Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Silicon V2.1 Cz OD KŘEMENE KE KŘEMÍKOVÉ DESCE Výroba monokrystalů křemíku a křemíkových desek Verze 2.1 Cz.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Silicon V2.1 Cz OD KŘEMENE KE KŘEMÍKOVÉ DESCE Výroba monokrystalů křemíku a křemíkových desek Verze 2.1 Cz."— Transkript prezentace:

1 Silicon V2.1 Cz OD KŘEMENE KE KŘEMÍKOVÉ DESCE Výroba monokrystalů křemíku a křemíkových desek Verze 2.1 Cz

2 Silicon V2.1 Cz 2 VPS VPS s.r.o., P.O. Box B-11, Partizanska 31, Piestany 1, Slovensko tel., fax.: , 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

3 Silicon V2.1 Cz 3 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. Umístěním kurzoru myši na tlačítko se tvar kurzoru změní na. Stlačení levého tlačítka myši pak aktivuje jeho funkci. Ovládání prezentace přechod na snímek Obsah návrat na poslední zobrazený snímek konec prezentace Ovládací tlačítka na snímku Ovládání pomocí myši Kliknutí levého tlačítka myši, pokud kurzor myši není na některém ovládacím tlačítku anebo na videu, posune prezentaci o jeden krok vpřed. 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. Video následující snímek   Pokud si nevšimnete průběh některé animace, stiskněte klávesu P (zpět) a znovu spusťte animaci klávesou N (vpřed).

4 Silicon V2.1 Cz 4 Příloha Čisté prostory Některé fyzikální jednotky Obsah Úvod Co je uvnitř integrovaného obvodu? Křemík Křemík - struktura Křemík - uvnitř monokrystalu Krystalografické poruchy Dopování Křemíková deska Výroba křemíku Polykrystalický křemík Kliknutím na tento rámeček přejdete na snímek s pokyny k ovládání prezentace 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

5 Silicon V2.1 Cz 5 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.

6 Silicon V2.1 Cz 6 Co je uvnitř integrovaného obvodu? 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. Základním materiálem čipu je polovodič - křemík.

7 Silicon V2.1 Cz 7 Křemík 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%. Křemík se v přírodě nevyskytuje v elementárním stavu, ale ve sloučeninách. Hlavními z nich jsou křemičitany a křemen. Křemenný písek (SiO 2 ) je základní zdroj křemíku pro polovodičový průmysl. Bod tání1 413°C Bod varu2 355°C Hustota2 332 kg/m 3 Tvrdost7 dle Mohsovy stupnice Šířka zakázanéhoE g = 1,12 eV pásu Atomová hustota atomů/cm 3 Složení Zeměkoule Si Fe O 2 Ostatní

8 Silicon V2.1 Cz 8 Křemík - struktura a = 0,543 nm Křemík je chemický prvek ze čtvrté skupiny periodické soustavy prvků. Krystalografická struktura křemíku je diamantového typu. Jejím základem je plošně centrovaná kubická mřížka - krychle s atomy ve vrcholech a ve středech stěn. Když se posune kopie takovéto struktury o 1/4 tělesové úhlopříčky, původní i posunuté atomy tvoří již zmíněnou mřížku diamantového typu. 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. 28, Si 2,33 g/cm 3 Křemík

9 Silicon V2.1 Cz 9 Křemík - uvnitř krystalu

10 Silicon V2.1 Cz 10 Krystalografické poruchy 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. VakanceIntersticiálHranová dislokace Šroubová dislokace Atom, který přebývá v pravidelné struktuře krystalu, se nazývá intersticiál. Hranová dislokace vznikne, pokud je do pravidelné struktury krystalu vložena celá polorovina atomů navíc. 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.

11 Silicon V2.1 Cz 11 III.AV.AIV.A Dopování Příměsí některých chemických prvků - dopantů - lze výrazně ovlivnit elektrickou vodivost křemíku. Používá se zejména bór, fosfor, arzén a antimon. 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. Pro dopování křemíku stačí nepatrné množství dopantu. Jeho koncentrace se vyjadřuje v počtu atomů dopantu na jednotkové množství křemíku (obvykle cm 3 ). Rozsah koncentrací dopantů používaných v polovodičovém průmyslu je od do atomů dopantu/cm 3. Samotná krystalová mřížka křemíku obsahuje atomů/cm Sb Antimon 74, As Arzén P Fosfor 10,81 5 B Bor Si Křemík Typ vodivosti P (Pozitivní) Typ vodivosti N (Negativní)

12 Silicon V2.1 Cz 12 Křemíková deska Čip integrovaného obvodu je velmi malý, má plochu jen několik čtverečních milimetrů. Vyrábět každý čip samostatně by bylo komplikované, ne-li nemožné. Hlavní faseta Pomocná faseta 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. Z hlediska vlastností křemíkové desky je důležitá orientace krystalografické struktury vzhledem k jejímu povrchu. V praxi jsou významné dvě orientace, které se označují a. 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. P Na následujících stránkách Vám poskytneme detailní popis celého procesu výroby křemíkových desek.

