoce výkonných integrovaných obvodů pro komunikační účely, řízení napájení a jiných standardních polovodičových prvků.

Co je uvnitř integrovaného obvodu?
Základním materiálem čipu je polovodič - křemík. Když odstraníme černou hmotu z pouzdra, vidíme, že přívody směřují k malému kousku křemíku, ve kterém probíhá celá činnost integrovaného obvodu. Tento malý kousek hmoty nazýváme čip (z anglického slova chip - úlomek). Po zvětšení vidíme jeho strukturu.

Tvrdost 7 dle Mohsovy stupnice Šířka zakázaného Eg = 1,12 eV pásu
Křemík Křemík se v přírodě nevyskytuje v elementárním stavu, ale ve sloučeninách. Hlavními z nich jsou křemičitany a křemen. Křemenný písek (SiO2) je základní zdroj křemíku pro polovodičový průmysl. Křemík se nachází na Zemi ve velkém množství. Země je tvořena přibližně 40% železa, 28% kyslíku a 14,5% křemíku. V zemské kůře je křemík zastoupen dokonce jako druhý nejčastější prvek - 28%. Složení Zeměkoule Si Fe O 2 Ostatní Bod tání 1 413°C Bod varu 2 355°C Hustota kg/m3 Tvrdost 7 dle Mohsovy stupnice Šířka zakázaného Eg = 1,12 eV pásu Atomová hustota atomů/cm3

14Si 28,0885 Křemík Křemík - struktura a = 0,543 nm 2,33 g/cm3
Každý atom křemíku má čtyři sousedy se kterými tvoří vazbu. Nutno dodat, že vhodné vlastnosti pro polovodičové součástky má křemík pouze tehdy, když jsou atomy v celém objemu čipu uspořádány přesně podle této krystalové mřížky. Takovému uspořádání říkáme monokrystal. Na následujícím obrázku je znázorněn výhled fiktivního pozorovatele uvnitř monokrystalu křemíku. Když se posune kopie takovéto struktury o 1/4 tělesové úhlopříčky, původní i posunuté atomy tvoří již zmíněnou mřížku diamantového typu. Krystalografická struktura křemíku je diamantového typu. Jejím základem je plošně centrovaná kubická mřížka - krychle s atomy ve vrcholech a ve středech stěn. Křemík je chemický prvek ze čtvrté skupiny periodické soustavy prvků. a = 0,543 nm 28,0885 14Si 2,33 g/cm3 Křemík

Křemík - uvnitř krystalu

Krystalografické poruchy
Šroubovou dislokaci lze zjednodušeně popsat tak, jako kdybychom vrstvu atomů částečně rozstřihli a posunuli vzájemně na opačnou stranu. Krystalografických poruch je celá řada. Defekty lze zviditelnit pomocí selektivního leptání povrchu křemíku. Krystalografické poruchy se pak objeví podobně jako na tomto mikrosnímku. Hranová dislokace vznikne, pokud je do pravidelné struktury krystalu vložena celá polorovina atomů navíc. Jakákoliv nedokonalost ve struktuře krystalu je považována za poruchu - defekt. Porucha může ovlivnit elektrické a mechanické vlastnosti krystalu. Ke znázornění různých typů těchto poruch použijeme zjednodušenou strukturu krystalu (ne křemíku). Atom chybějící v pravidelné struktuře způsobuje prázdné místo - vakanci. Atom, který přebývá v pravidelné struktuře krystalu, se nazývá intersticiál. Vakance Hranová dislokace Intersticiál Šroubová dislokace

51Sb 33As 15P 5B 14Si Typ vodivosti P Typ vodivosti N Dopování
Pro dopování křemíku stačí nepatrné množství dopantu. Jeho koncentrace se vyjadřuje v počtu atomů dopantu na jednotkové množství křemíku (obvykle cm3). Z fyzikálního hlediska, příměs bóru vyvolá v křemíku jiný mechanismus přenosu elektrického proudu, než příměs fosforu a arzénu. Křemík dopovaný bórem označujeme jako křemík s typem vodivosti P. Křemík dopovaný fosforem, arzénem nebo antimonem je křemík s typem vodivosti N. Rozsah koncentrací dopantů používaných v polovodičovém průmyslu je od 1014 do 1020 atomů dopantu/cm3. Samotná krystalová mřížka křemíku obsahuje atomů/cm3. Příměsí některých chemických prvků - dopantů - lze výrazně ovlivnit elektrickou vodivost křemíku. Používá se zejména bór, fosfor, arzén a antimon. III.A V.A IV.A 121.75 51Sb Antimon 74,9216 33As Arzén 15P Fosfor 10,81 5B Bor 14Si Křemík Typ vodivosti P (Pozitivní) Typ vodivosti N (Negativní)

