6.2. Базовые технологии полупроводникового производства

При написании данной главы использовались сведения, полученные при изучении многочисленной литературы, часть из которой приведена в библиографическом списке [46–51]

6.2.1.Производство металлургического кремния

По распространенности в земной коре кремний занимает второе место

после кислорода, встречается главным образом в виде кислородных соединений (кварц, силикаты и.т.д.).

В промышленности кремний технической чистоты получают, восстанавливая расплав SiO2 коксом при температуре около 1800°С в руднотермических печах шахтного типа. Чистота полученного таким образом кремния может достигать 99,9 % (основные примеси – углерод, металлы).

Основным агрегатом для выплавки технического кремния является дуговая рудотермическая трехфазная электропечь мощностью от 8 до 25 МВА. Печь представляет собой круглый стальной кожух с днищем, футерованные огнеупорной кладкой. Подина (днище) и часть высоты стен футеруются графитовыми блоками, следующий слой магнезитовым кирпичом и внешний слой – шамотом (пористый кирпич из специальной огнеупорной глины).

Подача энергии в рабочее пространство печи осуществляется с помощью электрода, выполненного из графита. Самоспекающиеся электроды в технологии кремния не применяются по причине возможного загрязнения продукта компонентами кожуха электрода и электродной массы (железо, кальций, алюминий). Электрические параметры восстановительного процесса обеспечиваются с помощью печного трансформатора, соединенного с электродом высокоамперной короткой сетью, в которой сила тока составляет 40-80 кА. По мере торцевого расхода электрода они периодически удлиняется с помощью механизмов перепуска. Регулировка заданной силы тока в электроде осуществляется путем перещения электрода по вертикальной оси.

Выпуск кремния осуществляется практически непрерывно через лётку (отверстие в футеровке) в стальную футерованную изложницу.

120

Впечи с шунтированной дугой происходит восстановление кремния из кремнезёма кварцита углеродом восстановителя. Теоретическая температура начала процесса 1670 градусов Цельсия. К основным типам восстановителей относятся: древесный уголь (берёзовый, сосновый), нефтекокс, каменный уголь.

Из рудотермической печи, расплавленный кремний попадает в ковш из которого он переливается по формам.

Завод потребляет огромное количество электроэнергии для поддержания температуры в печи. Производство работает круглосуточно.

На заводе в качестве сырья для производства металлургического кремния применяется жильный кварц.

Вформах металлический кремний охлаждается и застывает. После остывания кремний дробят на мелкие куски гидромолотом. Затем готовая продукция упаковывается в бигбэги – пластиковые мешки, вмещающие 1000 килограмм металлургического кремния и отправляется заказчикам.

На втором этапе путем гидрохлорирования кремния получают легколетучее вещество трихлорсилан, который затем очищают от большого количества примесей. 3-й этап - восстановление очищенного трихлорсилана и, в результате этого, получение поликристаллического кремния проводят в атмосфере водорода. Полученный в виде поликристаллических стержней кремний используют для кристаллизации из расплава.

6.2.2.Выращивание монокристаллов кремния.

Потребность в искусственно выращенных кристаллах как германия, на

первых порах становления полупроводниковой электроники, так и кристаллов кремния, обладающих высокой степенью чистоты возникла впервые во время второй мировой войны в связи с потребностями радиолокации. Оказалось, что высокочастотные кристаллические детекторы получаются более эффективными только из особо чистого кремния. С изобретением биполярного транзистора, а впоследствии, с изобретением микросхем, потребность в

121

высокочистом кремнии только возрастала, причем – в виде цилиндрических слитков как можно большего диаметра и с высокой степенью однородности.

Искусственные монокристаллы кремния для полупроводниковой электроники получают в процессе следующих технологических этапов:

1.получение металлургического кремния;

2.превращение кремния в легко восстановимое летучее соединение;

3.очистка и восстановление летучего соединения для производства поликристаллического кремния;

4.окончательная очистка кремния методом кристаллизации

5.выращивание легированных кристаллов

Метод кристаллизации из расплава был основан на технологиях, разработанных еще в 1917 году польским химиком Яном Чохральски (Jan Czochralski) [46]. Небольшой монокристалл кремния («затравка») (рис.6.7,а) подвешивается в тигле с расплавленным поликристаллическим кремнием (рис.6.7,в) и медленно вытягивается вверх, образуя длинный монокристалл. Идеолог концепции создания твердотельного усилителя и изобретатель транзистора Шокли назвал это достижение «самой важной научной разработкой в полупроводниковой сфере в первые годы».

В промышленности широко используется высокопроизводительное автоматизированное оборудование, обеспечивающее воспроизводимое получение монокристаллов диаметром до 200 – 300 мм. С увеличением загрузки и диаметра кристаллов стоимость их получения уменьшается. При использовании установок полунепрерывного выращивания производится дополнительная непрерывная или периодическая загрузка кремния в тигель без охлаждения печи. Это позволяет на десятки процентов снизить стоимость выращиваемых кристаллов. При этом можно проводить выращивание из расплавов небольшого и постоянного объема. Это облегчает регулирование и оптимизацию конвективных потоков в расплаве и устраняет сегрегационные неоднородности кристалла, обусловленные изменением объема расплава в процессе его роста.

122

Рис.6.8. Метод Чохральского, спуск и извлечение выращенного кристалла

124

Используя технологию метода Чохральского технологи начали изготавливать тянутые p-n–переходы, добавляя крошечные навески (шарики) примесей в расплавленный кремний во время выращивания кристалла. Поочередно добавляют два шарика, первый с акцепторной примесью и второй – с донорной примесью. В результате создается n-p-n структура с тонким внутренним, базовым, слоем. В свое время такие «тянутые транзисторы» превзошли лучшие точечно-контактные транзисторы по производительности.

Но наиболее прогрессивной технологией производства высокочистого германия и кремния является технология зонной плавки (зонной очистки), которая приводит к ультрачистым образцам германия и кремния с числом примесей столь же малым как одна часть в десяти миллиардах. Такие образцы высокочистого полупроводника позволяют точно управлять n–областью и p–областью, добавляя небольшое количество примесей.

Зонная плавка – метод очистки твёрдых веществ, основанный на различной растворимости примесей в твердой и жидкой фазах. Метод является разновидностью направленной кристаллизации, от которой отличается тем, что в каждый момент времени расплавленной является некоторая небольшая часть образца. Такая расплавленная зона передвигается по образцу, что приводит к перераспределению примесей. Если примесь лучше растворяется в жидкой фазе, то она постепенно накапливается в расплавленной зоне, двигаясь вместе с ней. В результате примесь скапливается в одной части исходного образца. По сравнению с направленной кристаллизацией этот метод обладает большей эффективностью. В настоящее время метод используется для очистки более 1500 веществ.

Эта технология не работала для кремния, потому что кремний имеет более высокую температуру плавления (1415°C против 937°C для германия) и взаимодействует почти со всеми другими материалами. Для кремния технологию модифицировали и она получила название зонной очистки с плавающей зоной. Этот метод особенно подходит для очистки кремния.

125