실리콘 웨이퍼 생산

출처: mksinst.com

전자등급 다결정실리콘(폴리실리콘) 정제

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

그림 1. MG-Si 의 생산에 사용되는 침수 전극 아크 로의 회로도.

실리콘은 지구의 지각에서 두 번째로 풍부한 원소입니다 (산소는 첫 번째입니다). 그것은 규산염 (Si-O 포함) 바위와 모래에서 자연적으로 발생합니다. 반도체 소자 제조에 사용되는 원소 실리콘은 상대적으로 적은 불순물을 포함하는 고순도 석영 및 석영 모래에서 생산됩니다. 전자등급 실리콘은 반도체 소자 제조에 사용되는 실리콘의 등급에 사용되는 명칭으로, 화학 반응에 따라 전기 아크로(그림 1)에서 석영 또는 석영 모래를 "야금등급 실리콘"(MG-Si)으로 변환하는 것으로 시작되는 공정 체인의 산물입니다.

Sio2+ C → 시 + CO2

이러한 방식으로 제조된 실리콘은 세계 생산량의 대부분이 실제로 제강에 들어가기 때문에 "야금 등급"이라고 합니다. 그것은 약 98 % 순수합니다. MG-Si는 전자 제조에 직접 사용하기에 충분하지 않습니다. 작은 분수 (5% - 10%) MG-Si의 전 세계 생산중은 전자 제조에 사용하기 위해 더욱 정제됩니다. MG-Si에서 반도체(전자) 등급 실리콘의 정제는 다단계 공정이며, 도 2에서 괄약하게 나타났다. 이 과정에서 MG-Si는 볼밀에서 첫 번째 지면으로 매우 미세하게 생산됩니다(75%)< 40="" µm)="" particles="" which="" are="" then="" fed="" to="" a="" fluidized="" bed="" reactor="" (fbr).="" there="" the="" mg-si="" reacts="" with="" anhydrous="" hydrochloric="" acid="" gas="" (hcl),="" at="" 575="" k="" (approx.="" 300ºc)="" according="" to="" the="">

시 + 3HCl → SiHCl3+ H2

FBR의 염산염 반응은 약 90% 트리클로로실레인(SiHCl)인 기체 제품을 만듭니다.3). 이 단계에서 생산되는 가스의 나머지 10%는 대부분 테트라클로로실란, SiCl4, 일부 디클로로실레인, SiH2Cl2. 이 가스 혼합물은 트리클로로실란을 정화하고 테트라클로로실란 및 디클로로실레인 부산물을 수집하고 재사용하는 일련의 분수 증류를 통해 투입된다. 이 정제 공정은 10억 범위당 낮은 부품의 주요 불순물로 매우 순수한 트리클로로실란을 생성합니다. 정제된 고체 다결정 실리콘은 "지멘스 공정"이라는 방법을 사용하여 고순도 트리클로로실레인에서 생산됩니다. 이 과정에서 트리클로로실란은 수소로 희석되어 화학 증기 증착 반응기로 공급된다. 거기에서, 다결정 실리콘이 트리클로로실란 형성 반응의 역에 따라 전기 가열 실리콘 막대에 증착되도록 반응 조건이 조정됩니다.

시흐클3+ H2→ 시 + 3HC

증착 반응으로부터 부산물(H2, HCl, 시HCl3, SiCl4및 SiH2Cl2)은 도 2에 도시된 바와 같이 트리클로로실란 생산 및 정화 공정을 통해 포획 및 재활용된다. 반도체 등급 실리콘과 관련된 생산, 정제 및 실리콘 증착 공정의 화학은 이 간단한 설명보다 더 복잡하다. 또한 폴리실리콘 생산에 사용될 수 있고, 사용되는 대체 화학물질도 많이 있습니다.

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

그림 2. 반도체 등급(전자등급) 실리콘 생산을 위한 공정 흐름 다이어그램.

단일 크리스탈 실리콘 웨이퍼 제작

반도체 산업에서 우리들에게 친숙한 실리콘 웨이퍼는 실제로 용융 된 전자 등급 의 다결정 실리콘에서 재배 된 실리콘의 큰 단일 결정의 얇은 조각입니다. 이 단결정 성장에 사용된 프로세스는 발명가 얀 Czochralski 후에 Czochralski 프로세스로 알려져 있습니다. 도 3은 Czochralski 프로세스와 관련된 기본 시퀀스 및 구성 요소를 보여줍니다.