P <100> <111> <100> Křemíková deska Pomocná faseta
Na následujících stránkách Vám poskytneme detailní popis celého procesu výroby křemíkových desek. Typ vodivosti (P nebo N) a krystalografická orientace křemíkové desky jsou zakódovány ve vzájemné poloze hlavní a pomocné fasety. Funkční strana křemíkové desky je leštěná. Desky se nařežou z ingotu monokrystalu křemíku. Monokrystalický ingot se vyrábí z roztaveného křemíku ve speciálních zařízeních. Z hlediska vlastností křemíkové desky je důležitá orientace krystalografické struktury vzhledem k jejímu povrchu. V praxi jsou významné dvě orientace, které se označují <111> a <100>. Proto se vyrábí mnoho čipů najednou na jedné křemíkové desce, a nakonec se deska rozřeže na jednotlivé čipy. Křemíková deska je kruhového tvaru. Používají se průměry 100, 125, 150 mm i více. Deska průměru 100 mm má tloušťku asi půl milimetru. Materiál desky bývá dopován, a je tedy typu P nebo N. Čip integrovaného obvodu je velmi malý, má plochu jen několik čtverečních milimetrů. Vyrábět každý čip samostatně by bylo komplikované, ne-li nemožné. Hlavní faseta <111> <100>

Křemenný písek Si + 2CO SiHCl3 + H2 Si + 3HCl Výroba křemíku SiO2 + 2C
Tento křemík je sice velmi čistý, není ale monokrystalický. Označujeme jej jako polykrystalický křemík nebo polykrystal. Polykrystalický křemík pro elektroniku (viz následující obrázek) je základním materiálem pro výrobu monokrystalů křemíků. Prvním krokem je přeměna křemenného písku na křemík, a to chemickou reakcí křemene s uhlíkem. Takto vzniká hutní křemík. Hutní křemík není dostatečně čistý pro polovodičovou technologii. Proto je převeden na trichlorsilan (SiHCl3), který po čištění destilací a následné reakci s vodíkem (H2) vytvoří vysoce čistý křemík pro elektroniku. Křemenný písek SiO2 + 2C Si + 2CO Hutní křemík Si + 3HCl SiHCl3 + H2 Trichlorsilan Čištění trichlorsilanu SiHCl3 + H2 Si + 3HCl Křemík pro elektroniku

Polykrystalický křemík

Souhrn kapitoly č.1 Úvod Co je uvnitř integrovaného obvodu? Křemík
Křemík - struktura Křemík - uvnitř monokrystalu Krystalografické poruchy Dopování Křemíková deska Výroba křemíku Polykrystalický křemík Výroba křemíkových desek Broušení hran desky Oboustranné lapování Leptání Zařízení pro leptání Úprava zadní strany Zařízení CVD Leštění Zařízení pro leštění Chemické čištění Kontrola Finální mechanické čištění Finální kontrola Epitaxe Epitaxní reaktor Charakteristika epitaxní vrstvy Czochralského metoda růstu monokrystalu Tažička Czochralského Rozhraní krystal - tavenina Kyslík a uhlík v monokrystalu křemíku Rozdělovací koeficient Ingot monokrystalu křemíku Broušení a měření monokrystalu Obroušený krystal s fasetou Příloha Čisté prostory Některé fyzikální jednotky

