Produksjon av silisiumplater

SiO2+ C → Si + CO2

Si + 3HCl → SiHCl3+ H2

Hydroklorasjonsreaksjonen i FBR gir et gassformig produkt som er omtrent 90% triklorsilan (SiHCl3). De resterende 10% av gassen produsert i dette trinnet er for det meste tetraklorsilan, SiCl4, med noe diklorsilan, SiH2Cl2. Denne gassblandingen føres gjennom en serie brøkdestillasjoner som renser triklorsilan og samler opp og gjenbruker tetraklorsilan og diklorsilan biprodukter. Denne renseprosessen produserer ekstremt ren triklorsilan med store urenheter i området for lave deler per milliard. Renset, fast polykrystallinsk silisium produseres av triklorsilan med høy renhet ved hjelp av en metode kjent som "The Siemens Process." I denne prosessen blir triklorsilan fortynnet med hydrogen og matet til en kjemisk dampavsetningsreaktor. Der justeres reaksjonsbetingelsene slik at polykrystallinsk silisium avsettes på elektrisk oppvarmede silisiumstenger i henhold til det motsatte av triklorsilandannelsesreaksjonen:

SiHCl3+ H2→ Si + 3HC

Biprodukter fra avsetningsreaksjonen (H2, HCl, SiHCl3SiCl4og SiH2Cl2) fanges opp og resirkuleres gjennom triklorsilanproduksjon og -rensingsprosessen som vist i figur 2. Kjemien til produksjons-, rensings- og silisiumavsetningsprosesser assosiert med silisium av halvlederkvalitet er mer kompleks enn denne enkle beskrivelsen. Det finnes også en rekke alternative kjemikalier som kan brukes og brukes til produksjon av polysilisium.

Silisium med høyere renhet kan produseres ved en metode kjent som Float Zone (FZ) raffinering. I denne metoden monteres en polykrystallinsk silisiumsteng vertikalt i vekstkammeret, enten under vakuum eller inert atmosfære. Blokken er ikke i kontakt med noen av kammerkomponentene bortsett fra den omgivende gassen og en frøkrystall med kjent orientering ved basen (figur 4). Tingen varmes opp ved bruk av berøringsfri radiofrekvens (RF) -spoler som etablerer en sone av smeltet materiale i blokken, typisk ca. 2 cm tykk. I FZ-prosessen beveger stangen seg vertikalt nedover, slik at den smeltede sonen beveger seg oppover lengden på barren, skyver urenheter foran smelten og etterlater høyt renset enkeltkrystallsilisium. FZ silikonplater har motstand så høyt som 10.000 ohm-cm.

Den siste fasen i produksjon av silisiumplater involverer kjemisketsningfjern overflatelag som kan ha akkumulert krystallskader og forurensning under saging, sliping og lapping; etterfulgt avkjemisk mekanisk polering(CMP) for å produsere en svært reflekterende, ripefri og skadefri overflate på den ene siden av waferen. Den kjemiske etsingen oppnås ved hjelp av en etsende løsning av flussyre (HF) blandet med salpetersyre og eddiksyre som kan oppløse silisium. I CMP monteres silisiumskiver på en bærer og plasseres i en CMP-maskin hvor de gjennomgår kombinert kjemisk og mekanisk polering. CMP benytter typisk en hard polyuretan-poleringspute kombinert med en oppslemming av fint dispergert aluminiumoksyd eller silika-slipende partikler i en alkalisk løsning. Det ferdige produktet av CMP-prosessen er silisiumplaten som vi som brukere er kjent med. Den har en meget reflekterende, ripefri og skadefri overflate på den ene siden som halvlederinnretninger kan fremstilles på.

Tabell 1 gir en liste over elementære og binære (to-element) sammensatte halvledere sammen med arten av båndgapet og størrelsen. I tillegg til halvledere med binære forbindelser er ternære (tre-element) sammensatte halvledere også kjent og brukt i fabrikasjon av enheter. Halvledere med ternære forbindelser inkluderer materialer som aluminiumgalliumarsenid, AlGaAs, indiumgalliumarsenid, InGaAs og indiumaluminiumarsenid, InAlAs. Kvartalære (fire element) sammensatte halvledere er også kjent og brukes i moderne mikroelektronikk.

Den unike lysemitterende evnen til sammensatte halvledere skyldes at de er direkte båndgap halvledere. Tabell 1 angir hvilke halvledere som har denne egenskapen. Bølgelengden til lyset som sendes ut av enheter bygget fra halvledere med direkte båndgap, avhenger av båndgapsenergien. Ved å dyktig konstruere båndgapstrukturen til komposittanordninger bygget av forskjellige sammensatte halvledere med direkte båndgap, har ingeniører vært i stand til å produsere solid state-lysemitterende enheter som spenner fra lasere som brukes i fiberoptisk kommunikasjon til høyeffektive LED-lyspærer. En detaljert diskusjon av implikasjonene av direkte versus indirekte båndgap i halvledermaterialer ligger utenfor omfanget av dette arbeidet.

Enkle halvledere med binær forbindelse kan fremstilles i bulk, og enkeltkrystallplater produseres ved prosesser som ligner på de som brukes i silisiumplaterproduksjon. GaAs, InP og andre sammensatte halvlederstenger kan dyrkes ved hjelp av enten Czochralski eller Bridgman-Stockbarger-metoden med wafers fremstilt på en måte som ligner silisium wafer-produksjon. Overflatekondisjonering av sammensatte halvlederplater (dvs. å gjøre dem reflekterende og flate) kompliseres av det faktum at minst to elementer er til stede, og disse elementene kan reagere med etsemidler og slipemidler i forskjellige moter.

Tabell 1. De elementære halvledere og de binære sammensatte halvledere.