シリコンウェーハ製造

SiO2+ C→Si + CO2

Si+3HCl→SiHCl3+ H2

FBRの塩化水素化反応により、約90％のトリクロロシラン（SiHCl3）。このステップで生成されるガスの残りの10％は、ほとんどがテトラクロロシラン、SiClです。4、一部のジクロロシラン、SiH2Cl2。このガス混合物は、トリクロロシランを精製し、テトラクロロシランとジクロロシランの副産物を収集して再利用する一連の分別蒸留にかけられます。この精製プロセスでは、主要な不純物が10億分の1の範囲である非常に純粋なトリクロロシランが生成されます。精製された固体多結晶シリコンは、「シーメンスプロセス」として知られる方法を使用して、高純度のトリクロロシランから製造されます。このプロセスでは、トリクロロシランは水素で希釈され、化学蒸着反応器に送られます。そこでは、トリクロロシラン形成反応の逆に従って、電気加熱されたシリコンロッド上に多結晶シリコンが堆積するように、反応条件が調整されます。

SiHCl3+ H2→Si+3HC

堆積反応からの副産物（H2、HCl、SiHCl3、SiCl4およびSiH2Cl2）は、図2に示すように、トリクロロシランの製造および精製プロセスで回収およびリサイクルされます。半導体グレードのシリコンに関連する製造、精製、シリコン堆積プロセスの化学は、この単純な説明よりも複雑です。また、ポリシリコンの製造に使用でき、使用できる代替化学物質もいくつかあります。

高純度シリコンは、フロートゾーン（FZ）精製と呼ばれる方法で製造できます。この方法では、多結晶シリコンインゴットを真空または不活性雰囲気下で成長チャンバーに垂直に取り付けます。インゴットは、周囲のガスとそのベースで既知の配向の種結晶（図4）を除いて、どのチャンバーコンポーネントとも接触していません。インゴットは、非接触の無線周波数（RF）コイルを使用して加熱されます。このコイルは、インゴット内に溶融材料のゾーン（通常は約2 cmの厚さ）を確立します。 FZプロセスでは、ロッドが垂直方向に下向きに移動し、溶融ゾーンがインゴットの長さ分上に移動できるようにして、不純物を溶融物より前に押し出し、高純度の単結晶シリコンを残します。 FZシリコンウェーハの抵抗率は10,000Ω-cmにもなります。

シリコンウェーハ製造の最終段階は化学的にエッチングソーイング、研削、ラッピング中に結晶の損傷や汚染が蓄積した可能性のある表面層を取り除きます。に続く化学機械研磨（CMP）ウェーハの片面に反射率が高く、スクラッチと損傷のない表面を生成します。化学エッチングは、シリコンを溶解できる硝酸および酢酸と混合したフッ化水素酸（HF）のエッチング液を使用して行われます。 CMPでは、シリコンスライスがキャリアに取り付けられ、CMPマシンに配置され、そこで化学的および機械的研磨が組み合わされます。典型的には、ＣＭＰは、アルカリ溶液中に微細に分散されたアルミナまたはシリカ研磨粒子のスラリーと組み合わされた硬質ポリウレタン研磨パッドを使用する。 CMPプロセスの完成品は、ユーザーとして私たちが精通しているシリコンウェーハです。反射率が高く、引っかき傷がなく、半導体デバイスを製造できる片面に損傷のない表面があります。

表1に、元素および二元（2元素）化合物半導体のリストと、それらのバンドギャップの性質およびその大きさを示します。二元化合物半導体に加えて、三元（３元素）化合物半導体も知られており、デバイス製造に使用されている。三元化合物半導体には、ヒ化アルミニウムガリウム、AlGaAs、ヒ化インジウムガリウム、InGaAs、およびヒ化インジウムアルミニウム、InAlAsなどの材料が含まれます。四元（4元素）化合物半導体も知られており、最近のマイクロエレクトロニクスで使用されています。

化合物半導体のユニークな発光能力は、直接バンドギャップ半導体であることによるものです。表1は、この特性を持つ半導体を示しています。直接バンドギャップ半導体から構築されたデバイスによって放出される光の波長は、バンドギャップエネルギーに依存します。直接バンドギャップを持つさまざまな化合物半導体から構築された複合デバイスのバンドギャップ構造を巧みに設計することにより、エンジニアは、光ファイバー通信で使用されるレーザーから高効率LED電球に至るまで、固体発光デバイスを製造することができました。半導体材料における直接的バンドギャップと間接的バンドギャップの影響についての詳細な議論は、この研究の範囲を超えています。

単純なバイナリ化合物半導体はバルクで準備でき、単結晶ウェーハはシリコンウェーハの製造で使用されるのと同様のプロセスで製造されます。 GaAs、InP、およびその他の化合物半導体インゴットは、シリコンウェーハの製造と同様の方法でウェーハを準備し、CzochralskiまたはBridgman-Stockbarger法を使用して成長させることができます。化合物半導体ウェーハの表面調整（つまり、反射性で平坦にする）は、少なくとも2つの要素が存在し、これらの要素がさまざまな方法でエッチャントや研磨剤と反応する可能性があるため、複雑です。

表1。元素半導体と二元系化合物半導体。