Czochralského metoda růstu monokrystalu
Poté je rychlost tažení snížena, což vede ke zvětšování průměru monokrystalu. V této druhé fázi růstu se vytvoří tzv. hlava. V této počáteční fázi je rychlost tažení větší, aby se udržel malý průměr rostoucího krystalu, tzv. krček. Smyslem tvorby krčku je odstranění dislokací z krystalu. Vsádka s polykrystalem se roztaví v kelímku z křemenného skla. Do vzniklé taveniny se ponoří monokrystalický zárodek, který se otáčí a současně vytahuje z taveniny. Na jeho konci roste monokrystal. Po dosažení požadovaného průměru krystalu provedeme tzv. zarovnání. Šipky na obrázku naznačují, jak se monokrystal i kelímek otáčejí. Kelímek se navíc zvedá, aby byla klesající hladina taveniny stále ve stejné výšce. Na přiloženém videozáznamu můžete vidět jednotlivé fáze procesu růstu monokrystalu křemíku. V závěrečné fázi je rychlost tažení zvýšena, aby došlo ke zmenšení průměru krystalu. Úzký konec snižuje vliv teplotního šoku na zbytek těla krystalu, ke kterému dojde při vytažení krystalu z taveniny. Rostoucí krystal bude kopírovat krystalografickou orientaci zárodku. Proto musí být zárodek vybrán podle požadované orientace finální křemíkové desky. Monokrystal postupně roste a je vytahován z taveniny. Rozhodující parametry tohoto procesu, jež musí být kontrolovány, jsou: teplota, rychlost tažení, rychlosti otáčení, tlak argonu a jeho průtok. Cílem metody je přeměnit výchozí materiál v monokrystal křemíku. Do kelímku z křemenného skla je vložen polykrystal (viz foto) a dopant. Zárodek monokrystalu umístíme do zařízení na výrobu monokrystalu - do tažičky. Proces, ve kterém je monokrystal vyráběn z taveniny, popsal jako první Czochralski v roce Od té doby byla tato metoda značně vylepšena a je stále nejpoužívanějším způsobem výroby vysoce kvalitních monokrystalů křemíku. Směr otáčení kelímku Směr otáčení zárodku Kelímek z křemenného skla Grafitový kelímek (susceptor) Grafitové vyhřívací těleso Hřídel Tavenina Držák zárodku Zárodek Zarovnání Krček Hlava Tělo Špička

Tažička Czochralského
Přívod argonu Optický pyrometr Kamera (kontrola průměru) Oddělovací ventil Průzor Vakuové odsávání Vodou chlazený plášť Otáčení kelímku Směr otáčení zárodku Zvedací mechanismus, jenž drží zárodek a rostoucí monokrystal, umožňuje kontrolovat rychlost tažení a otáčení. Oddělovací ventil umožňuje přístup do horní komory bez zavzdušnění komory dolní. Schematickou kresbu tažičky Czochralského nyní můžete srovnat s obrázkem skutečného zařízení. Další část zařízení je tepelný štít, který snižuje tepelné ztráty. Celý systém je umístěn ve vakuové komoře s pláštěm, který je chlazen vodou. Proces růstu krystalu je kontrolován počítačem, a také sledován pyrometrem a kamerou. Kelímek z křemenného skla je držen grafitovým kelímkem. Oba kelímky jsou umístěny na grafitovém podstavci, který umožňuje jejich otáčení a zdvih. Kolem grafitového kelímku se nachází grafitové vyhřívací těleso (topidlo). Kelímek z křemenného skla je ta část, která obsahuje taveninu křemíku. Materiál kelímku musí být vybrán tak, aby reagoval s taveninou jen velmi pomalu. Proto je jediným vhodným materiálem, jenž může být použit, křemenné sklo. Lanko Držák zárodku Kelímek z křemenného skla Grafitový kelímek Grafitové vyhřívací těleso Tepelný štít Přívody elektrického proudu Hřídel

Rozhraní krystal - tavenina
průřez (černě) Ke krystalizaci dochází na rozhraní mezi krystalem a taveninou. Tvar rozhraní přímo ovlivňuje dokonalost krystalizace a radiální rozložení příměsí v krystalu. Konkávní tvar pomáhá odstranit dislokace a je udržován během celého růstu těla krystalu. Proudění taveniny je také ovlivněno otáčením krystalu, otáčením kelímku, i vytahováním krystalu. Správná kombinace otáčení krystalu a kelímku je používána pro dosažení požadovaného proudění - obrázek vpravo dole. Proudění taveniny v kelímku má velký vliv na tvar rozhraní a na kolísání množství příměsí během růstu krystalu. Samovolné proudění vzniká díky teplotním rozdílům v tavenině - obrázek vlevo dole. Teplota oblasti mezi taveninou a krystalem musí být udržována na bodu tuhnutí. Toto je nejstudenější část taveniny (v opačném případě by k tuhnutí docházelo i v jiných oblastech). Přísuny a úbytky tepla musí být sledovány a regulovány tak, aby byl zajištěn správný růst krystalu. Základem celého procesu je přeměna taveniny v pevnou látku. Aby krystal rostl, atomy taveniny se musí uspořádat do krystalové mřížky pevného skupenství. Proto je velmi důležitá kontrola průběhu procesu na rozhraní mezi taveninou a krystalem. Rozhodující je kontrola teploty na rozhraní mezi krystalem a taveninou, zejména kontrola toku tepla. Proudění tepla Přísun tepla Úbytek tepla Směr otáčení krystalu Směr otáčení kelímku Bez otáčení Proudění Konvexní rozhraní Konkávní rozhraní