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

그림 3. Czochralski 공정 (b) 공정 장비의 회로도 (허가, PVA TePla AG 2017).

Czochralski 공정은 일반적으로 큰 도가니, 보통 석영 및 전기 가열 요소 (그림 3 (a)를 보유하는 "크리스탈 풀러"라고하는 대피 챔버에서 수행됩니다. 반도체 등급 폴리실리콘은 제품 웨이퍼 지정 P 또는 N 특성을 제공하는 데 필요할 수 있는 인 또는 붕소와 같은 모든 도바지의 정확한 양과 함께 도가니에 적재(충전)된다. 피난은 성장 과정에서 가열 된 실리콘의 산화를 피하기 위해 챔버에서 공기를 제거합니다. 충전된 도가니는 폴리실리콘(1421ºC 보다 큰)을 용융하기에 충분한 온도로 전기적으로 가열된다. 실리콘 전하가 완전히 녹으면 막대에 장착된 작은 종자 크리스탈이 용융 된 실리콘으로 낮아집니다. 종자 결정은 일반적으로 직경 약 5mm와 최대 300mm 길이입니다. 그것은 용융에서 더 큰 실리콘 크리스탈의 성장을위한 "스타터"역할을한다. 종자 결정은 용융에서 수직으로 방향을 정한 알려진 크리스탈 면으로 막대에 장착됩니다(크리스탈 면은 "밀러 지수"에 의해 정의됩니다). 종자 결정의 경우, 밀러 지수를 갖는 면<100>,<110>또는<111>일반적으로 선택됩니다. 용융에서 의 결정 성장은 이 초기 방향을 준수하여 최종 큰 단일 결정에게 알려진 결정 방향을 제공합니다. 용융에 침지 한 후, 종자 결정은 천천히 (몇 cm/ 시간) 큰 결정이 성장함에 따라 용융에서 당겨집니다. 당김 속도는 큰 결정의 최종 직경을 결정합니다. 크리스탈과 도가니 모두 크리스탈 당김 중에 회전하여 크리스탈 및 도펀트 분포의 균일성을 향상시킵니다. 최종 큰 결정은 원통형 모양; 그것은 "불"이라고합니다. Czochralski 성장은 일반 반도체 장치 제조 (CZ 웨이퍼로 알려진)를 제조하기위한 실리콘 웨이퍼를 생산하는 데 적합한 실리콘 크리스탈 불의 생산을위한 가장 경제적 인 방법입니다. 이 방법은 직경 450mm까지 실리콘 웨이퍼를 생성할 수 있을 만큼 큰 불을 형성할 수 있습니다. 그러나 메서드에는 특정 제한 사항이 있습니다. 불은 석영 (SiO)에서 재배되기 때문에2) 도가니, 일부 산소 오염은 항상 실리콘 (일반적으로 1018 원자 cm-3 또는 20 ppm)에 존재한다. 흑연 도가니가 오염을 피하기 위해 사용되었지만, 농도가 낮기는 하지만 실리콘에서 탄소 불순물을 생성합니다. 산소와 탄소 불순물 모두 최종 실리콘 웨이퍼에서 소수 담체 확산 길이를 낮춥다. 축 및 방사형 방향의 도펀트 균질성은 또한 Czochralski 실리콘에서 제한되어 있어 100 옴cm 이상의 저항력으로 웨이퍼를 얻기가 어렵습니다.

더 높은 순도 실리콘은 플로트 존(FZ) 정제로 알려진 방법에 의해 생성될 수 있다. 이 방법에서 다결정 실리콘 입구는 진공 또는 불활성 대기 하에서 성장 챔버에 수직으로 장착됩니다. 이 고는 주변 가스 및 베이스에서 알려진 방향의 종자 결정을 제외하고는 챔버 구성 요소와 접촉하지 않습니다(그림 4). 이 고지는 일반적으로 약 2cm 두께의 고리에서 용융 된 재료의 영역을 설정하는 비접촉 무선 주파수 (RF) 코일을 사용하여 가열된다. FZ 공정에서 막대는 수직으로 아래로 이동하여 용융 영역이 고버의 길이위로 올라갈 수 있게 하여 용융보다 앞서 불순물을 밀어내고 고도로 정제된 단일 결정 실리콘을 남깁니다. FZ 실리콘 웨이퍼는 10,000 옴cm의 높은 저항을 가지고 있습니다.

