Технологии получения кремниевых пластин

Кремниевые пластины - это основа современной электроники. От их качества напрямую зависят характеристики полупроводниковых приборов и микросхем. В этой статье мы подробно рассмотрим все аспекты технологий получения кремниевых пластин - от выращивания монокристаллов до финишной обработки готовых пластин.

Методы выращивания монокристаллов кремния

Основным методом выращивания монокристаллов кремния является метод Чохральского. Суть этого метода заключается в следующем:

1. Расплавленный поликристаллический кремний находится в кварцевом тигле.
2. В расплав опускается затравочный монокристалл кремния.
3. Затравка медленно поднимается и вращается.
4. На поверхности затравки начинается кристаллизация монокристалла кремния.
5. Полученный монокристалл имеет форму цилиндра.

Достоинствами метода Чохральского являются высокая чистота получаемого кремния и возможность легирования примесями в процессе роста. Однако этот метод не позволяет получать кристаллы большого диаметра из-за возникающих температурных градиентов.

Альтернативным методом выращивания монокристаллов кремния является метод зонной плавки. В этом методе расплавленная зона перемещается по поликристаллическому стержню, оставляя за собой монокристаллический материал. Метод зонной плавки позволяет получать кристаллы очень высокой чистоты.

Независимо от метода выращивания, к качеству монокристаллов кремния предъявляются следующие основные требования:

• высокая химическая чистота (до 99,999999%)
• однородность структуры по всему объему
• минимальная плотность дислокаций и других дефектов

Для очистки выращенных монокристаллов применяются такие методы, как зонная плавка, введение геттерирующих примесей, термическая обработка и другие.

Разделение монокристаллов на пластины

После выращивания монокристаллы кремния разрезаются на пластины заданной толщины. Для распиловки применяются алмазные проволочные пилы или стопки алмазных дисков. Распиловка ведется вдоль плоскостей с определенной кристаллографической ориентацией, обычно {111}.

Контроль ориентации пластин осуществляется рентгеноструктурным методом. Толщина пластин обычно составляет от 200 до 1000 мкм. Наиболее распространенные диаметры кремниевых пластин:

• 300 мм
• 200 мм
• 150 мм

После распиловки пластины подвергаются шлифовке и полировке для уменьшения толщины. Затем проводится химическое травление поверхности для удаления дефектов.

Финишная обработка поверхности

Перед эпитаксиальным наращиванием поверхность пластин подвергается тщательной отделке, включающей следующие операции:

1. Механическая шлифовка алмазным инструментом
2. Химико-механическая полировка и травление
3. Доведение поверхности до зеркального блеска
4. Контроль шероховатости и чистоты поверхности
5. Удаление дефектов и микротрещин

Такая обработка позволяет подготовить atomically flat поверхность, необходимую для последующего роста эпитаксиальных слоев.

Эпитаксиальное наращивание слоя кремния

На подготовленную поверхность кремниевых пластин методом эпитаксии осаждается тонкий слой монокристаллического кремния. Эпитаксиальный слой необходим для создания полупроводниковых структур с заданными свойствами.

Методы эпитаксиального наращивания

Для наращивания эпитаксиальных слоев кремния используются различные методы:

• Газофазная эпитаксия
• Жидкофазная эпитаксия
• Молекулярно-лучевая эпитаксия

Наиболее распространенным является метод химического осаждения из газовой фазы (CVD). В качестве источников кремния обычно применяют соединения на основе хлорсиланов и силана SiH4.

Технологии эпитаксиального наращивания

Для удовлетворения потребностей различных полупроводниковых приборов разработаны специальные технологии выращивания эпитаксиальных слоев, позволяющие получать слои с заданными свойствами. К таким технологиям относятся:

• Низкотемпературная эпитаксия
• Эпитаксия при пониженном давлении
• Селективная эпитаксия

После наращивания контролируются толщина и однородность эпитаксиального слоя по всей площади кремниевой пластины.

Легирование эпитаксиальных слоев

Эпитаксиальные слои могут быть легированы примесями в процессе роста. Легирование позволяет получать слои с нужным типом проводимости (n или p) и заданной концентрацией носителей заряда.

Методы легирования

Для введения примесей в эпитаксиальный слой используются следующие основные методы:

• Легирование в процессе роста из газовой фазы
• Ионная имплантация
• Диффузия из твердого источника

Контроль легирования

После легирования проводится контроль электрофизических параметров эпитаксиального слоя:

• Тип проводимости (n или p)
• Удельное сопротивление
• Концентрация носителей заряда

Это позволяет убедиться, что слой обладает требуемыми свойствами.

Формирование кремниевых структур

На эпитаксиальном слое кремниевых пластин формируются полупроводниковые структуры, которые затем будут использованы для создания микросхем и приборов.

Методы формирования структур

Для создания необходимых структур применяются различные методы планарной технологии:

• Фотолитография
• Термическое окисление кремния
• Ионная имплантация
• Плазменное травление

Сочетание этих методов позволяет с высокой точностью формировать элементы интегральных схем и приборов.

Контроль качества структур

После формирования проводится контроль качества созданных структур с помощью таких методов, как эллипсометрия, сканирующая электронная микроскопия, измерение электрофизических параметров.

Разделение пластин на чипы

После создания необходимых структур кремниевые пластины разделяются на отдельные кристаллы - чипы, которые затем будут использованы для производства микросхем и приборов. Для разделения применяется алмазный инструмент.