Kyslík a uhlík v monokrystalu křemíku
V krystalu se nalézají i stopy dalších nečistot. Jejich koncentrace je ale nižší než koncentrace uhlíku a hromadí se hlavně ve zbytku taveniny, který zůstane v kelímku. Uhlík se do taveniny dostane jako nečistota z polykrystalu, a také reakcí mezi grafitovým vyhřívacím tělesem a monooxidem křemíku odpařujícím se z taveniny. Koncentrace uhlíku v krystalu je mnohem menší než koncentrace kyslíku. Kyslík je nejběžnější příměsí v monokrystalu. Jeho hlavním zdrojem je materiál kelímku - křemenné sklo (SiO2). Povrch kelímku reaguje s taveninou a vytváří monooxid křemíku (SiO). Většina monooxidu se odpaří povrchem taveniny, ale malé množství v tavenině zůstane. SiO + 2C SiC + CO CO, CO2 SiO SiO Kelímek z křemenného skla Grafitové vyhřívací těleso Grafitový kelímek

Rozdělovací koeficient
kovy dopanty Prvek Rozdělovací koeficient Fe 0,000008 Au 0,000025 Ni 0,00003 Cu 0,0004 N 0,0007 Sb 0,023 C 0,07 As 0,3 P 0,35 B 0,8 O 1,25 Většina prvků má rozdělovací koeficient menší než 1. Díky tomu se zabuduje do krystalu jen část dopantu. Zbytek zůstává v tavenině, kde se během celého procesu hromadí. Jelikož koncentrace dopantu v tavenině narůstá, zvětšuje se i koncentrace dopantu v krystalu. Koncentrace dopantu v krystalu bude nejnižší na počátečním horním konci a nejvyšší na spodním konci krystalu. Na grafu vlevo dole vidíte příklad rozložení koncentrací dopantu v celém krystalu. Těžké kovy mají velmi nízké rozdělovací koeficienty, což vede k pozdějšímu dalšímu čištění materiálu. Například fosfor má rozdělovací koeficient 0,35. To znamená, že v blízkosti rozhraní je v krystalu koncentrace dopantu (fosforu) 0,35 krát koncentrace fosforu v tavenině. Abychom docílili požadovanou úroveň dopantu v krystalu, musí být koncentrace dopantu v tavenině přiměřeně větší. Při růstu krystalu jsou ve vzájemném kontaktu pevný monokrystal a tekutá tavenina. Na rozhraní mezi nimi dochází k přerozdělení dopantu. Míru přerozdělení dopantu udává rozdělovací koeficient. Je to poměr koncentrací dopantu v monokrystalu a tavenině. Důležitou operací v procesu výroby monokrystalu je přidání přesného množství dopantu do kelímku se vsádkou polykrystalu. koncentrace Koncentrace [1019cm-3] C(p) = C0(1-p)k-1 p - normalizovaná délka (p = 1 for Lmax) k - segregační koeficient Odpor [mWcm] odpor CLIQUID = 1,0 x 1019 cm-3 CSOLID = 3,5 x 1018 cm-3 Rozdělovací koeficient: k = CSOLID CLIQUID

Broušení a měření monokrystalu
Krystalografická orientace osy válce je dána orientací zárodku. Na povrchu krystalu se vybrousí rovina - faseta, a tím se označí radiální krystalografická orientace krystalu. Správná pozice fasety se přesně určí pomocí rentgenové difrakce. Na další stránce naleznete fotografii válce monokrystalu křemíku s fasetou. Část krystalu se vloží do zařízení na broušení, kde se odbrousí povrch krystalu až do požadovaného průměru válce. Při členění krystalu se odřeže několik tenkých desek na měření. Obvykle se měří měrný odpor, koncentrace kyslíku a uhlíku. Výběr několika desek umožňuje zjistit průběhy měřených parametrů. Monokrystal se rozřeže na několik částí. U koncové části se ověří, zda neobsahuje dislokace. Konce krystalu se odstraní. Rentgenové záření Čidlo

