Produksi Wafer Silikon - Pengetahuan

Sumber: mksinst.com

Pemurnian Silikon Polikristalin Kelas Elektronik (Polysilicon)

Schematic of a submerged electrode arc furnace used in the production of MG-Si

Gambar 1. Skema tungku busur elektroda terendam yang digunakan dalam produksi MG-Si.

Silikon adalah unsur paling melimpah kedua di kerak bumi (oksigen adalah yang pertama). Itu terjadi secara alami di batuan silikat (mengandung Si-O) dan pasir. Silikon unsur yang digunakan dalam pembuatan perangkat semikonduktor dihasilkan dari pasir kuarsa dan kuarsit dengan kemurnian tinggi, yang mengandung relatif sedikit pengotor. Silikon kelas elektronik, nama yang digunakan untuk kelas silikon yang digunakan dalam pembuatan perangkat semikonduktor, adalah produk dari rangkaian proses yang dimulai dengan konversi pasir kuarsa atau kuarsit menjadi "silikon kelas metalurgi" (MG-Si), dalam listrik tungku busur (Gambar 1) menurut reaksi kimia:

SiO2+ C → Si + CO2

Silikon yang dibuat dengan cara ini disebut "tingkat metalurgi" karena sebagian besar produksi dunia sebenarnya digunakan untuk pembuatan baja. Ini sekitar 98% murni.MG-Si tidak cukup murni untuk digunakan langsung dalam manufaktur elektronik. Sebagian kecil (5% - 10%) dari produksi MG-Si di seluruh dunia dimurnikan lebih lanjut untuk digunakan dalam manufaktur elektronik. Pemurnian MG-Si menjadi silikon kelas semikonduktor (elektronik) adalah proses multi-langkah, yang ditunjukkan secara skematis pada Gambar 2. Dalam proses ini, MG-Si digiling pertama dalam ball-mill untuk menghasilkan sangat halus (75%< 40 µM) partikel yang kemudian diumpankan ke Fluidized Bed Reactor (FBR). Di sana MG-Si bereaksi dengan gas asam klorida anhidrat (HCl), pada 575 K (sekitar 300ºC) menurut reaksi:

Si + 3HCl → SiHCl3+ H2

Reaksi hidroklorinasi di FBR menghasilkan produk gas yang sekitar 90% triklorosilan (SiHCl3). 10% sisa gas yang dihasilkan pada tahap ini sebagian besar adalah tetraklorosilan, SiCl4, dengan beberapa diklorosilan, SiH2Cl2. Campuran gas ini dimasukkan melalui serangkaian distilasi fraksional yang memurnikan triklorosilan dan mengumpulkan serta menggunakan kembali produk sampingan tetraklorosilan dan diklorosilan. Proses pemurnian ini menghasilkan triklorosilan yang sangat murni dengan pengotor utama dalam kisaran bagian per miliar rendah. Silikon polikristalin padat yang dimurnikan dihasilkan dari triklorosilan dengan kemurnian tinggi menggunakan metode yang dikenal sebagai "Proses Siemens". Dalam proses ini, triklorosilan diencerkan dengan hidrogen dan diumpankan ke reaktor pengendapan uap kimia. Di sana, kondisi reaksi diatur sehingga silikon polikristalin diendapkan pada batang silikon yang dipanaskan secara elektrik sesuai dengan kebalikan dari reaksi pembentukan triklorosilan:

SiHCl3+ H2→ Si + 3HC

Produk sampingan dari reaksi deposisi (H2, HCl, SiHCl3, SiCl4dan SiH2Cl2) ditangkap dan didaur ulang melalui proses produksi dan pemurnian triklorosilan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Kimia dari proses produksi, pemurnian dan pengendapan silikon yang terkait dengan silikon kelas semikonduktor lebih kompleks daripada deskripsi sederhana ini. Ada juga sejumlah kimia alternatif yang dapat, dan sedang, digunakan untuk produksi polysilicon.

rocess flow diagram for the production of semiconductor grade (electronic grade) silicon

Gambar 2. Diagram alir proses untuk produksi silikon kelas semikonduktor (kelas elektronik).