그림 4. 플로트 존 크리스탈 성장 구성.

실리콘 불이 만들어지면 관리 가능한 길이로 절단되고 각 길이는 원하는 직경으로 절단됩니다. 직경 이 200mm 미만의 웨이퍼에 대한 실리콘 도핑 및 방향을 나타내는 방향 플랫도 이 단계에서 불속으로 접지됩니다. 직경이 200mm 미만인 웨이퍼의 경우, 1차(가장 큰) 플랫은 같은 지정된 결정축에 수직으로 지향된다.<111>또는<100>(그림 5 참조). 보조(더 작은) 플랫은 웨이퍼가 p-타입인지 n형인지를 나타냅니다. 200mm(8인치) 및 300mm(12인치) 웨이퍼는 지정된 결정축을 중심으로 단일 노치를 사용하여 도핑 유형에 대한 지표가 없는 웨이퍼 방향을 나타냅니다. 도 3은 웨이퍼 유형과 웨이퍼 가장자리에 플랫 배치 사이의 관계를 나타낸다.

Wafer flat designators for different wafer orientation and doping

그림 5. 다른 웨이퍼 방향과 도핑에 대한 웨이퍼 플랫 지정자.

불이 원하는 직경에 접지되고 플랫이 생성된 후 다이아몬드 로 둘러싸인 블레이드 나 강철 와이어를 사용하여 얇은 조각으로 자른다. 실리콘 슬라이스의 가장자리는 일반적으로 이 단계에서 둥글게 됩니다. 실리콘 타입, 저항성, 제조업체 등을 지정하는 레이저 표시도 현재 기본 평면 근처에 추가됩니다. 미완성 슬라이스의 두 표면모두 접지되고 랩핑되어 모든 슬라이스를 지정된 두께 및 평탄도 허용 오차 내에 가져옵니다. 분쇄는 슬라이스를 거친 두께와 평탄도 허용 오차로 가져와 랩핑 공정이 슬라이스 면에서 원치 않는 재료의 마지막 비트를 제거하여 매끄럽고 평평하며 광택이 없는 표면을 남깁니다. 랩핑은 일반적으로 웨이퍼 표면 평탄도에서 2.5 μm 미만의 균일성의 허용 오차를 달성합니다.

실리콘 웨이퍼 제조의 마지막 단계는 화학적으로 포함에칭톱질, 연삭 및 랩핑 중에 결정 손상 및 오염을 축적했을 수 있는 표면 층을 멀리합니다. 뒤화학 기계 연마(CMP)는 웨이퍼의 한쪽에 반사성이 높고 긁힘 및 손상없는 표면을 생성합니다. 화학 식각은 실리콘을 용해시킬 수있는 질과 아세트산과 혼합 된 하이드로 플루오로산 (HF)의 에트라트 용액을 사용하여 수행됩니다. CMP에서 실리콘 슬라이스는 캐리어에 장착되어 CMP 기계에 배치되어 화학 및 기계적 연마를 결합합니다. 일반적으로 CMP는 알칼리성 용액에서 미세하게 분산된 알루미나 또는 실리카 연마 입자의 슬러리와 결합된 단단한 폴리우레탄 연마 패드를 사용합니다. CMP 공정의 완성된 제품은 사용자로서 우리가 잘 아는 실리콘 웨이퍼입니다. 반도체 장치를 조작할 수 있는 한쪽면에 반사성이 높고 긁힘이 나고 손상되지 않는 표면이 있습니다.

복합 반도체 웨이퍼 생산

복합 반도체는 레이저, 고주파 전자 기기, LED, 광학 수신기, 광전자 집적 회로 등과 같은 많은 군사 및 기타 특수 전자 장치에서 중요한 재료입니다. GaN은 1990년대부터 다양한 상용 LED 애플리케이션에서 일반적으로 사용되어 왔습니다.