Ořezaný Ingot

Výroba křemíkových desek
VIDEO 352 x 288 Pila je vyrobena z tenkého nerezového kotouče s otvorem uprostřed. Vnitřní ostří pily pokrývá diamantový bort s niklovou matricí. Toto ostří se používá k řezání monokrystalu křemíku. Narušení povrchu desek je zapříčiněno tím, že řezání je určitou formou broušení. K poškození dochází kdekoliv, kde je pila v kontaktu s krystalem. Narušený materiál musí být odstraněn několika následujícími operacemi. Na přiloženém videu uvidíte krátké záběry z procesu řezání. Při řezání desek je důležité docílit rovný řez v určitém úhlu ke krystalografické orientaci. Abychom dosáhli co největší výtěžnosti, je nutné nemrhat příliš materiálem a minimálně narušovat povrch desek. Kvůli tomu je ostří pily chlazeno a omýváno vodou s detergentem. Výroba desek z monokrystalu křemíku začíná operací řezání. Ke krystalu se přilepí grafitová podložka. Lepidlo drží desku i poté, co ji pila odřeže z monokrystalu. Voda Nerezový kotouč Diamantový bort s niklovou matricí Křemík Narušení materiálu

Broušení hran desky Deska se umístí na vakuový držák, kde se pomalu otáčí, zatímco brusný kotouč rotující větší rychlostí je tlačen proti její hraně. Brusný kotouč má drážku ve tvaru špičky projektilu, který požadujeme i pro tvar hrany desky. V drážce se nachází diamantové částečky. Po řezání mají desky ostré hrany. Tyto hrany nyní zaoblíme do tvaru projektilu, což zvětší jejich pevnost a odolnost vůči možné lámavosti v dalším procesu výroby. Velká rychlost Malá rychlost

Oboustranné lapování VIDEO 352 x 288
Křemíkové desky v unašečích a níže popisovaný lapovací kotouč uvidíte na videu s ukázkou oboustranného planetárního lapovacího zařízení. Pro lepší demonstraci byl nadzvednut horní lapovací kotouč, abychom mohli vidět pohyb desek. Na konci videa je ukázka celého zařízení během lapovacího procesu. Brusná suspenze (roztok Al2O3 s vodou a detergentem) se nanese na povrch desek. Desky se mezi lapovacími kotouči pohybují, a tím se odstraňuje část narušeného křemíku. Povrch je poté více stejnoměrný a desky jsou velmi rovné. Desky se umístí do unašeče, kde jsou hnány mezi dvěma litinovými lapovacími kotouči. Unašeč je tenčí než desky a umožňuje, aby obě strany desek byly lapovány současně. Dalším krokem ve výrobě křemíkových desek je operace lapování. Jejím cílem je udělat povrch desky hladký, rovný a rovnoběžný. Unašeč Lapovací kotouč Křemíková deska Ozubený věnec Brusná suspenze

viz kapitola „Výroba křemíkových desek“
Leptání Oba způsoby leptání, louhové i kyselinové, mají své výhody a nevýhody. Všechny tyto aspekty je třeba zvážit při výběru vhodného typu leptání. Jejich srovnání naleznete v níže uvedené tabulce. Na další stránce je obrázek zařízení na leptání s chemickou lázní. Další způsob leptání křemíkových desek je kyselinové leptání. Běžně se používá roztok HNO3 a HF. Někdy se do roztoku přidávají další chemické sloučeniny, aby byla reakce lépe kontrolovaletná. V každém případě je tento proces hodně prudký a je nutno jej pevně řídit, jelikož nemá vlastnost samočinné regulace. Diagram vpravo dole znázorňuje rychlosti leptání u typického kyselinového a louhového leptání. Je vidět, že leptání kyselinou je po celou dobu trvání velmi silné, a proto musí být řízeno pozorně až do okamžiku, kdy má deska požadované vlastnosti. Jedna z metod leptání desek je použití alkalického hydroxidu jako je hydroxid draselný (KOH). Desky se ponoří do roztoku KOH s vodou asi na 2 minuty. Teplota roztoku je obvykle zvýšena na cca 100°C. Poté se desky ponoří do lázně s deionizovanou vodou, aby byly zastaveny další reakce. Lapování sice umožní odstranit větší část narušeného povrchu desky, zanechá ale za sebou tenkou, stejnoměrně porušenou vrstvu. Proto musí být použity další metody, které odstraní poškození z lapování bez toho, aby způsobily jakékoliv další. K tomuto účelu se obvykle používá chemické leptání. Si + H2O + 2KOH K2SiO3 + 2H2 Louhové leptání Kyselinové leptání 3Si + 4HNO3 + 18HF 3H2SiF6 + 4NO + 8H2O Si + 4HNO3 + 6HF H2SiF6 + 4NO2 + 4H2O viz kapitola „Výroba křemíkových desek“ Kyselina Louh Louhové Vytváří povrch, který má leptové důlky Leptací rychlost je konstantní během celé životnosti lázně. Snadno řiditelné; leptací rychlost klesá při odstranění narušení povrchu Není rizikové vůči životnímu prostředí. Kyselinové Vytváří hladký povrch. Leptací rychlost se mění. Obtížně řiditelný; leptací rychlost není omezena narušením povrchu. Uvolňuje plyny, jež musí být asanovány.

