Материалы в технологии производства изделий твердотельной электроники и фотоники

1.

Дисциплина:
ПМ.03. Технология производства изделий
твердотельной электроники и фотоники
Преподаватель:
Божедомова Анастасия Сергеевна

2.

• Классификация полупроводниковых материалов.
• Сложные полупроводниковые материалы. Свойства, применение,
материалы на основе карбида кремния.
• Материалы для механической обработки полупроводников. Свойства
абразивных материалов и требования, предъявляемые к ним.
• Методы испытания абразивных материалов. Полировочные
материалы.
• Материалы для изготовления шлифовальников и полировальников.
• Материалы для наклейки слитков, пластин и кристаллов.
• Материалы для изготовления полупроводниковых эпитаксиальных
структур.
• Материалы квантовой электроники.

3.

• Цель лекции: Изучить основные группы материалов, применяемых в
технологии производства полупроводниковых приборов и интегральных
микросхем.
• Актуальность: Современные полупроводниковые технологии требуют
глубокого понимания свойств и особенностей применения различных
классов материалов.

4.

• 2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
• 2.1. Основные понятия и определения
• Полупроводник — материал, электрическая проводимость которого
занимает промежуточное положение между проводниками и
диэлектриками и сильно зависит от температуры, наличия примесей и
других факторов.
• Удельное сопротивление полупроводников: 10⁻⁴ ÷ 10¹⁰ Ом·см

5.

• 2.2. Классификация по химическому составу
• Простые (элементарные) полупроводники:
• Кремний (Si) — наиболее распространенный материал
• Германий (Ge) — исторически первый полупроводниковый
материал
• Селен (Se)
• Теллур (Te)
• Углерод (C) — алмаз, графен
• Бор (B)

6.

• Сложные полупроводники:
• Соединения типа A³B⁵ (элементы III и V
групп):
• GaAs (арсенид галлия) — для СВЧ-приборов
• GaN (нитрид галлия) — для силовой электроники
• InP (фосфид индия)
• AlAs (арсенид алюминия)
• Соединения типа AIIIBV кристаллизуются в решетке
цинковой обманки или сфалерита. Одни атомы
(безразлично AIII или BV) занимают вершины и
центры граней куба, а другие – центры четырех
(из восьми) малых кубов

7.

• Соединения типа A²B⁶ (элементы II и VI
групп):
• ZnS (сульфид цинка)
• CdS (сульфид кадмия)
• ZnSe (селенид цинка)
• Являясь алмазоподобными
полупроводниками, соединения типа A2 B6
кристаллизуются в структуре цинковой
обманки кубического (сфалерит) или
гексагонального (вюрцит) типа. Химическая
связь носит смешанный ковалентно-ионный
характер

8.

• Соединения типа A⁴B⁴:
• SiC (карбид кремния)
• SiGe (кремний-германий)
• БОЛЕЕ ПОДРОБНО ДАЛЬШЕ!

9.

• 2.3. Классификация по структуре
• Монокристаллические — имеют единую кристаллическую решетку
по всему объему:
• Высокая структурная совершенность
• Однородные электрические свойства
• Применяются для изготовления ИС и транзисторов
• Поликристаллические — состоят из множества кристаллитов (зерен):
• Границы зерен создают дополнительные барьеры
• Применяются для тонкопленочных транзисторов, солнечных
элементов
• Аморфные — не имеют дальнего порядка:
• a-Si (аморфный кремний)
• Применяются в ЖК-дисплеях, тонкопленочных солнечных батареях

10.

11.

12.

• 2.4. Классификация по типу проводимости
• Собственные (нелегированные) — чистые материалы без примесей:
• Равное количество электронов и дырок
• nᵢ = pᵢ (собственная концентрация)
• Примесные (легированные):
• n-тип — с донорными примесями (основные носители — электроны)
• p-тип — с акцепторными примесями (основные носители — дырки)

13.

14.