13 Silicon V2.1 Cz 13 Prvním krokem je přeměna křemenného písku na křemík, a to chemickou reakcí křemene s uhlíkem. Takto vzniká hutní křemík. Výroba křemíku SiO 2 + 2C Si + 2CO Si + 3HCl SiHCl 3 + H 2 Si + 3HCl Hutní křemík Křemík pro elektroniku Trichlorsilan Čištění trichlorsilanu Křemenný písek Hutní křemík není dostatečně čistý pro polovodičovou technologii. Proto je převeden na trichlorsilan (SiHCl 3 ), který po čištění destilací a následné reakci s vodíkem (H 2 ) vytvoří vysoce čistý křemík pro elektroniku. 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.

14 Silicon V2.1 Cz 14 Polykrystalický křemík

15 Silicon V2.1 Cz 15 Příloha Čisté prostory Některé fyzikální jednotky 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

16 Silicon V2.1 Cz 16 Držák zárodku Zárodek Czochralského metoda růstu monokrystalu Směr otáčení kelímku Směr otáčení zárodku Kelímek z křemenného skla Grafitový kelímek (susceptor) Grafitové vyhřívací těleso Hřídel Tavenina Krček Hlava Tělo Špička Zarovnání 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. 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. Rostoucí krystal bude kopírovat krystalografickou orientaci zárodku. Proto musí být zárodek vybrán podle požadované orientace finální křemíkové desky. 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. 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. Poté je rychlost tažení snížena, což vede ke zvětšování průměru monokrystalu. V této druhé fázi růstu se vytvoří tzv. hlava. Po dosažení požadovaného průměru krystalu provedeme tzv. zarovnání. 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. Šipky na obrázku naznačují, jak se monokrystal i kelímek otáčejí. Kelímek se navíc zvedá, aby byla klesající hladina taveniny stále ve stejné výšce. 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. Na přiloženém videozáznamu můžete vidět jednotlivé fáze procesu růstu monokrystalu křemíku.

17 Silicon V2.1 Cz 17 Tažička Czochralského Kelímek z křemenného skla Grafitový kelímek Grafitové vyhřívací těleso Tepelný štít Přívody elektrického proudu Hřídel Otáčení kelímku Směr otáčení zárodku Lanko Držák zárodku 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. Přívod argonu Optický pyrometr Kamera (kontrola průměru) Oddělovací ventil Průzor Vakuové odsávání Vodou chlazený plášť 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). Další část zařízení je tepelný štít, který snižuje tepelné ztráty. Zvedací mechanismus, jenž drží zárodek a rostoucí monokrystal, umožňuje kontrolovat rychlost tažení a otáčení. 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. Oddělovací ventil umožňuje přístup do horní komory bez zavzdušnění komory dolní. Schematickou kresbu tažičky Czochralského nyní můžete srovnat s obrázkem skutečného zařízení.

18 Silicon V2.1 Cz 18 Rozhraní krystal - tavenina 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. Proudění tepla Přísun teplaÚbytek tepla Proudění Konvexní rozhraníKonkávní rozhraní Rozhodující je kontrola teploty na rozhraní mezi krystalem a taveninou, zejména kontrola toku tepla. 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. 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 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. 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. Směr otáčení krystalu Směr otáčení kelímku Bez otáčení Rozhraní krystal - tavenina Tavenina Krystal průřez (černě)

19 Silicon V2.1 Cz 19 Kyslík a uhlík v monokrystalu křemíku Kyslík je nejběžnější příměsí v monokrystalu. Jeho hlavním zdrojem je materiál kelímku - křemenné sklo (SiO 2 ). Povrch kelímku reaguje s taveninou a vytváří monooxid křemíku (SiO). Většina monooxidu se odpaří povrchem taveniny, ale malé množství v tavenině zůstane. Kelímek z křemenného skla Grafitové vyhřívací těleso Grafitový kelímek 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. 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. CO, CO 2 SiO SiO + 2C SiC + CO

