3. Materiały półprzewodnikowe 
2
własności i wytwarzanie
Materiały półprzewodnikowe
Inżynieria wytwarzania
Inżynieria wytwarzania
Dr inż. Andrzej Kubiak
Dr inż. Andrzej Kubiak
Półprzewodniki - substancje (najczęściej krystaliczne), których
1. Definicje mikro- i nanotechnologii
1. Definicje mikro- i nanotechnologii
przewodność wynosi 10-8& 106 S/m (wartości pomiędzy przewodnikami
2. Zagadnienia utrzymania czystości w procesach mikro- i
2. Zagadnienia utrzymania czystości w procesach mikro- i
a dielektrykami)
nanotechnologii
nanotechnologii
3. Materiały półprzewodnikowe  własności, wytwarzanie,
3. Materiały półprzewodnikowe  własności, wytwarzanie,
Podstawowe cechy:
obróbka mechaniczna
obróbka mechaniczna
- bardzo silna zależność konduktywności od koncentracji domieszek
4. Trawienie materiałów półprzewodnikowych
4. Trawienie materiałów półprzewodnikowych
- występowanie dwóch rodzajów nośników ładunku: elektronów i dziur.
5. Technologia procesów fotolitografii
5. Technologia procesów fotolitografii
6. Domieszkowanie półprzewodników
6. Domieszkowanie półprzewodników
7. Wytwarzanie nowych warstw. Tlenek krzemu.
7. Wytwarzanie nowych warstw. Tlenek krzemu.
8. Osadzanie próżniowe cienkich warstw.
8. Osadzanie próżniowe cienkich warstw.
9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej
9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej
10. Montaż i hermetyzacja struktur
10. Montaż i hermetyzacja struktur
11. Struktury mechatroniczne
11. Struktury mechatroniczne
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
3. Materiały półprzewodnikowe  3. Materiały półprzewodnikowe 
3 4
własności i wytwarzanie własności i wytwarzanie
Materiały półprzewodnikowe Materiały półprzewodnikowe
II III IV V VI
Pierwiastki grupy IV: Związki grupy IV:
- german (Ge) - węglik krzemu (4H-SiC, 6H-SiC)
- krzem (Si) -krzemogerman (SiGe)
- węgiel (C)
Związki pierwiastków grup III  V:
- arsenek galu (GaAs) Związki pierwiastków grupy II  VI:
- azotek galu (GaN) - tellurek kadmu (CdTe)
- fosforek galu (GaP) - siarczek kadmu (CdS)
- fosforek Indu (InP)
- antymonek indu (InSb)
3. Materiały półprzewodnikowe  3. Materiały półprzewodnikowe 
5 6
własności i wytwarzanie własności i wytwarzanie
Materiały półprzewodnikowe Materiały półprzewodnikowe
4H/6H-
Ograniczenia temperatury pracy półprzewodników
Parametr Jednostki
Ge Si GaAs SiC InP GaN GaP Diament
wynikające z koncentracji samoistnej nośników ni
Pasmo
eV 0,67 1,11 1,43 3,2/2,9 1,35 3,45 2,24 5,45
wzbronione
[Wg]
Maksymalna temperatura
Stała
Półprzewodnik pracy
-
dielektryczna 16 11,8 12,9 9,7 12,5 9 11 5,5
[�r]
�
�
�
Si ~ 200�C
Natężenie pola
elektrycznego V/cm 1 3 6,0 35/20 ~ 5 ~ 10 4,5 ~ 102
Emax�" 105 Si (SOI) ~ 400�C
�"
�"
�"
Maksymalna
prędkość
GaAs ~ 400�C
unoszenia cm/s 1 1 1 2 1 2,2 1,5 2,7
elektronów
[Vs] �"107 6H-SiC ~ 800�C
�"�"
�"
Ruchliwość cm2/V�"s 3900 1350 6000 800/380 4000 1250 250 2200
elektronów [�n]
�
�
�
GaN ~ 1000�C
Ruchliwość cm2/V�"s 1900 450 330 120/95 540 850 150 1600
dziur [�p]
�
�
�
Diament > 1000�C
Przewodność W/cm�"K 0,6 1,5 0,46 4,9 4,9 1,3 0,7 22
cieplna []



1
3. Materiały półprzewodnikowe  3. Materiały półprzewodnikowe 
7 8
własności i wytwarzanie własności i wytwarzanie
Otrzymywanie podłoży monokrystalicznych Materiały półprzewodnikowe
Dzisiaj wielkim pytaniem jest: w jaki sposób problem wysokiej
temperatury zostanie rozwiązany?