Fabrikasi Wafer Silikon Kristal Tunggal

Wafer silikon yang begitu akrab bagi kita di industri semikonduktor sebenarnya adalah irisan tipis kristal tunggal silikon besar yang dikembangkan dari silikon polikristalin kelas elektronik yang meleleh. Proses yang digunakan dalam menumbuhkan kristal tunggal ini dikenal sebagai proses Czochralski setelah penemunya, Jan Czochralski. Gambar 3 menunjukkan urutan dasar dan komponen yang terlibat dalam proses Czochralski.

Schematic of Czochralski process (b) Process equipment (reproduced with permission, PVA TePla AG 2017)

Gambar 3. Skema proses Czochralski (b) Peralatan proses (direproduksi dengan izin, PVA TePla AG 2017).

Proses Czochralski dilakukan di ruang yang dapat dievakuasi, biasanya disebut sebagai "penarik kristal" yang menampung wadah besar, biasanya kuarsa, dan elemen pemanas listrik (Gambar 3 (a)). Polysilicon tingkat semikonduktor dimuat (diisi) ke dalam wadah bersama dengan jumlah yang tepat dari setiap dopan seperti fosfor atau boron yang mungkin diperlukan untuk memberikan karakteristik P atau N yang ditentukan pada produk wafer. Evakuasi menghilangkan udara dari ruangan untuk menghindari oksidasi silikon yang dipanaskan selama proses pertumbuhan. Crucible yang bermuatan listrik dipanaskan sampai suhu yang cukup untuk melelehkan polisilikon (lebih dari 1421ºC). Setelah muatan silikon sepenuhnya meleleh, kristal benih kecil, dipasang pada batang, diturunkan ke dalam silikon cair. Kristal benih biasanya berdiameter sekitar 5 mm dan panjang hingga 300 mm. Ini bertindak sebagai "starter" untuk pertumbuhan kristal silikon yang lebih besar dari lelehan. Kristal benih dipasang pada batang dengan segi kristal yang diketahui berorientasi vertikal dalam lelehan (segi kristal ditentukan oleh "Indeks Miller"). Dalam kasus kristal benih, faset memiliki indeks Miller< 100>="">< 110=""> atau< 111=""> biasanya dipilih. Pertumbuhan kristal dari lelehan akan menyesuaikan dengan orientasi awal ini, memberikan kristal tunggal besar akhir orientasi kristal yang diketahui. Setelah perendaman dalam lelehan, kristal benih perlahan-lahan (beberapa cm / jam) ditarik dari lelehan saat kristal yang lebih besar tumbuh. Kecepatan tarik menentukan diameter akhir dari kristal besar. Baik kristal dan wadah diputar selama tarikan kristal untuk meningkatkan homogenitas kristal dan distribusi dopan. Kristal besar terakhir berbentuk silinder; itu disebut "boule". Pertumbuhan Czochralski adalah metode paling ekonomis untuk produksi boule kristal silikon yang cocok untuk memproduksi wafer silikon untuk fabrikasi perangkat semikonduktor umum (dikenal sebagai wafer CZ). Metode tersebut dapat membentuk boule yang cukup besar untuk menghasilkan wafer silikon hingga diameter 450 mm. Namun, metode tersebut memiliki batasan tertentu. Karena boule ditanam dalam kuarsa (SiO2) wadah, beberapa kontaminasi oksigen selalu ada dalam silikon (biasanya 1018 atom cm-3 atau 20 ppm). Crucible grafit telah digunakan untuk menghindari kontaminasi ini, namun mereka menghasilkan kotoran karbon dalam silikon, meskipun dengan urutan konsentrasi yang lebih rendah. Baik kotoran oksigen dan karbon menurunkan panjang difusi pembawa minoritas dalam wafer silikon akhir. Homogenitas dopan pada arah aksial dan radial juga terbatas pada silikon Czochralski, sehingga sulit untuk mendapatkan wafer dengan resistivitas lebih dari 100 ohm-cm.