20 Silicon V2.1 Cz 20 koncentrace Koncentrace [10 19 cm -3 ] C(p) = C 0 (1-p) k-1 p - normalizovaná délka (p = 1 for L max ) k - segregační koeficient Odpor [m  cm] odpor C LIQUID = 1,0 x cm -3 C SOLID = 3,5 x cm -3 Rozdělovací koeficient: k = C SOLID C LIQUID Důležitou operací v procesu výroby monokrystalu je přidání přesného množství dopantu do kelímku se vsádkou polykrystalu. Rozdělovací koeficient 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. 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. 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. kovy dopanty Prvek Rozdělovací koeficient Fe0, Au0, Ni0,00003 Cu0,0004 N0,0007 Sb0,023 C0,07 As0,3 P0,35 B0,8 O1,25

21 Silicon V2.1 Cz 21 Ingot

22 Silicon V2.1 Cz 22 Příloha Čisté prostory Některé fyzikální jednotky Souhrn kapitoly č.2 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

23 Silicon V2.1 Cz 23 Broušení a měření monokrystalu Monokrystal se rozřeže na několik částí. U koncové části se ověří, zda neobsahuje dislokace. Konce krystalu se odstraní. Rentgenové záření Čidlo 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. Část krystalu se vloží do zařízení na broušení, kde se odbrousí povrch krystalu až do požadovaného průměru válce. 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.

24 Silicon V2.1 Cz 24 Ořezaný Ingot

25 Silicon V2.1 Cz 25 Příloha Čisté prostory Některé fyzikální jednotky Souhrn kapitoly č.3 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

26 Silicon V2.1 Cz 26 Výroba křemíkových desek 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. VIDEO 352 x 288 Nerezový kotouč Diamantový bort s niklovou matricí Křemík Narušení materiálu Voda 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. 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. 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.

27 Silicon V2.1 Cz 27 Broušení hran desky 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. Malá rychlost Velká rychlost 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.

28 Silicon V2.1 Cz 28 Oboustranné lapování Dalším krokem ve výrobě křemíkových desek je operace lapování. Jejím cílem je udělat povrch desky hladký, rovný a rovnoběžný. 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. Brusná suspenze (roztok Al 2 O 3 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. 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. VIDEO 352 x 288 Unašeč Lapovací kotouč Křemíková deska Ozubený věnec Brusná suspenze

29 Silicon V2.1 Cz 29 Kyselina Louh Leptání 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. 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. Další způsob leptání křemíkových desek je kyselinové leptání. Běžně se používá roztok HNO 3 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. 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. Si + H 2 O + 2KOH K 2 SiO 3 + 2H 2 Louhové leptání Kyselinové leptání 3Si + 4HNO HF 3H 2 SiF 6 + 4NO + 8H 2 O Si + 4HNO 3 + 6HF H 2 SiF 6 + 4NO 2 + 4H 2 O 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. viz kapitola „Výroba křemíkových desek“

30 Silicon V2.1 Cz 30 Zařízení na leptání

31 Silicon V2.1 Cz 31 Úprava zadní strany 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. K tomuto účelu může být použita vrstva oxidu křemičitého, která dopant nepropouští. Nanese se na desku chemickou depozicí z plynné fáze (LPCVD). 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 (SiH 4 ). Na dolním obrázku je sada křemíkových desek, připravená v unašeči na depozici. Na další straně pak uvidíte zařízení na chemickou depozici z plynné fáze. Depozice oxidu SiH 4 + O 2 SiO 2 + 2H 2 420°C Depozice polykrystalu SiH 4 Si + 2H 2 620°C

32 Silicon V2.1 Cz 32 Zařízení na chemickou depozici

33 Silicon V2.1 Cz 33 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. 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. Leštící suspenze Skládá se z částic oxidu křemičitého (SiO 2 ) ve vodní suspenzi s organickou zásadou a detergentem. Leštící podložka Kotouč Křemíková deska Vložka Unašeč Šablona Leštící suspenze

34 Silicon V2.1 Cz 34 Zařízení na leštění

35 Silicon V2.1 Cz 35 Chemické čištění 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. H 2 SO 4 + H 2 O 2 (130°C) H 2 O + HF H 2 O + NH 4 OH + H 2 O 2 (70°C) H 2 O + HCl + H 2 O 2 (70°C) 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. 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. Pro odstranění částic se nejčastěji používá roztok SC1 (Standard Clean 1). Je to zahřátá směs NH 4 OH a H 2 O 2 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. Po předchozích krocích se na povrchu desky mohou stále vyskytovat kovové nečistoty. Odstraňují se roztokem HCl a H 2 O 2 s vodou, který je známý jako SC2 (Standard Clean 2). Roztok oxiduje a reaguje s kovy na povrchu křemíku. 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. 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. Organický zbytek Částice Vrstva oxidu Iont kovu VIDEO 352 x 288