W co należy zainwestować?
Jedynym podejściem jest logiczna sekwencja, którą tu widzimy:
Ge, Si, SiC, C w tej kolejności ...
Sytuacja SiC cierpi z tego samego powodu, który robi go tak
dobrym materiałem. Wiązanie jest bardzo silne i dlatego wszystkie
procesy przeprowadzane są w bardzo wysokich temperaturach ...
Problemy materiałowe będą szeroko rozwiązywane. Długość fali [nm]
Być może pewnego dnia ... Duże pojedyncze kryształy węglika
krzemu będą wzrastać łatwo ...
Możliwości zastosowań różnych związków trój- i czteroskładnikowych do
konstrukcji diod LED w zależności od długości fali
(Schockley, 1959)
3. Materiały półprzewodnikowe  3. Materiały półprzewodnikowe 
9 10
własności i wytwarzanie własności i wytwarzanie
Otrzymywanie podłoży monokrystalicznych Krzem  podstawowy materiał mikroelektroniki
Roczna światowa produkcja monokryształów w roku 2007 to około
25 000 ton (Si, Ge, GaAs, InP, GaP, CdTe, & ). Ponad połowa tej
Zasoby:
produkcji zużywana jest przez przemysł półprzewodnikowy.
Krzem stanowi 27% skorupy ziemskiej
" tlenek krzemu (kwarc, krzemionka)
" kwasy krzemowe (krzemiany)
Metody otrzymywania kryształów: " związki z wodorem (silany)
" związki z metalami (krzemki)
- z fazy stałej - w wyniku przemiany fazowej w stanie stałym ( np. w
" SiC (karborund)
przemianach metamorficznych w procesach geologicznych)
- z fazy ciekłej - przez bezpośrednią krystalizację cieczy,
odparowanie, przez  wyciąganie monokryształu ze stopionego
materiału (np. produkcja kryształów Si, Ge, GaAs metodą
Potrzeby:
Czochralskiego)
monokryształy w postaci płytek
- z fazy pary - przez sublimację, metodą gazowego transportu
o najwyższym stopniu czystości
chemicznego (np. produkcja monokryształów SiC)
i doskonałości strukturalnej
3. Materiały półprzewodnikowe  3. Materiały półprzewodnikowe 
11 12
własności i wytwarzanie własności i wytwarzanie
Wytwarzanie podłoży krzemowych Otrzymywanie krzemu polikrystalicznego
Ekstrakcja krzemu z SiO2
Ą�Ą�Ą�Ą�SiO2 + 2C �! Si + 2CO @ 1800 �C
Ą�Ą�SiO2 + SiC �! Si + SiO (gaz) + CO
Ą�Ą�- zużycie energii ~13 kWh na kg
- krzem o czystości 98%
Oczyszczanie (destylacja)
Ą�Ą� Si + 3HCl �! SiHCl3 + H2 w 300�C
Ą�Ą�- temperatura wrzenia trichlorosilanu: 31.8�C.
- zanieczyszczenia są mniej lotne niż trichlorosilan (w
rezultacie otrzymuje się poziom zanieczyszczeń < 1ppb).