Zařízení na leptání

Depozice polykrystalu
Úprava zadní strany Na dolním obrázku je sada křemíkových desek, připravená v unašeči na depozici. Na další straně pak uvidíte zařízení na chemickou depozici z plynné fáze. Také vrstva polykrystalu na zadní straně desky zabraňuje dopantu v rozptylu do prostoru. Navíc na sebe váže těžké kovy. K depozici polykrystalické vrstvy se obvykle používá silan (SiH4). K tomuto účelu může být použita vrstva oxidu křemičitého, která dopant nepropouští. Nanese se na desku chemickou depozicí z plynné fáze (LPCVD). Zadní strana se upravuje u desek, které jsou vysoce dopované, a které v dalším procesu projdou přes vysoké teploty. Na zadní stranu se nanese vrstva, jež zabrání v rozptylu dopantu do prostoru. Depozice oxidu SiH4 + O2 SiO2 + 2H2 420°C Depozice polykrystalu SiH4 Si + 2H2 620°C

Zařízení na chemickou depozici

Leštění Přisáté desky drží na vložkách i při otočení unašeče šablonou dolů. Leštící podložka je připevněna ke kotouči. Kotouč a unašeče se otáčejí kolem svých vlastních os. Na přiloženém videu jsou záběry operace, při níž se uvolňují vyleštěné desky ze šablon. Na další stránce uvidíte fotografii zařízení na leštění. Účelem procesu leštění křemíkových desek je vytvořit velmi hladký, rovný povrch bez jakýchkoliv poruch. Na rozdíl od lapování je to chemicko-mechanický proces. To je důvod, proč je povrch desky po leštění mnohem hladší než po lapování. Jedna z metod leštění je technologie s využitím šablon (template). Desky se umístí na kruhovou šablonu přilepenou k unašeči. V šabloně leží na měkké polyuretanové vložce, která má pórovitou strukturu. Křemíkové desky se po přitlačení na tuto vodou nasáklou vložku přisají. Leštící suspenze Skládá se z částic oxidu křemičitého (SiO2) ve vodní suspenzi s organickou zásadou a detergentem. Leštící suspenze Křemíková deska Vložka Unašeč Šablona Leštící podložka Kotouč

Zařízení na leštění

Chemické čištění VIDEO 352 x 288 H2SO4 + H2O2 (130°C) H2O + HF
Po předchozích krocích se na povrchu desky mohou stále vyskytovat kovové nečistoty. Odstraňují se roztokem HCl a H2O2 s vodou, který je známý jako SC2 (Standard Clean 2). Roztok oxiduje a reaguje s kovy na povrchu křemíku. Po tomto čištění je povrch zbaven nečistot, avšak stále může být na deskách malý počet částic. Video vpravo ukazuje čistící linku, a také záběr do megasonické čistící lázně. Nečistoty se nachází hlavně na tenké vrstvě oxidu, která je na povrchu desek. Úlohou dalšího kroku - zředěné kyseliny fluorovodíkové - je odleptat tuto vrstvu oxidu, a také zbytky leštící suspenze. Během chemického čištění se na desky také působí megasonickými vlnami. Jsou to akustické vlny velmi vysoké frekvence (kolem 1 MHz), které vyvíjejí na částice síly, jež je oddělují od povrchu desky. Pro odstranění částic se nejčastěji používá roztok SC1 (Standard Clean 1). Je to zahřátá směs NH4OH a H2O2 s vodou. Hydroxid amonný podleptá částice zachycené na povrchu a eliminuje přitažlivé síly. Peroxid vodíku je oxidující látka, která na povrchu desky vytváří tenkou, čistou vrstvu oxidu, což činí desku hydrofilní a zamezuje znovuusazování částic. Nejrozšířenější metodou čištění desek po leštění je čištění v chemických roztocích, které se skládá z několika kroků. Prvním z nich je horká směs kyseliny sírové a peroxidu vodíku zvaná Piraňa. Rozloží prakticky veškeré organické nečistoty na povrchu desky na oxid uhličitý a vodu. Po leštění je na povrchu desek velké množství nečistot. Těmito nečistotami jsou většinou částice, organické zbytky a kovové ionty. Chemickým čištěním se odstraňují z povrchu. Částice Organický zbytek Iont kovu Vrstva oxidu H2SO4 + H2O2 (130°C) H2O + HF H2O + NH4OH + H2O2 (70°C) H2O + HCl + H2O2 (70°C)