• 3. СЛОЖНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ. КАРБИД
КРЕМНИЯ
• 3.1. Карбид кремния (SiC) — свойства и характеристики
• Карбид кремния (SiC) — бинарное неорганическое соединение
кремния с углеродом.
• Химическая формула: SiC
• Физические свойства SiC:
Свойство
Значение
Твердость по Моосу
9-9.5 (второй после алмаза)
Ширина запрещенной зоны
2.3-3.3 эВ (в зависимости от политипа)
Теплопроводность
120-490 Вт/(м·К)
Температура плавления
~2830°C (с разложением)
Пробивное напряжение
2-4 МВ/см (в 10 раз выше Si)
Подвижность электронов
600-1000 см²/(В·с)

15.

• Политипы SiC:
• Политип — различные кристаллические модификации одного и того
же химического соединения.
• Основные политипы:
• 3C-SiC — кубический (цинковая обманка)
• 4H-SiC — гексагональный (наиболее перспективный для силовой электроники)
• 6H-SiC — гексагональный

16.

17.

• 3.2. Преимущества SiC перед кремнием
• Сравнительные характеристики:
• Более высокая рабочая температура (до 600°C против 150°C у Si)
• Более высокая теплопроводность (в 3 раза выше)
• Более высокое пробивное напряжение (в 10 раз)
• Меньшие потери на переключение
• Возможность работы на высоких частотах

18.

• 3.3. Применение SiC
• Области применения:
• ✓ Силовая электроника:
• IGBT-транзисторы
• MOSFET на SiC
• Диоды Шоттки
• ✓ СВЧ-электроника:
• Транзисторы для радиочастот
• Усилители мощности
✓ Оптоэлектроника:
Светодиоды (синий и
ультрафиолетовый диапазон)
Фотодетекторы
✓ Высокотемпературная электроника:
Датчики для двигателей
Электроника для космических
аппаратов
✓ Автомобильная промышленность:
Инверторы для электромобилей
Системы зажигания

19.

• 3.4. Другие сложные полупроводники
• Нитрид галлия (GaN):
• Ширина запрещенной зоны: 3.4 эВ
• Применение: светодиоды, лазеры, СВЧ-приборы
• Высокая электронная подвижность
• Арсенид галлия (GaAs):
• Ширина запрещенной зоны: 1.42 эВ
• Прямозонный полупроводник
• Применение: СВЧ-приборы, солнечные батареи, лазеры
• Кремний-германий (SiGe):
• Сплавы Si₁₋Geₓ
• Применение: высокоскоростная электроника
• Совместимость с кремниевой технологией

20.

• 4. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
• 4.1. Общие требования к абразивным материалам
• Абразивные материалы — вещества, используемые для удаления
материала с поверхности за счет трения при шлифовании,
полировании, притирке.
• Основные требования:
• Высокая твердость — должна превышать твердость обрабатываемого
материала
• Прочность — способность выдерживать механические нагрузки
• Термостойкость — сохранение свойств при нагреве
• Химическая инертность — отсутствие взаимодействия с
обрабатываемым материалом
• Однородность зерен — одинаковый размер и форма частиц
• Острая режущая кромка — эффективное удаление материала

21.

• 4.2. Классификация абразивных
материалов
• Природные абразивы:
• Алмаз (C):
• Твердость по Моосу: 10
• Микротвердость: 10000-12000 кгс/мм²
• Применение: окончательная обработка,
полирование
• Форма: порошки, пасты, алмазные круги
• Корунд (Al₂O₃):
• Твердость по Моосу: 9
• Микротвердость: 2000-2200 кгс/мм²
• Применение: шлифование пластин
• Разновидности: наждак, электрокорунд
Карбид кремния (SiC):
• Твердость по Моосу: 9-9.5
• Микротвердость: 2800-3400
кгс/мм²
• Применение:
предварительная обработка
• Цвет: черный, зеленый
Гранат:
• Твердость по Моосу: 6.5-7.5
• Применение: шлифовальные
шкурки

22.

23.