Silikon dengan kemurnian lebih tinggi dapat diproduksi dengan metode yang dikenal sebagai pemurnian Float Zone (FZ). Dalam metode ini, ingot silikon polikristalin dipasang secara vertikal di ruang pertumbuhan, baik di bawah vakum atau atmosfer inert. Ingot tidak bersentuhan dengan salah satu komponen ruang kecuali untuk gas ambien dan kristal benih dengan orientasi yang diketahui di dasarnya (Gambar 4). Ingot dipanaskan menggunakan kumparan frekuensi radio (RF) non-kontak yang membentuk zona bahan yang meleleh di dalam ingot, biasanya dengan tebal sekitar 2 cm. Dalam proses FZ, batang bergerak vertikal ke bawah, memungkinkan zona cair untuk naik sepanjang ingot, mendorong kotoran sebelum pencairan dan meninggalkan silikon kristal tunggal yang sangat murni. Wafer silikon FZ memiliki resistivitas setinggi 10.000 ohm-cm.

Gambar 4. Konfigurasi pertumbuhan kristal zona apung.

Setelah silikon boule dibuat, ia dipotong menjadi panjang yang dapat diatur dan setiap panjang digiling ke diameter yang diinginkan. Flat orientasi yang menunjukkan doping silikon dan orientasi untuk wafer dengan diameter kurang dari 200 mm juga digiling ke dalam boule pada tahap ini. Untuk wafer dengan diameter kurang dari 200 mm, datar primer (terbesar) diorientasikan tegak lurus dengan sumbu kristal tertentu seperti< 111=""> atau< 100=""> (lihat Gambar 5). Flat sekunder (lebih kecil) menunjukkan apakah wafer tipe-p atau tipe-n. Wafer 200 mm (8 inci) dan 300 mm (12 inci) menggunakan takik tunggal yang berorientasi pada sumbu kristal yang ditentukan untuk menunjukkan orientasi wafer tanpa indikator untuk jenis doping. Gambar 3 menunjukkan hubungan antara jenis wafer dan penempatan flat di tepi wafer.

Wafer flat designators for different wafer orientation and doping

Gambar 5. Penunjuk datar wafer untuk orientasi dan doping wafer yang berbeda.

Setelah boule digerus hingga diameter yang diinginkan dan flat dibuat, boule dipotong menjadi irisan tipis menggunakan pisau bertatahkan berlian atau kawat baja. Tepi irisan silikon biasanya membulat pada tahap ini. Penandaan laser yang menunjukkan jenis silikon, resistivitas, pabrikan, dll. Juga ditambahkan di dekat flat utama saat ini. Kedua permukaan irisan yang belum selesai digiling dan dibelitkan untuk membawa semua irisan ke dalam ketebalan dan toleransi kerataan yang ditentukan. Penggerindaan menjadikan irisan memiliki ketebalan yang kasar dan toleransi kerataan setelah proses lapping menghilangkan sisa bahan yang tidak diinginkan dari permukaan irisan, meninggalkan permukaan yang halus, rata, dan tidak terpoles. Lapping biasanya mencapai toleransi kurang dari 2.5 µm keseragaman dalam kerataan permukaan wafer.

Tahap akhir dalam pembuatan wafer silikon melibatkan secara kimiawietsamenghilangkan semua lapisan permukaan yang mungkin telah menumpuk kerusakan kristal dan kontaminasi selama penggergajian, penggilingan dan pemukulan; diikuti olehpemolesan mekanis kimiawi(CMP) untuk menghasilkan permukaan yang sangat reflektif, bebas goresan dan kerusakan di satu sisi wafer. Pengetsaan kimiawi dilakukan dengan menggunakan larutan etsa asam fluorida (HF) yang dicampur dengan asam nitrat dan asetat yang dapat melarutkan silikon. Dalam CMP, irisan silikon dipasang ke pembawa dan ditempatkan di mesin CMP di mana mereka menjalani pemolesan kimia dan mekanis gabungan. Biasanya, CMP menggunakan bantalan pemoles poliuretan keras yang dikombinasikan dengan bubur alumina terdispersi halus atau partikel abrasif silika dalam larutan alkali. Produk akhir dari proses CMP adalah wafer silikon yang kita kenal sebagai pengguna. Ini memiliki permukaan yang sangat reflektif, bebas goresan dan kerusakan di satu sisi tempat perangkat semikonduktor dapat dibuat.

