Полупроводниковые подложки

Из установки извлекают кремниевый слиток диаметром 20 - 40 см и длиной до 3 метров. Для получения из него кремниевых пластин заданной ориентации и толщиной в несколько десятых миллиметра производят следующие технологические операции.

1. Механическая обработка слитка:

- отделение затравочной и хвостовой части слитка;

- обдирка боковой поверхности до нужной толщины;

- рентгенографическая ориентация слитка;

- шлифовка одного или нескольких базовых срезов (для облегчения дальнейшей ориентации в технологических установках и для определения кристаллографической ориентации);

- резка алмазными пилами слитка на пластины: (100) - точно по плоскости; (111) - с разориентацией на несколько градусов.

2. Травление. На абразивном материале SiC или Al₂O₃ удаляются повреждения высотой более 10 мкм. Затем в смеси плавиковой, азотной и уксусной кислот или раствора щелочей натрия производится травление поверхности Si.

3. Полирование - получение зеркально гладкой поверхности. Используют смесь полирующей суспензии (коллоидный раствор частиц SiO₂ размером 10 нм) с водой.

В окончательном виде кремний представляет из себя пластину или подложку диаметром 15 - 40 см, толщиной 0.5 - 0.65 мм с зеркальной поверхностью. Вид подложек с различной ориентацией поверхности и типом проводимости приведен на рисунке

Эпитаксия из газовой фазы

Термин "эпитаксия" применяют к процессам выращивания тонких монокристаллических слоев на монокристаллических подложках. Материал подложки в этом процессе выполняет роль затравочного кристалла.

Если материалы получаемого слоя и подложки идентичны, например, кремний выращивают на кремнии, то процесс называют автоэпитаксиальным или гомоэпитаксиальным. Если же материалы слоя и подложки различаются (хотя их кристаллическая структура должна быть сходной для обеспечения роста монокристаллического слоя), то процесс называют гетероэпитаксиальным.

Эпитаксиальное выращивание кремния из парогазовой фазы обычно проводят в реакторе, изготовленном из стеклообразного кварца, на помещенном внутри него подложкодержателе. Он служит для установки подложек и их нагрева во время процесса. Выращивание кремния проводится в потоке парогазовой смеси при высоких температурах

Для выращивания эпитаксиального кремния используется один из четырех кремнийсодержащих реагентов: тетрахлорид кремния - SiCl₄, трихлорсилан - SiHCl₃, дихлорсилан - SiH2Cl₂, силан - SiH₄ и водород. При таких условиях возможно протекание химических реакций типа

SiCl₄ + 2H₂ = Siтв + 4HCl.

Газ разлагается на поверхности пластины и на нее осаждаются атомы кремния.

Для получения монокристаллической пленки необходим сильный нагрев подложки, чтобы осаждающиеся атомы кремния могли перемещаться в положения, соответствующие образования с подложкой ковалентных связей. При этом атомы должны успеть продолжить монокристаллическую решетку до того, как они будут накрыты следующими слоями осаждающихся атомов. Это происходит при температурах процесса от 900ºС до 1250ºС. Обычно скорость роста эпитаксиальной пленки составляет величину порядка нескольких микрометров в минуту.

Разложение кремнийсодержащих компонент происходит пиролитически, т.е. только за счет тепла. Скорость роста пленки пропорциональна парциальному давлению силана. Все вещества, поступающие в реактор являются газами, отсюда и название "химическое осаждение из газовой фазы".

Легирование при эпитаксии

Для легирования используются гидриды примесных элементов (арсин AsH₃, диборан B₂H₆, фосфин PH₃). Процессы, происходящие на поверхности кремния при осаждении:

2AsH₃→2As_тв+3H_2газ

Выделяющиеся атомы мышьяка замещают атомы кремния в растущей эпитаксиальной пленке. Если поток легирующей примеси в реактор резко прервать, это не приведет к быстрому изменению уровня легирования, что указывает на большую инерционность процесса легирования.

При организации технологического процесса особое внимание уделяется технике безопасности. Возможны взрыв или возгорание водорода, наблюдается сильная коррозия, обусловленная наличием в технологическом цикле HCl, имеет место высокая токсичность легирующих газов. Концентрация арсина AsH3 величиной 0,025% приводит к смертельному исходу.