Kontrola VIDEO 352 x 288 Další kontrolovanou veličinou je TIR (total indicator reading), která se vztahuje pouze k přední straně desky. Měření se provádí vzhledem k rovině vakuového držáku, k němuž je deska přisáta. TIR je rozdíl mezi výškou nejvyššího a nejnižšího bodu na přední straně desky. Na videu uvidíte bezkontaktní měřící zařízení. Finální vizuální kontrola, jejíž ukázka je rovněž na konci videa, je ve skutečnosti prováděna na konci celého procesu. Měřítkem proměnnosti tloušťky desky je TTV (total thickness variation). Je to rozdíl mezi maximální a minimální tloušťkou desky. Vyleštěné a vyčistěné desky jsou připraveny ke kontrole. Během procesu kontroly se bezkontaktními metodami měří elektrický měrný odpor a geometrické parametry. Měřítkem deformace desky je veličina zvaná warp. Warp je velikost rozdílu mezi největší a nejmenší vzdáleností střední čáry desky a roviny, jež je určena třemi body na okrajích desky. Střední čára desky Rovina Dmax Křemíková deska Dmin Warp = (Dmax - Dmin) / 2 TIR = hmax - hmin hmax Křemíková deska hmin Vakuový držák Tmax Křemíková deska Tmin TTV = Tmax - Tmin

Finální mechanické čištění
VIDEO 352 x 288 Toto čištění PVA kartáči velmi účinně odstraňuje částice. Po opláchnutí deionizovanou vodou a vysušení jsou desky připraveny k poslední vizuální kontrole a balení. Toto čištění i poslední vizuální kontrola se provádí v čistých prostorech třídy 10. Ukázka čištění kartáči je na videu vpravo nahoře. Během tohoto procesu proudí zředěný hydroxid amonný (NH4OH) přes povrch desky. Současně se povrchu dotýkají velmi jemné rotující kartáče s PVA vlákny. Desky se chemicky čistí, aby byly odstraněny částice a kovové nečistoty. Po následné kontrole se ale na povrchu může opět objevit zvýšený počet částic. Proto se provádí finální mechanické čištění kartáči - scrubbing.

Finální kontrola Další informace na adrese: www.terosil.com
Průměr Si desky: 100, 125, 150 mm TTV: < 5 µm TIR: < 4 µm WARP: < 30 µm (obvykle pro 100 mm desky) Částice >0,5 µm < 5 Kontaminace kovu:  3x1010 atomů/cm2 Další informace na adrese:

Epitaxe VIDEO 320 x 240 Cl H Si H Cl H P H Si
Po oleptání povrchu se přivádí páry chloridu křemičitého SiCl4. Ten při vysoké teplotě reaguje s přítomným vodíkem. Výsledkem reakcí jsou volné atomy křemíku, které se usazují na povrchu křemíkové desky, sledujíce její krystalovou strukturu. Pokud jsou přítomny molekuly fosfinu PH3, vznikající atomy fosforu dopují rostoucí epitaxní vrstvu. Podobně mohou být použity pro dopování i sloučeniny bóru. Výsledkem procesu je epitaxní vrstva tlustá několik mikrometrů až desítky mikrometrů. Na přiloženém videu jsou záběry z nakládání desek na susceptor a jejich vykládání. Je vidět také řídící panel epitaxního reaktoru. Pro určité použití křemíkových desek je nutné na materiálu s nízkým odporem vytvořit další vrstvu materiálu s vysokým odporem. K tomuto účelu slouží proces epitaxe. Proces probíhá při vysoké teplotě °C. Kolem rozžhavených desek proudí vodík. Když se přidá chlorovodík HCl, začne reagovat s křemíkem a odleptává povrch desky. To je důležité, aby se odstranily všechny nečistoty anebo povrchové poruchy struktury křemíku. Epitaxe je narůstání vrstvy křemíku na povrchu křemíkové desky. Tato vrstva má stejné krystalografické vlastnosti jako podložka, ale může mít jinou koncentraci dopantu anebo dopant jiný. Cl H Si H Cl H P H Si