• Синтетические абразивы:
• Синтетический алмаз:
• Получают при высоких давлениях и
температурах
• Аналогичен природному по свойствам
• Более однородный по качеству
• Кубический нитрид бора (c-BN, эльбор):
• Твердость:仅次于 алмаза
• Микротвердость: 8000-9000 кгс/мм²
• Преимущество: не реагирует с железом (в
отличие от алмаза)
• Применение: обработка сталей
Электрокорунд (Al₂O):
• Получают плавкой бокситов в
электропечах
• Твердость: 2000-2200 кгс/мм²
• Разновидности: нормальный,
белый, хромистый
Карборунд (SiC):
• Синтетический карбид кремния
• Получают в электропечах при
2000-2500°C
• Реакция: SiO₂ + 3C → SiC + 2CO

24.

25.

• 4.3. Характеристики абразивных материалов
• Зернистость:
• Зернистость — размер абразивных зерен, определяющий
производительность и качество обработки.
• Классификация по зернистости:
Группа
Обозначение
Размер зерен, мкм
Применение
Шлифпорошки
200-400
2000-160
Грубая обработка
Микропорошки
М63-М20
63-20
Тонкая шлифовка
Тонкие
микропорошки
М14-М5
14-5
Предварительная
полировка
Субмикропорошки
М4-М1
4-1
Окончательная
полировка
Форма зерен:
Остроугольная —
высокая режущая
способность
Изометрическая —
равномерный
износ
Пластинчатая —
для полирования

26.

• 4.5. Полировочные материалы
• Полирование — процесс получения
зеркальной поверхности с минимальной
шероховатостью.
• Полировочные порошки:
Оксид церия (CeO₂):
• Твердость: 6-7 по Моосу
• Применение: полирование стекла, кварца
• Высокая производительность
Оксид хрома (Cr₂O₃):
• Твердость: 8-8.5 по Моосу
• Цвет: зеленый
• Применение: полирование металлов,
полупроводников
Оксид алюминия (Al₂O₃):
• Тонкие фракции (М1-М5)
• Применение: финишное полирование
Коллоидный кремнезем (SiO₂):
• Размер частиц: 10-100 нм
• Применение: химико-механическая
полировка (CMP)
pH: 9-10 (щелочная среда)
Алмазные пасты:
• Концентрация: 1-40%
• Размер зерен: 0.25-60 мкм
• Основа: масло, вода, глицерин

27.

Рост кристаллов методом Чохральского

28. Рост кристаллов методом Чохральского

Три наиболее важных этапа роста кристаллов методом Чохральского схематически показаны на рис.: (1)
плавление поликремния, (2) затравка и (3) рост. Важными этапами стандартной последовательности
выращивания кристаллов кремния являются следующие:

29.

• Куски или зерна поликремния помещают в кварцевый тигель
и плавят при температуре выше точки плавления кремния
(1420∘С) в инертном окружающем газе.
• Расплав некоторое время выдерживают при высокой
температуре, чтобы обеспечить полное плавление и выброс из
расплава крошечных пузырьков, которые могут вызвать пустоты
или отрицательные дефекты кристаллов.

30.

• Кристалл затравки с желаемой ориентацией кристаллов
погружают в расплав до тех пор, пока он не начнет плавиться.
Затем затравку извлекают из расплава, так что шейка образуется
за счет постепенного уменьшения диаметра; это самый
деликатный шаг. Во время всего процесса роста кристаллов
инертный газ (обычно аргон) течет вниз через вытяжную камеру,
чтобы уносить продукты реакции, такие как SiO и CO.

31.

Рост кристаллов методом Чохральского

32.

Снятие выращенного кристалла Si c затравки

33.

Физико-механические характеристики
нагревательных элементов,
используемых для производства
кремния методом Чохральского,
зависят от их состава, структуры и
технологии изготовления.

34. Этап 2: от слитка к чипу

• Монокристаллические пластины из кремния составляют основу для изготовления
многих полупроводниковых ИС различного конструктивно-технологического
исполнения и функционального назначения.
• Подготовка пластин, получаемых из слитков монокристаллического кремния, является
одним из важнейших этапов производства и включает в себя следующие операции:
• ориентацию слитков по кристаллографическим осям;
• резку слитков на пластины;
• шлифование;
• полирование;
• травление;
• очистку поверхностей от загрязнений различных типов, приобретённых на предыдущих
этапах обработки.
• Чипы «печатают» на пластине кремния, который получают из этого кристалла. Чтобы
сделать пластину идеально гладкой, пластина несколько этапов.
• После «вытягивания» кристалл имеет верхний и нижний конус, которые отрезают
ленточной пилой.

