Παραγωγή πυριτίου Wafer

ΣιΟ2+ C → Si + CO2

Si + 3HCl → SiHCl3+ H2

Η αντίδραση υδροχλωρίωσης στο FBR παράγει ένα αέριο προϊόν που είναι περίπου 90% τριχλωροσιλάνιο (SiHCl3). Το υπόλοιπο 10% του αερίου που παράγεται σε αυτό το στάδιο είναι ως επί το πλείστον τετραχλωροσιλάνιο, SiCl4, με λίγο διχλωροσιλάνιο, SiH2Κλ2. Αυτό το μείγμα αερίων υποβάλλεται σε μια σειρά κλασματικών αποστάξεων που καθαρίζουν το τριχλωροσιλάνιο και συλλέγουν και επαναχρησιμοποιούν τα παραπροϊόντα τετραχλωροσιλανίου και διχλωροσιλανίου. Αυτή η διαδικασία καθαρισμού παράγει εξαιρετικά καθαρό τριχλωροσιλάνιο με μεγάλες ακαθαρσίες στα χαμηλά μέρη ανά δισεκατομμύριο. Το καθαρό, στερεό πολυκρυσταλλικό πυρίτιο παράγεται από τριχλωροσιλάνιο υψηλής καθαρότητας χρησιμοποιώντας μια μέθοδο γνωστή ως «Η διαδικασία Siemens». Στη διαδικασία αυτή, το τριχλωροσιλάνιο αραιώνεται με υδρογόνο και τροφοδοτείται σε αντιδραστήρα εναπόθεσης χημικών ατμών. Εκεί, οι συνθήκες αντίδρασης προσαρμόζονται έτσι ώστε το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο να εναποτίθεται σε ηλεκτρικά θερμαινόμενες ράβδους πυριτίου σύμφωνα με το αντίστροφο της αντίδρασης σχηματισμού τριχλωροσιλανίου:

SiHCl3+ H2→ Si + 3HC

Υποπροϊόντα από την αντίδραση εναπόθεσης (Η2, HCl, SiHCl3, SiCl4και SiH2Κλ2συλλαμβάνονται και ανακυκλώνονται μέσω της διαδικασίας παραγωγής και καθαρισμού τριχλωροσιλανίου όπως φαίνεται στο Σχήμα 2. Η χημεία των διαδικασιών παραγωγής, καθαρισμού και απόθεσης πυριτίου που σχετίζονται με πυρίτιο ημιαγωγού είναι πιο περίπλοκη από αυτήν την απλή περιγραφή. Υπάρχει επίσης ένας αριθμός εναλλακτικών χημικών που μπορούν και χρησιμοποιούνται για την παραγωγή πολυπυριτίου.

Το πυρίτιο υψηλής καθαρότητας μπορεί να παραχθεί με μια μέθοδο γνωστή ως διύλιση Float Zone (FZ) Σε αυτή τη μέθοδο, μια ράβδος πολυκρυσταλλικού πυριτίου τοποθετείται κάθετα στον θάλαμο ανάπτυξης, είτε υπό κενό είτε σε αδρανή ατμόσφαιρα. Το πλινθώμα δεν έρχεται σε επαφή με κανένα από τα συστατικά του θαλάμου εκτός από το αέριο περιβάλλοντος και έναν κρύσταλλο σπόρου γνωστού προσανατολισμού στη βάση του (Σχήμα 4). Το πλινθώμα θερμαίνεται χρησιμοποιώντας πηνία ραδιοσυχνοτήτων χωρίς επαφή (RF) που δημιουργούν μια ζώνη λειωμένου υλικού στην πλινθώματα, συνήθως πάχους περίπου 2 cm. Στη διαδικασία FZ, η ράβδος κινείται κατακόρυφα προς τα κάτω, επιτρέποντας στη λιωμένη ζώνη να ανεβαίνει το μήκος του πλινθώματος, ωθώντας τις ακαθαρσίες μπροστά από το τήγμα και αφήνοντας πίσω από πολύ καθαρισμένο πυρίτιο μονού κρυστάλλου. Οι γκοφρέτες πυριτίου FZ έχουν αντίσταση έως 10.000 ohm-cm.

