Siliciu. Elaborare. Realizarea Plachetei [PDF]

Zitiervorschau

3. ELABORAREA SILICIULUI ŞI PLACHETELOR SEMICONDUCTOARE

REALIZAREA

Dintre materialele semiconductoare, siliciul este cel care s-a impus pentru realizarea de dispozitive semiconductoare şi de circuite integrate monolotice. Motivul principal este acela că prin oxidare termică siliciul se acoperă cu un strat de oxid de siliciu amorf, care constituie o barieră în pătrunderea impurităţilor în materialul de bază, bioxidul de siliciu fiind în acelaşi timp şi un bun material dielectric. Siliciul şi oxidul său stau la baza tehnologiei planare, care a făcut posibilă realizarea cu productivitate ridicată a dispozitivelor semiconductoare şi a circuitelor integrate pe scară mare. Siliciul se găseşte în cantitate mare la suprafaţa globului terestru (aprox. 28%). Sursele naturale de Si sunt în principal silicaţii (nisip, etc.), dar şi zirconiul, jadul, mica, cuarţul. Siliciul există natural sub formă de oxizi (starea oxidată). Pentru elaborare este necesară o metodă de reducere a sa, iar apoi trebuie să pe fie purificat până la stadiul de siliciu "de calitate electronică" sau EGS (Electronic Grade Silicon).

3.1. Elaborarea siliciului Prima etapă a tehnologiei siliciului corespunde elaborării siliciului de calitate "metalurgică" sau MGS (Metallurgic Grade Silicon). După această etapă în urma purificărilor repetate se obţine materialul de puritate "electronică". Temperatura de topire a siliciului este ridicată, situându-se la valoarea de 1415°C. Dificultatea în obţinerea siliciului constă în aceea că oxidul de siliciu (SiO2) nu poate fi redus direct prin folosirea hidrogenului, fiind necesară o tehnică adaptată de reducere (cu carbon, la temperatură ridicată). 3.1.1. Obţinerea siliciului metalurgic Obţinerea siliciului metalurgic se efectuează prin electroliza silicei topite (SiO2) într-un cuptor cu arc electric. Se foloseşte cuptorul cu arc electric pentru a se putea atinge temperatura de topire a SiO2 care se găseşte în amestec cu carbon (cărbune). Electrodul cuptorului cu arc este din grafit şi se consumă în timpul procesului (fig. 3.1). Bilanţul global al reacţiei de reducere este următorul: SiC(lichid) + SiO2 (lichid) ---> Si (lichid) + SiO (gaz) + CO (gaz)

(3.1)

În realitate rezultatul acestei reacţii rezultă în urma unui număr mare de reacţii chimice intermediare. Siliciul care se obţine în urma electrolizei are puritatea de 98 %. Puritatea trebuie mărită în continuare, cu multe ordine de mărime, până la obţinerea unui material utilizabil în microelectronică.

28

Tehnologia siliciului

grafit

Cuarţ, carbon CO, SiO2, H2O

Fig. 3.1 Electroliza silicei pentru obţinerea siliciului topit de calitate metalurgică

3.1.2. Obţinerea siliciului de calitate electronică Teoria dispozitivelor semiconductoare este construită în ipoteza unui cristal perfect sau cvasi-perfect. Calitatea electronică (EGS) a siliciului este greu de obţinut fiind necesară aplicarea succesivă a unui număr mare de etape de purificare. Noţiunea de dopaj din teoria dispozitivelor electronice consideră un control al concentraţiei atomilor străini (dopanţi) la nivelul de 1014 cm-3. Chiar dacă acest număr poate să pară mare, el este de fapt extrem de mic în raport cu numărul de atomi pe unitatea de volum din reţeaua cristalină. In cazul siliciului, cristalul conţine 5.1022 atomi pe cm3. Aceasta înseamnă că puritatea chimică cerută trebuie sa fie mai bună de 10-9, adică de o parte la miliard sau 0,001 ppm (1ppm = o parte pe milion ). În cele ce urmează se va prezenta succesiunea principalelor etape: a) purificarea chimică Pornind de la siliciul de calitate metalurgică se efectuează o purificare chimică. Una din metodele folosite constă în dizolvarea siliciului într-un produs lichid la temperatura ambiantă şi apoi distilarea acestui lichid. În mod frecvent se folosesc halogenurile de siliciu ca produs intermediar lichid. Producătorii mondiali de siliciu au dezvoltat o multitudine de metode, dintre care cele mai utilizate au la bază: • tetraclorosilan - SiCl4 (cazul firmelor Rhône-Poulenc, Westinghouse, Texas, Saint Gobain), sau diclorosilan - SiH2Cl2 (firma Wacker); • triclorosilan - SiHCl3 (firmele Siemens şi Union Carbide); • alte tehnici bazate pe tetrafluorosilan - SiF4 sau pe tetraiodura de siliciu - SiI4 . Producerea de triclorosilan are loc prin pulverizarea de siliciu solid în acid clorhidric gazos (HCl), conform reacţiei: Si (solid) + 3HCl (gaz) ——300°C——> SiHCl3 (gaz) + H2 (gaz)

(3.2)

29

Tehnologie electronică

Prin distilare într-un reactor, aşa cum este cel prezentat în figura 3.2 se obţin purităţi superioare. Triclorosilanul astfel purificat este în continuare redus, pentru a repune în libertate siliciul. Reacţia chimică de bilanţ este următoarea: SiHCl3 (gaz) + H2 (gaz) ——> Si (solid) + 3HCl (gaz)

(3.3)

Reacţia cu clorul permite o primă purificare, întrucât precipitaţii cloraţi ai metalelor nu sunt solubili în triclorosilan. Prin distilare se obţin purităţi superioare. Puritatea obţinuta este de ordinul a 1 ppm (o parte la milion), ceea ce corespunde unei concentraţii de impurităţi de ordinul 1016 cm-3.

Cameră de reacţie Punte de siliciu Siliciu policristalin Clopot de cuarţ Suport de grafit

Gaze reziduale SiHCl3+H2

Fig. 3.2 Schema unui reactor pentru producerea siliciului de calitate electronică pornind de la SiHCl3

Pornind de la acest siliciu policristalin purificat se fabrică monocristalul. Siliciul purificat este folosit pentru a forma şarjele cu care se încarcă reactorul de creştere a monocristalului. Purificarea siliciului are loc în continuare prin metode fizice. b) purificarea fizică Aceste metode de purificare se bazează pe redistribuirea impurităţilor existente în material la trecerea acestuia din faza lichidă în faza solidă. Eficienţa metodei depinde de coeficientul de repartiţie kr ( k r = N s N l ) dintre concentraţia de impurităţi în fază solidă Ns şi concentraţia de impurităţi în fază lichidă Nl . Pentru kr>1 rezultă o concentrare a impurităţilor în faza solidă, iar pentru kr