35.

36.

• Далее кремний нарезают на тонкие пластины с помощью
алмазной проволоки. Затем пластины полируют алмазным же
станком. Их края закругляют, чтобы пластины не раскололись при
дальнейших жёстких нагрузках во время производства чипов. Их
будут нагревать, окислять, испарять и облучать десятки раз.

37.

• 5. ЭПИТАКСИАЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ
• 5.1. Основные понятия
• Эпитаксия — процесс ориентированного роста одного кристалла
на поверхности другого (подложки).
• Эпитаксиальный слой — монокристаллический слой,
выращенный на монокристаллической подложке, повторяющий
ее кристаллическую ориентацию.
• Толщина эпитаксиального слоя: 0.5-100 мкм

38.

• 5.2. Типы эпитаксии
• Гомоэпитаксия:
• Эпитаксиальный слой и подложка из одного материала
• Пример: Si на Si, GaAs на GaAs
• Отсутствие напряжений на границе
• Гетероэпитаксия:
• Различные материалы слоя и подложки
• Пример: SiGe на Si, GaN на сапфире
• Возможны напряжения из-за несоответствия параметров решетки

39.

• 5.3. Методы эпитаксиального роста
• 1. Газофазная эпитаксия (VPE — Vapor
Phase Epitaxy):
• MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor
Deposition):
• Использование металлоорганических
соединений
• Пример: TMGa (триметилгаллий) + AsH₃
(арсин)
• Температура: 600-1100°C
• Применение: GaAs, GaN, InP
• HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy):
• Использование хлоридов
• Высокая скорость роста: 100-500 мкм/ч
• Применение: толстые слои GaN
2. Молекулярно-лучевая эпитаксия
(MBE — Molecular Beam Epitaxy):
Сверхвысокий вакуум: 10⁻⁸-10⁻¹¹ Па
Испарение компонентов из эффузионных
ячеек
Скорость роста: 0.1-1.0 монослоя/с
Точный контроль толщины (до монослоя)
Применение: квантовые ямы,
сверхрешетки
3. Жидкофазная эпитаксия (LPE — Liquid
Phase Epitaxy):
Рост из расплава-растворителя
Температура: 600-900°C
Высокое качество кристаллов
Применение: светодиоды, лазеры

40.

• 5.4. Материалы для эпитаксии
• Подложки:
• Si — для кремниевой технологии
• Сапфир (Al₂O₃) — для GaN
• SiC — для GaN (лучшее соответствие
решетки)
• GaAs — для гетероструктур на основе GaAs
• InP — для оптоэлектроники
• Исходные вещества:
• Металлоорганические соединения: TMGa,
TMAl, TMIn
• Гидриды: AsH₃, PH₃, NH₃
• Хлориды: GaCl, InCl
• Чистые элементы: Si, Ge, Ga

41.

• 5.5. Контроль качества эпитаксиальных слоев
• Параметры контроля:
• ✓ Толщина слоя — интерферометрия, рентгеновская дифракция
✓ Концентрация примесей — метод Холла, C-V измерения
✓ Подвижность носителей — метод Холла
✓ Структурное совершенство — рентгеновская дифракция, TEM
✓ Шероховатость поверхности — атомно-силовая микроскопия
(AFM)

42.

• 6. ХИМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ОБРАБОТКИ
• 6.1. Основные требования к химическим материалам
• Химическая обработка — процессы травления, очистки, модификации
поверхности полупроводников с использованием химических реагентов.
• Требования:
• Высокая чистота — содержание примесей < 1 ppb (part per billion)
• Селективность — избирательность действия на определенные материалы
• Контролируемая скорость — воспроизводимость процесса
• Безопасность — минимизация токсичности
• Экологичность — возможность утилизации отходов
• Классы чистоты химических реагентов:
• Технический — 95-99%
• Чистый (Ч) — 99-99.9%
• Чистый для анализа (ЧДА) — 99.9-99.99%
• Особо чистый (ОСЧ) — 99.99-99.999%
• Электронный класс (Electronic Grade) — >99.9999%