Epitaxní reaktor Při vysoké teplotě proběhne proces jak je popsán na snímku Epitaxe. Potom je susceptor s deskami ochlazen, a po proplachu dusíkem vytažen z pracovní komory. Při technologickém postupu je pracovní komora s deskami proplachována dusíkem, a pak vodíkem. V prostředí vodíku je susceptor s deskami ohřátý indukčním ohřevem na teplotu kolem 1200°C. Epitaxní reaktor je zařízení pro růst epitaxní vrstvy. Křemíkové desky se uloží na grafitový blok -susceptor. Susceptor s deskami je umístěn do pracovní komory z křemenného skla. Kolem komory je cívka indukčního ohřevu. N2 H2 HCl SiHCl3 PH3 B2H6 Asanace plynů

Charakteristika epitaxní vrstvy
Průměr Si desky: 100, 150 mm Tloušťka epitaxní vrstvy: µm Odpor epitaxní vrstvy: cm Další informace na adrese:

na krychlovou stopu (cca 30 l)
Čisté prostory Lidé pracující v čistých prostorech potřebují dostatek kyslíku. Netěsnosti ve stěnách a technologické odsávání způsobují, že se část upraveného vzduchu ztratí. Filtrovaný vzduch v čistém prostoru má podle stupně filtrace 10 až prachových částic v krychlové stopě a regulovanou teplotu i vlhkost. Proto se pro polovodičovou výrobu staví speciální čisté prostory. Jsou to v podstatě místnosti se zdvojenou děrovanou podlahou a zdvojeným stropem vybaveným filtry. Nepatrné množství příměsí dokáže značně ovlivnit vlastnosti křemíku. V běžném prostředí je asi prachových částic v krychlové stopě vzduchu (30 l). V takovém prostředí by byla výroba polovodičových součástek problematická. Ventilátorem se vzduch vhání nad filtry, prochází přes ně do prostoru, a přes děrovanou podlahu je odsáván. Po úpravě teploty a vlhkosti se znovu vhání nad filtry. Dostatek kyslíku a náhrada ztráty vzduchu odsáváním a netěsnostmi jsou zabezpečeny nasáváním a úpravou čerstvého vzduchu z okolí (cca 20%). prachových částic na krychlovou stopu (cca 30 l) Nasávání čerstvého vzduchu Výfuk odsávání Úprava teploty a vlhkosti STROPNÍ FILTRY 1 000 Přetlak 10-15 Pa Rychlost proudění 0,5 m/s Netěsnost Zdvojená podlaha s otvory pro odvod vzduchu

Některé fyzikální jednotky
Angström - délková jednotka. Jeden angström je m. Bar - jednotka tlaku. Jedna atmosféra je 1,0133 barů. Kubická stopa [cft] - jednotka objemu. Jedna kubická stopa je 28,32 litrů. Elektronvolt - jednotka energie. Jeden elektronvolt je 1, joulů. Galon - jednotka objemu. Jeden U.S. galon je 3,785 litrů. Palec (inch) - délková jednotka. Jeden palec je 2,54 cm. ppm = parts per million (např. počet defektů na milion produktů) ppma = parts per million atoms (např. počet atomů dopantu na milion atomů křemíku) ppmw = parts per million weight (např. počet váhových jednotek příměsi na milion váhových jednotek materiálu) ppb =parts per billion (10-9). ppt = parts per trillion (10-12). PSI = Pounds per Square Inch. Jednotka tlaku. Jedna atmosféra je 14,696 PSI. Torr - jednotka tlaku. Jedna atmosféra je 760 torrů.

OD KŘEMENE KE KŘEMÍKOVÉ DESCE

Podobné prezentace

Prezentace na téma: "OD KŘEMENE KE KŘEMÍKOVÉ DESCE"— Transkript prezentace:

Podobné prezentace

O projektu

Kontaktní formulář

Přihlásit se

Přihlásit se přes sociální síť:

OD KŘEMENE KE KŘEMÍKOVÉ DESCE

Podobné prezentace

Prezentace na téma: "OD KŘEMENE KE KŘEMÍKOVÉ DESCE"— Transkript prezentace:

Podobné prezentace

O projektu

Kontaktní formulář