Ą�Ą�Redukcja trichlorosilanu w wodorze:
Ą�Ą�SiHCl3 + H2 �! Si + 3HCl @1000 �C
- redukcja odbywa się jednocześnie ze wzrostem polikrystalicznego substratu
-polikryształ rośnie na powierzchni pręta ogrzanego do 1000 �C
-otrzymuje się superczysty Si 99.999999999%
2
3. Materiały półprzewodnikowe  3. Materiały półprzewodnikowe 
13 14
własności i wytwarzanie własności i wytwarzanie
Otrzymywanie krzemu polikrystalicznego Otrzymywanie monokrystalicznych podłoży Si
- redukcja trichlorosilanu w wodorze
Wyciąganie monokryształu Si
powoduje osadzanie (CVD)
- metoda Czochralskiego
polikrystalicznego krzemu w postaci prętów
- metoda topienia strefowego
- szybkość procesu: ok. 1kg/h
- możliwość domieszkowania przy użyciu
odpowiednich prekursorów gazowych
Obróbka mechaniczna:
(najczęściej trujących i/lub wybuchowych)
- obróbka całego monokryształu
- cięcie na pojedyncze podłoża
- wymagana b. wysoka czystości i
- szlifowanie, polerowanie powierzchni
precyzyjna kontrola przepływu gazów
Czyszczenie i charakteryzacja monokryształów Si
-usunięcie zanieczyszczeń z powierzchni podłoży
- charakteryzacja własności geometrycznych i elektrycznych
- pakowanie
3. Materiały półprzewodnikowe  3. Materiały półprzewodnikowe 
15 16
własności i wytwarzanie własności i wytwarzanie
Metoda Czochralskiego (CZ) Metoda Czochralskiego (CZ)
Etapy wytwarzania monokryształu
- podstawowa metoda wytwarzania
dużych monokryształów Si na
potrzeby mikroelektroniki
- orientacja krystaliczna -
wyznaczona przez orientację
zarodka
- średnica kryształu  określona
przez temperaturę,szybkość
obrotu i wyciągania
Cechy procesu:
- temperatura: ok. 1400 �C
- osłona: Ar
- domieszki: B, P, As, Sb
- orientacja krystalograficzna zarodka
http://www.sumcosi.com/english/laboratory/laboratory1.html
3. Materiały półprzewodnikowe  3. Materiały półprzewodnikowe 
17 18
własności i wytwarzanie własności i wytwarzanie
Metoda wytapiania strefowego (FZ  Flat Zone) Monokryształ krzemu
mocowanie
Efekt końcowy:
bezdefektowy monokryształ Si
Zastosowanie: polikrzem lub
monokryształ zawierający zanieczyszczenia na
oczyszczanie oraz wytwarzanie
zanieczyszczony
poziomie ppb lub nawet ppt
monokryształów krzemu
o średnicy do 150mm
ppb  particle per billion (1 000 000 000)
punkt topnienia
ppt  particle per trillion (1 000 000 000 000)
grzałka RF
płynny krzem
Dzięki zjawisku segregacji można
punkt krystalizacji
zebrać atomy zanieczyszczeń
oczyszczony
na jednym końcu monokryształu
monokryształ
stożek końcowy
szyjka
zarodek
mocowanie
zarodka
3
http://reference.findtarget.com/search/crystalline%20silicon/
http://www.sumcosi.com/english/laboratory/laboratory1.html
http://reference.findtarget.com/search/crystalline%20silicon/
http://reference.findtarget.com/search/crystalline%20silicon/
3. Materiały półprzewodnikowe  3. Materiały półprzewodnikowe 
19 20
własności i wytwarzanie własności i wytwarzanie
Obróbka mechaniczna monokryształu Oznaczenie kierunków krystalograficznych
Ścięcia (flats):
" główne (primary)  wskazuje kierunek krystalograficzny {110}
- Odcięcie stożkowych zakończeń kryształu przy użyciu piły o ostrzu pokrytym
" pomocnicze (secondary)  określa płaszczyznę krystalograficzną powierzchni
warstwą diamentu (a)
oraz typ przewodnictwa (pomyłki są bardzo kosztowne!)
