6.2. Получение монокристаллов кремния и подготовка подложек
По степени
распространенности в природе кремний
находится на втором месте, он составляет
25% массы земной коры. После изобретения
бестигельной зонной плавки он начал
широко применяться в качестве
полупроводникового материала. Кремний
является одним из самых чистых материалов,
при этом сравнительно дешевым (на порядок
дешевле германия и на три порядка –
арсенида галлия). Основными примесями
в полупроводниковом кремнии являются
бор и углерод (до
%)
и легирующие элементы (до
%).
Получение полупроводникового поликристаллического кремния производится в три этапа.
Получение металлургического кремния. Кварцит (
),
уголь, кокс и древесные отходы загружаются
в дуговую печь, где при высокой температуре
проходят химические реакции. Завершающей
является реакция получения расплавленного
кремния (98% чистоты):
. (6.1)
Получение чистого трихлорсилана. При температуре
в присутствии катализатора механически
измельченный кремний подвергается
воздействию хлористого водорода. В
результате получается технически
чистый трихлорсилан:
.
(6.2)
Трихлорсилан при
нормальных условиях представляет собой
легкокипящую жидкость (
).
Очищается до высокой степени чистоты
многократной фракционной дистилляцией.
Получение полупроводникового кремния путем осаждения из прогретой смеси:
.
(6.3)
Кремний, получаемый в результате этого процесса, представляет собой поликристаллический стержень диаметром до 200 мм и длиной в несколько метров.
Получение монокристаллического кремния. Основной метод получения монокристаллического кремния – выращивание кристалла по методу Чохральского.
Сущность метода состоит в том, что атомы кремния осаждаются на специальную затравку, которая медленно, с вращением, при помощи специального механизма вытягивается из расплава кремния. После того как кристалл выращен, его подвергают очистке с помощью бестигельной зонной плавки (Пфанн 1952 г.). Высокочастотный нагреватель, двигаясь горизонтально вдоль кристалла кремния, создает зону локального расплавления. В процессе остывания расплава и образования кристаллической решетки чаще всего энергетически более выгодным является размещение в строящейся решетке атома кремния, а не примесного атома. В результате примесные атомы вытесняются из зоны кристаллизации. По мере продвижения нагревателя вдоль кристалла примеси перемещаются к его периферии.
Полученный слиток подвергается механической обработке, в процессе которой отделяется его затравочная и хвостовая часть, производится обдирка боковой части и шлифовка боковых срезов. Для определения направления бокового среза используется рентгеновский метод. Базовый срез необходим для ориентирования подложек в технологических операциях и ориентирования кристалла ИС относительно кристаллографических осей. Поверхность пластин подвергается механической шлифовке и полировке. На конечной стадии обработки может производиться химическая или химико-механическая полировка, в результате которой поверхность пластины получается без механических нарушений поверхностного слоя и высокого класса чистоты (14 класс чистоты).
Перспективы дальнейшего развития субмикронной технологии ИС требуют использования подложек большего диаметра (более 200 мм), возрастают требования к плоскостности и степени чистоты поверхности подложек, а также уменьшению количества примесей и дефектов.