Productie van siliciumwafels

SiO2+ C → Si + CO2

Si + 3HCl → SiHCl3+ H2

Door de hydrochloreringsreactie in de FBR ontstaat een gasvormig product dat voor ongeveer 90% uit trichloorsilaan (SiHCl3). De resterende 10% van het gas dat in deze stap wordt geproduceerd, is meestal tetrachloorsilaan, SiCl4, met wat dichloorsilaan, SiH2Cl2. Dit gasmengsel wordt door een reeks gefractioneerde destillaties geleid die het trichloorsilaan zuiveren en de bijproducten van tetrachloorsilaan en dichloorsilaan verzamelen en hergebruiken. Dit zuiveringsproces produceert extreem zuiver trichloorsilaan met grote onzuiverheden in het lage deeltjes per miljard bereik. Gezuiverd, vast polykristallijn silicium wordt geproduceerd uit zeer zuiver trichloorsilaan met behulp van een methode die bekend staat als 'The Siemens Process'. Bij dit proces wordt het trichloorsilaan verdund met waterstof en naar een chemische opdampreactor geleid. Daar worden de reactieomstandigheden zo aangepast dat polykristallijn silicium wordt afgezet op elektrisch verwarmde siliciumstaven volgens het omgekeerde van de trichloorsilaanvormingsreactie:

SiHCl3+ H2→ Si + 3HC

Bijproducten van de afzettingsreactie (H.2, HCl, SiHCl3SiCl4en SiH2Cl2) worden opgevangen en gerecycled via het productie- en zuiveringsproces van trichloorsilaan, zoals weergegeven in figuur 2. De chemie van de productie-, zuiverings- en siliciumafzettingsprocessen die verband houden met silicium van halfgeleiderkwaliteit is complexer dan deze eenvoudige beschrijving. Er zijn ook een aantal alternatieve chemische stoffen die kunnen worden en worden gebruikt voor de productie van polysilicium.

Silicium met een hogere zuiverheid kan worden geproduceerd door middel van een methode die bekend staat als Float Zone (FZ) raffinage. Bij deze methode wordt een polykristallijne siliciumstaaf verticaal in de groeikamer gemonteerd, onder vacuüm of inerte atmosfeer. De baar is niet in contact met een van de kamercomponenten behalve het omgevingsgas en een kiemkristal met bekende oriëntatie aan de basis (Figuur 4). De staaf wordt verwarmd met behulp van contactloze radiofrequentie (RF) -spoelen die een zone van gesmolten materiaal in de staaf vormen, typisch ongeveer 2 cm dik. In het FZ-proces beweegt de staaf verticaal naar beneden, waardoor de gesmolten zone over de lengte van de staaf kan bewegen, waardoor onzuiverheden voor de smelt worden geduwd en zeer gezuiverd monokristallijn silicium achterblijft. FZ-siliciumwafels hebben een soortelijke weerstand van wel 10.000 ohm-cm.

De laatste fase van de fabricage van siliciumwafels omvat chemischetsenverwijder eventuele oppervlaktelagen die tijdens het zagen, slijpen en leppen mogelijk kristalbeschadiging en -vervuiling hebben opgelopen; gevolgd doorchemisch mechanisch polijsten(CMP) om een ​​sterk reflecterend, kras- en schadevrij oppervlak aan één kant van de wafel te produceren. De chemische etsing wordt bereikt met behulp van een etsoplossing van fluorwaterstofzuur (HF) gemengd met salpeterzuur en azijnzuur die silicium kunnen oplossen. Bij CMP worden siliciumplakken op een drager gemonteerd en in een CMP-machine geplaatst waar ze gecombineerd chemisch en mechanisch worden gepolijst. Typisch gebruikt CMP een hard polijstkussen van polyurethaan gecombineerd met een suspensie van fijn gedispergeerde aluminiumoxide- of silica-schurende deeltjes in een alkalische oplossing. Het eindproduct van het CMP-proces is de siliciumwafel die wij als gebruikers kennen. Het heeft aan één kant een sterk reflecterend, kras- en schadevrij oppervlak waarop halfgeleiderelementen kunnen worden vervaardigd.

Tabel 1 geeft een lijst van de elementaire en binaire (twee elementen) samengestelde halfgeleiders, samen met de aard van hun bandafstand en de grootte ervan. Naast de binaire samengestelde halfgeleiders zijn ook ternaire (drie elementen) samengestelde halfgeleiders bekend en gebruikt bij de fabricage van apparaten. Ternaire samengestelde halfgeleiders omvatten materialen zoals aluminium gallium arsenide, AlGaAs, indium gallium arsenide, InGaAs en indium aluminium arsenide, InAlAs. Kwartaire (vier elementen) samengestelde halfgeleiders zijn ook bekend en worden gebruikt in de moderne micro-elektronica.

Het unieke lichtemitterende vermogen van samengestelde halfgeleiders is te danken aan het feit dat het halfgeleiders met directe bandafstand zijn. In tabel 1 is aangegeven welke halfgeleiders deze eigenschap bezitten. De golflengte van het licht dat wordt uitgezonden door apparaten die zijn opgebouwd uit halfgeleiders met directe bandafstand, hangt af van de energie van de bandafstand. Door vakkundig de bandgap-structuur van composietapparaten te ontwerpen die zijn opgebouwd uit verschillende samengestelde halfgeleiders met directe bandafstanden, zijn ingenieurs in staat geweest om solid-state lichtemitterende apparaten te produceren die variëren van de lasers die worden gebruikt in glasvezelcommunicatie tot zeer efficiënte LED-lampen. Een gedetailleerde bespreking van de implicaties van directe versus indirecte bandgaten in halfgeleidermaterialen valt buiten het bestek van dit werk.

Eenvoudige, binaire samengestelde halfgeleiders kunnen in bulk worden vervaardigd en monokristallen wafers worden geproduceerd door middel van processen die vergelijkbaar zijn met die welke worden gebruikt bij de fabricage van siliciumwafels. GaAs, InP en andere samengestelde halfgeleiderstaven kunnen worden gekweekt met behulp van de Czochralski- of Bridgman-Stockbarger-methode met wafers die op dezelfde manier zijn bereid als de productie van siliciumwafels. Oppervlakteconditionering van samengestelde halfgeleiderwafels (dwz ze reflecterend en vlak maken) wordt bemoeilijkt door het feit dat er ten minste twee elementen aanwezig zijn en deze elementen kunnen op verschillende manieren reageren met etsmiddelen en schuurmiddelen.

tafel 1. De elementaire halfgeleiders en de binaire samengestelde halfgeleiders.