12. Технологічні операції при виготовленні імс Отримання кристалів та їхня обробка

Дискретні напівпровідникові елементи виробляються на основі Si і Ge, а ІС - тільки на Si. Ge для ІС не застосовується:

 із-за більшої чуттєвості до температури (енергія для утворення електронно-діркової пари Ge=0.77 еВ, а в Si=1.1 еВ);

 із-за того, що на поверхні Si легше створювати ізолюючі шари (SiO2), що застосовуються при формуванні рисунку (GeO2 при гексагональній формі розчинюється водою, а кубічну тяжко сформувати).

Основна трудність при отриманні кристалу - забезпечення його чистоти. Для збереження властивостей напівпровідників зміст домішки повинен лежати в межах 0.0001% (це для "корисної" домішки, а для шкідливих - у 10 - 100 раз менше).

Вхідним матеріалом є полікристалічний кремній, що одержують з кварцевого піску (SiO2). Заготівки з полікристалічного Si являють собою стрижні D 40 - 120 мм і довжиною 450 - 950 мм. Ступінь чистоти 98%. Полікристалічний Si не може бути використаний для виготовлення приладів, тобто має внутрішню зернисту структуру (кристали поділені міжкристалічними гранями), що рівноцінно наявності дефектів.

Для виготовлення напівпровідникових приладів використовують монокристал Si, що одержують з полікристалічного Si.

Найрозповсюдженішим способом отримання монокристала Si є спосіб Чохральского (=70% монокристалів виробляють цим способом).

Полікристалічний Si розколюється на шматки і завантажується в тигель, під дією нагрівача (високочастотного індуктора) розплавляється (t=1412 с). Монокристал-затравку опускають в розплав і не припускаючи її розплавлення піднімають її вверх при постійному обертанні навколо осі. При цьому матеріал розплаву осаджується на затравці і за рахунок охолодження при виході з розплаву кристалізується, повторюючи її кристалічну решітку і орієнтацію монокристала.

Швидкість вирощування - 10 - 60 мм/годину. Діаметр монокристалу 62.5; 78.5; 102.5 мм (до 250мм), і - до 250 мм.

Домішка вводиться в розплав шляхом додатку сильнолегованих гранул Si. Причому важкість - концентрація домішки в розплаві і кристалі різноманітні. Але так як у розплаві концентрація домішок більше (і корисних, і шкідливих), то цей спосіб можна розглядати, як спосіб очищення кристалу, або спосіб отримання чистого кристалу.

Іншим розповсюдженим способом очищення є спосіб зонної плавки, який також заснований на принципі витіснення домішок з кристалу в розплав. Вхідні стрижні полікристалічного Si заздалегідь шліфуються і зміцнюються (без затравлення). Частина стрижня нагрівається до температури плавлення. За допомогою безперервного пересування нагрівача (індуктора) вздовж стрижня пересувається зона розплаву. При цьому атоми домішки витісняються на межі фаз у розплав. Коли зона плавлення досягне іншого кінця стрижня, то в ньому концентрується більша частина домішок. Багаторазовим повторенням цього процесу або на основі застосування декількох зон плавлення, наступних один за одним, одержують Si такої чистоти, що дозволяє здійснювати зміну властивостей кристалу легируванням домішками. Зона домішок, що залишилася після кристалізації на кінці стрижня, відрізається, в наслідку чого залишається чистий полікремній. Швидкість - декілька мм/хвил.

Наступний технологічний процес полягає в перетворенні полікристалічного Si в монокристалічний. Цей процес може виконуватися способом Чохральского або закінчуватися водночас з зонною плавкою, якщо в кінець стрижня вплавляється монокристалічна затравка. Розплав, що затверджується, кристалізується у монокристал, починаючи з затравлення.

Легування домішкою досягається завдяки тому, що застосовують затравку, заздалегідь легировану домішкою. За допомогою розплавленої зони примісні атоми затравлення розповсюджуються рівномірно по всьому стрижню. Інший підхід полягає в подачі легуючого газу, атоми якого дифундують в розплав і при кристалізації впроваджуються в решітку.

Діаметр кристалу <= 125 мм. Кристали більш чисті (тобто немає тиглю).

В подальшому монокристал наражають на розпилення на пластини товщиною 200 - 300 мкм, на основі яких після цього виробляють напівпровідникові прилади. Але перед розпиленням кристал шліфують по діаметру, в наслідку чого одержується циліндр, на ньому паралельно осі кристалу знімається частина матеріалу, а по отриманій поверхні вимірюють розподіл опору по довжині стрижня (чи рівномірно легований стержень?). Отримана кромка служить також для юстировки.

Різка зливків може вироблятися:

 - за допомогою сталевих полотен - служить способом переносу абразивного порошку до місця різки;

 - за допомогою "алмазних дисків" - металевий диск з вкрапленими алмазними крихтами (частіше по внутрішній кромці).

При такій різці майже половина зливка втрачається.

Різка залишає на поверхні пластин нерівномірності глибиною 10 мкм, однак для подальшого використання необхідна шорсткість поверхні не більш 0.01 мкм. Тому пластини спочатку шліфують за допомогою мікропорошків, розмір зерна яких вибирається з кожним циклом все менш аж до 3 - 5 мкм. Сторони пластин шліфують по одній.

Після шліфовки залишаються нерівності в декілька мікрон, а також порушений після розпилення шар кристалічної решітки. Для усунення цих дефектів застосовується поліровка, найчастіше хімічна (травлення), тобто розчинення поверхневого шару за допомогою азотної і плавікової кислот. В результаті нерівності знижуються до рівня тисячних часток мкм.

Інколи хімічну поліровку комбінують з попередньою механічною з розміром зерна 0.1 - 0.3 мкм.

Крім того, пластини перед використанням неодноразово знежирюються - за допомогою ацетону, етилового спирту і т. п.

Напівпровідникові пластини, вирізані з монокристалу, в об`ємі і на поверхні яких в подальшому формуються елементи напівпровідникових приладів, називаються підложками.

При використанні підложок на їхній поверхні часто потрібно одержувати діелектричні покриття, в якості яких часто виступає окисне покриття (SiO2)