Το τελικό στάδιο στην κατασκευή πλακιδίων πυριτίου περιλαμβάνει χημικάχαλκογραφίααπομακρύνετε τυχόν επιφανειακά στρώματα που ενδέχεται να έχουν συσσωρευτεί κρυσταλλική βλάβη και μόλυνση κατά το πριόνισμα, το τρίψιμο και το χτύπημα. ακολουθούμενη απόχημική μηχανική στίλβωση(CMP) για να παράγει μια εξαιρετικά αντανακλαστική επιφάνεια, χωρίς γρατσουνιές και ζημιές στη μία πλευρά της γκοφρέτας. Η χημική χάραξη επιτυγχάνεται με τη χρήση ενός διαλύματος διαλύματος υδροφθορικού οξέος (HF) αναμεμιγμένου με νιτρικό και οξικό οξύ που μπορεί να διαλύσει το πυρίτιο. Στο CMP, φέτες πυριτίου τοποθετούνται σε φορέα και τοποθετούνται σε μηχανή CMP κάπου που υφίστανται συνδυασμένο χημικό και μηχανικό στίλβωση. Συνήθως, η CMP χρησιμοποιεί ένα σκληρό στρώμα στιλβωτικής ουσίας πολυουρεθάνης σε συνδυασμό με έναν πολτό λειαντικών σωματιδίων από αλουμίνα ή λειαντικά διασκορπισμένα σε αλκαλικό διάλυμα. Το τελικό προϊόν της διαδικασίας CMP είναι η γκοφρέτα πυριτίου με την οποία, ως χρήστες, γνωρίζουμε. Έχει μια πολύ ανακλαστική επιφάνεια, χωρίς γρατσουνιές και ζημιές από τη μία πλευρά στην οποία μπορούν να κατασκευαστούν συσκευές ημιαγωγών.

Ο Πίνακας 1 παρέχει μια λίστα των στοιχειακών και δυαδικών (δύο στοιχείων) σύνθετων ημιαγωγών μαζί με τη φύση του χάσματος ζώνης και το μέγεθος του. Εκτός από τους δυαδικούς σύνθετους ημιαγωγούς, είναι επίσης γνωστοί και χρησιμοποιούνται τριμερείς (τριών στοιχείων) σύνθετοι ημιαγωγοί στην κατασκευή συσκευών. Οι ημιαγωγοί τριτογενών ενώσεων περιλαμβάνουν υλικά όπως το αρσενίδιο αργιλίου γαλλίου, τα AlGaAs, το αρσενίδιο του γαλλίου, το InGaAs και το αρσενίδιο του αργιλίου ινδίου, τα InAlAs. Οι τεταρτογενείς (τεσσάρων στοιχείων) σύνθετοι ημιαγωγοί είναι επίσης γνωστοί και χρησιμοποιούνται στη σύγχρονη μικροηλεκτρονική.

Η μοναδική ικανότητα εκπομπής φωτός των σύνθετων ημιαγωγών οφείλεται στο γεγονός ότι είναι ημιαγωγοί άμεσου διακένου ζώνης. Ο Πίνακας 1 δείχνει ποιοι ημιαγωγοί κατέχουν αυτήν την ιδιότητα. Το μήκος κύματος του φωτός που εκπέμπεται από συσκευές κατασκευασμένες από ημιαγωγούς άμεσου διακένου ζώνης εξαρτάται από την ενέργεια διακένου ζώνης. Κατασκευάζοντας επιδέξια τη δομή διακένου ζώνης σύνθετων συσκευών κατασκευασμένων από διαφορετικούς σύνθετους ημιαγωγούς με κενά ζώνης, οι μηχανικοί μπόρεσαν να παράγουν συσκευές εκπομπής φωτός στερεάς κατάστασης που κυμαίνονται από τα λέιζερ που χρησιμοποιούνται στις επικοινωνίες οπτικών ινών έως λαμπτήρες LED υψηλής απόδοσης. Μια λεπτομερής συζήτηση των επιπτώσεων των άμεσων έναντι των έμμεσων κενών ζώνης σε υλικά ημιαγωγών είναι πέρα ​​από το πεδίο αυτής της εργασίας.

Απλοί, δυαδικοί σύνθετοι ημιαγωγοί μπορούν να παρασκευαστούν χύμα, και οι μονές κρυσταλλικές γκοφρέτες παράγονται με διαδικασίες παρόμοιες με αυτές που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή πλακιδίων πυριτίου. Τα πλινθώματα GaAs, InP και άλλων σύνθετων ημιαγωγών μπορούν να αναπτυχθούν χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Czochralski ή Bridgman-Stockbarger με γκοφρέτες παρασκευασμένες με τρόπο παρόμοιο με την παραγωγή πλακιδίων πυριτίου. Η επιφανειακή επεξεργασία των σύνθετων γκοφρετών ημιαγωγών (δηλαδή, καθιστώντας τα ανακλαστικά και επίπεδα) περιπλέκεται από το γεγονός ότι υπάρχουν τουλάχιστον δύο στοιχεία και αυτά τα στοιχεία μπορούν να αντιδράσουν με χαρακτικά και λειαντικά σε διαφορετικές μόδες.

Τραπέζι 1. Οι στοιχειώδεις ημιαγωγοί και οι δυαδικοί σύνθετοι ημιαγωγοί.