36 Silicon V2.1 Cz 36 Kontrola Vyleštěné a vyčistěné desky jsou připraveny ke kontrole. Během procesu kontroly se bezkontaktními metodami měří elektrický měrný odpor a geometrické parametry. VIDEO 352 x 288 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. Měřítkem proměnnosti tloušťky desky je TTV (total thickness variation). Je to rozdíl mezi maximální a minimální tloušťkou desky. 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. Střední čára desky Rovina D max Křemíková deska D min Warp = (D max - D min ) / 2 T max Křemíková deska T min TTV = T max - T min TIR = h max - h min h max Křemíková deska h min Vakuový držák

37 Silicon V2.1 Cz 37 VIDEO 352 x 288 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. Během tohoto procesu proudí zředěný hydroxid amonný (NH 4 OH) přes povrch desky. Současně se povrchu dotýkají velmi jemné rotující kartáče s PVA vlákny. 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. Finální mechanické čištění

38 Silicon V2.1 Cz 38 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:  3x10 10 atomů/cm 2 Finální kontrola Další informace na adrese:

39 Silicon V2.1 Cz 39 Příloha Čisté prostory Některé fyzikální jednotky Souhrn kapitoly č.4 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

40 Silicon V2.1 Cz 40 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. 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. Epitaxe VIDEO 320 x 240 P H H H P Si 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. Po oleptání povrchu se přivádí páry chloridu křemičitého SiCl 4. 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 PH 3, vznikající atomy fosforu dopují rostoucí epitaxní vrstvu. Podobně mohou být použity pro dopování i sloučeniny bóru. H H H H H H H H H H HCl H H H 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. ClH Si ClH Si ClH Si

41 Silicon V2.1 Cz 41 Epitaxní reaktor N2N2 H2H2 HClSiHCl 3 PH 3 B2H6B2H6 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. Asanace plynů 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. 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.

42 Silicon V2.1 Cz 42 Charakteristika epitaxní vrstvy Průměr Si desky:100, 150 mm Tloušťka epitaxní vrstvy: µm Odpor epitaxní vrstvy:  cm Další informace na adrese:

43 Silicon V2.1 Cz 43 Příloha Čisté prostory Některé fyzikální jednotky Souhrn kapitoly č.5 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

44 Silicon V2.1 Cz 44 Nepatrné množství příměsí dokáže značně ovlivnit vlastnosti křemíku. Čisté prostory Úprava teploty a vlhkosti Nasávání čerstvého vzduchu Přetlak Pa Rychlost proudění 0,5 m/s V běžném prostředí je asi prachových částic v krychlové stopě vzduchu (30 l). V takovém prostředí by byla výroba polovodičových součástek problematická. Výfuk odsávání STROPNÍ FILTRY Zdvojená podlaha s otvory pro odvod vzduchu prachových částic na krychlovou stopu (cca 30 l) Netěsnost Proto se pro polovodičovou výrobu staví speciální čisté prostory. Jsou to v podstatě místnosti se zdvojenou děrovanou podlahou a zdvojeným stropem vybaveným filtry. 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. Filtrovaný vzduch v čistém prostoru má podle stupně filtrace 10 až prachových částic v krychlové stopě a regulovanou teplotu i vlhkost. Lidé pracující v čistých prostorech potřebují dostatek kyslíku. Netěsnosti ve stěnách a technologické odsávání způsobují, že se část upraveného vzduchu ztratí. Dostatek kyslíku a náhrada ztráty vzduchu odsáváním a netěsnostmi jsou zabezpečeny nasáváním a úpravou čerstvého vzduchu z okolí (cca 20%).

45 Silicon V2.1 Cz 45 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 ( ). PSI = Pounds per Square Inch. Jednotka tlaku. Jedna atmosféra je 14,696 PSI. Torr - jednotka tlaku. Jedna atmosféra je 760 torrů.


Stáhnout ppt "Silicon V2.1 Cz OD KŘEMENE KE KŘEMÍKOVÉ DESCE Výroba monokrystalů křemíku a křemíkových desek Verze 2.1 Cz."

Podobné prezentace


Reklamy Google