- Zeszlifowanie kryształu do postaci cylindrycznej o określonej średnicy (b)
- Określenie orientacji sieci krystalicznej (np. za pomocą zjawiska dyfrakcji
promieni rentgenowskich)
- Wykonanie ścięć głównych i pomocniczych (c)
" dla płytek większych niż 200mm stosuje się nacięcia typu V (notches)
http://cnx.org/content/m16627/latest/
3. Materiały półprzewodnikowe  3. Materiały półprzewodnikowe 
21 22
własności i wytwarzanie własności i wytwarzanie
Podłoża krzemowe  cięcie Podłoża krzemowe - szlifowanie
Wymagania:
Wymagania:
" minimalna ilość odpadu
" usunięcie warstwy uszkodzonej podczas cięcia (kilkadziesiąt �m)
" minimalne uszkodzenia powierzchni płytek
" zapewnienie nominalnej grubości płytek (400 - 600 �m)
" maksymalna szybkość  produkcja
" zapewnienie płasko-równoległości płytek - ą1 �m na powierzchni ok. 1000cm2
dzienna jednej fabryki to 10 000 płytek!
dla płytek o średnicy 300mm!
Urządzenia:
Metoda:
- piła z ostrzem pierścieniowym
pokrytym warstwą diamentową szlifowanie planetarne zawiesiną
wodną lub olejową Al2O3
- piła z oscylującym drutem tnącym
(stosowana zwłaszcza do
monokryształów o dużych średnicach)
3. Materiały półprzewodnikowe  3. Materiały półprzewodnikowe 
23 24
własności i wytwarzanie własności i wytwarzanie
Podłoża krzemowe - polerowanie Podłoża krzemowe  oczyszczanie powierzchni
Celem jest usunięcie zanieczyszczeń powierzchniowych powstałych
Wymagania: zapewnienie chropowatości powierzchni poniżej 0.01 �m
podczas wcześniejszych etapów cięcia, szlifowania, polerowania
(powierzchnia lustrzana).
poprzez:
- powierzchniowe trawienie krzemu i płukanie między kolejnymi
etapami
- 2-3 etapowe polerowanie chemiczno-
- mycie końcowe - procedura RCA
mechaniczne (CMP) - chemiczne
trawienie nierówności połączone ze
Odczynniki:
ścieraniem mechanicznym
- woda dejonizowana (DI)
- środek polerujący: SiO2, woda
- NH3
destylowana, wodorotlenek sodu
- H2O2
- w zależności od wymagań procesu
- NaOH
technologicznego polerowanie może być
- HF
przeprowadzane na jednej bądz
obu
- HCl
powierzchniach płytki krzemowej
- rozpuszczalniki organiczne
- detergenty
4
3. Materiały półprzewodnikowe  3. Materiały półprzewodnikowe 
25 26
własności i wytwarzanie własności i wytwarzanie
Podłoża krzemowe  oczyszczanie powierzchni Parametry podłoży krzemowych
Zakończenie
Główne efekty Podłoża krzemowe charakteryzuje łącznie
powierzchni
ponad 30 parametrów
Metoda mokra
RCA 4-6 warstw SiO2 Usunięcie zanieczyszczeń Najważniejsze z nich to:
organicznych, metalicznych i " typ przewodnictwa  n lub p oraz rodzaj domieszki (P, As, B...)
innych cząstek
" rezystywność  od 100 &!cm do 0,001 &!cm
" koncentracja atomów zanieczyszczeń (głównie metali)  poniżej 1012 cm-3
HF H- Usunięcie cząstek tlenu
" koncentracja atomów węgla i tlenu  typowo 1016 - 1017 cm-3
Metoda sucha
" gęstość mikrodefektów sieci krystalicznej - poniżej granicy wykrywalności
HF + H2O F- Usunięcie cząstek tlenu
najlepszymi narzędziami
" geometria, w szczególności parametry dotyczące płaskości powierzchni
UV-Ozone Cleaning OH-, SiO- Usunięcie cząstek CH
" czystość powierzchniowa
Plazma H2/Ar H- Usuniecie cząstek C / O
Wygrzewanie Usunięcie cząstek tlenu
5