Produksi Wafer Semikonduktor Senyawa

Semikonduktor majemuk adalah bahan penting di banyak militer dan perangkat elektronik khusus lainnya seperti laser, perangkat elektronik frekuensi tinggi, LED, penerima optik, sirkuit terintegrasi opto-elektronik, dll. GaN telah umum digunakan di banyak aplikasi LED komersial yang berbeda sejak tahun 1990-an. .

Tabel 1 memberikan daftar semikonduktor senyawa unsur dan biner (dua unsur) bersama dengan sifat celah pita dan besarnya. Selain semikonduktor senyawa biner, semikonduktor senyawa terner (tiga elemen) juga dikenal dan digunakan dalam fabrikasi perangkat. Semikonduktor senyawa terner termasuk bahan-bahan seperti aluminium gallium arsenide, AlGaAs, indium gallium arsenide, InGaAs dan indium aluminium arsenide, InAlAs. Semikonduktor senyawa kuarterner (empat elemen) juga dikenal dan digunakan dalam mikroelektronika modern.

Kemampuan memancarkan cahaya yang unik dari semikonduktor majemuk disebabkan oleh fakta bahwa mereka adalah semikonduktor celah pita langsung. Tabel 1 menunjukkan semikonduktor mana yang memiliki sifat ini. Panjang gelombang cahaya yang dipancarkan oleh perangkat yang dibangun dari semikonduktor celah pita langsung bergantung pada energi celah pita. Dengan terampil merekayasa struktur celah pita perangkat komposit yang dibangun dari semikonduktor senyawa berbeda dengan celah pita langsung, para insinyur telah mampu menghasilkan perangkat pemancar cahaya solid state yang berkisar dari laser yang digunakan dalam komunikasi serat optik hingga bola lampu LED efisiensi tinggi. Sebuah diskusi rinci tentang implikasi dari celah pita langsung versus tidak langsung dalam bahan semikonduktor berada di luar cakupan pekerjaan ini.

Sederhana, semikonduktor senyawa biner dapat dibuat dalam jumlah besar, dan wafer kristal tunggal diproduksi dengan proses yang serupa dengan yang digunakan dalam pembuatan wafer silikon. GaAs, InP dan ingot semikonduktor majemuk lainnya dapat ditanam menggunakan metode Czochralski atau Bridgman-Stockbarger dengan wafer yang disiapkan dengan cara yang mirip dengan produksi wafer silikon. Pengondisian permukaan wafer semikonduktor majemuk, (yaitu, membuatnya reflektif dan datar) diperumit oleh fakta bahwa setidaknya ada dua elemen dan elemen ini dapat bereaksi dengan etsa dan abrasif dalam mode yang berbeda.

Sistem Material	Nama	Rumus	Kesenjangan Energi (eV)	Jenis Pita (I=tidak langsung; D=langsung)
IV	berlian	C	5.47	I
	Silicon	Si	1.124	I
	Germanium	Ge	0.66	I
	Grey Tin	Sn	0.08	D
IV-IV	Silicon Carbide	SiC	2.996	I
IV-IV	Silicon-Germanium	SixGe1-x	Var.	I
IIV-V	Timbal Sulfida	PbS	0.41	D
	Pimpin Selenide	PbSe	0.27	D
	Timbal Telluride	PbTe	0.31	D
III-V	Aluminium Nitrida	AlN	6.2	I
	Aluminium Fosfida	Puncak gunung	2.43	I
	Aluminium Arsenide	Sayang	2.17	I
	Aluminium Antimonida	AlSb	1.58	I
	Gallium Nitrida	GaN	3.36	D
	Gallium Phosphide	Celah	2.26	I
	Gallium Arsenide	GaAs	1.42	D
	Gallium Antimonide	GaSb	0.72	D
	Indium Nitrida	Penginapan	0.7	D
	Indium Fosfida	InP	1.35	D
	Indium Arsenide	InAs	0.36	D
	Indium Antimonide	InSb	0.17	D
II-VI	Seng Sulfida	ZnS	3.68	D
	Seng Selenide	ZnSe	2.71	D
	Seng Telluride	ZnTe	2.26	D
	Kadmium Sulfida	CdS	2.42	D
	Kadmium Selenide	CdSe	1.70	D
	Kadmium Telluride	CdTe	1.56	D

Tabel 1. Semikonduktor unsur dan semikonduktor senyawa biner.