표 1은 원소 및 이진(두 요소) 화합물 반도체의 목록과 밴드 갭의 특성 및 그 크기를 제공한다. 이진 화합물 반도체 외에도, 대동맥(3원소) 화합물 반도체도 공지되어 장치 제조에 사용된다. 대동맥 화합물 반도체에는 알루미늄 갈륨 아르세니드, 알가아스, 인듐 갈륨 아르세니드, 인가아 및 인듐 알루미늄 아르세니드, InAlAs 와 같은 재료가 포함됩니다. 쿼터니어(4원) 화합물 반도체도 현대 마이크로일렉트로닉스에 사용되고 있다.

복합 반도체의 독특한 발광 능력은 반도체가 직접 밴드 갭 반도체이기 때문입니다. 표 1은 어떤 반도체가 이 재산을 소유하고 있는지 나타냅니다. 직접 밴드 갭 반도체로 제작된 장치에 의해 방출되는 빛의 파장은 밴드 갭 에너지에 따라 달라집니다. 엔지니어는 직접 대역 간격이 있는 다양한 복합 반도체에서 제작한 복합 장치의 대역 갭 구조를 능숙하게 엔지니어링함으로써 광섬유 통신에 사용되는 레이저부터 고효율 LED 전구에 이르는 다양한 고체 상태 발광 장치를 생산할 수 있었습니다. 반도체 소재의 직간접 대역 격차의 영향에 대한 자세한 논의는 이 작업의 범위를 벗어납니다.

단순이진 이진 화합물 반도체는 벌크로 제조될 수 있으며, 단일 결정 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼 제조에 사용되는 것과 유사한 공정에 의해 생산된다. GaAs, InP 및 기타 복합 반도체 괴는 실리콘 웨이퍼 생산과 유사한 방식으로 제조된 웨이퍼를 사용하는 Czochralski 또는 Bridgman-Stockbarger 방법을 사용하여 재배할 수 있습니다. 화합물 반도체 웨이퍼의 표면 컨디셔닝(즉, 반사및 평면)은 적어도 두 개의 요소가 존재하며 이러한 원소가 다른 방식으로 에칭 및 연마제와 반응할 수 있다는 사실에 의해 복잡합니다.

재료 시스템	이름	수식	에너지 갭 (eV)	밴드 유형(I = 간접; D = 직접)
Iv	다이아몬드	C	5.47	Ⅰ
	실리콘	Si	1.124	Ⅰ
	게르 마 늄	Ge	0.66	Ⅰ
	그레이 틴	Sn	0.08	D
IV-IV	실리콘 카바이드	Sic	2.996	Ⅰ
IV-IV	실리콘 게르마늄	SiⅩGe1-x	Var.	Ⅰ
IIV-V	리드 설피드	Pbs	0.41	D
	리드 셀레니드	PbSe	0.27	D
	리드 텔루라이드	PbTe	0.31	D
III-V	알루미늄 니타드	Aln	6.2	Ⅰ
	알루미늄 인산염	알프	2.43	Ⅰ
	알루미늄 아르세니드	슬프게 도	2.17	Ⅰ
	알루미늄 안티모니드	알스브 (알스브)	1.58	Ⅰ
	갈륨 치타리	Gan	3.36	D
	갈륨 인증	간격	2.26	Ⅰ
	갈륨 아르세니데	Gaas	1.42	D
	갤런 안티모니드	개스브 ()	0.72	D
	인듐 니타라이드	인	0.7	D
	인듐 인스피데	Inp	1.35	D
	인듐 아르세니데	InAs	0.36	D
	인듐 안티모니드	Insb	0.17	D
II-VI	아연 설파이드	ZnS	3.68	D
	아연 셀레니데	진세	2.71	D
	아연 텔루라이드	ZnTe	2.26	D
	칼파이드 카드뮴	Cd	2.42	D
	카드뮴 셀레니드	CdSe	1.70	D
	카드뮴 텔루라이드	Cdte	1.56	D

표 1. 원소 반도체 및 이진 화합물 반도체.

전자등급 다결정실리콘(폴리실리콘) 정제

단일 크리스탈 실리콘 웨이퍼 제작

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