Cynhyrchu Wafer Silicon

SiO2+ C → Si + CO2

Si + 3HCl → SiHCl3+ H2

Mae'r adwaith hydrocloriad yn yr FBR yn gwneud cynnyrch nwyol sydd tua 90% trichlorosilane (SiHCl3). Mae'r 10% sy'n weddill o'r nwy a gynhyrchir yn y cam hwn yn bennaf yn tetrachlorosilane, SiCl4, gyda rhywfaint o ddeuichlorosilane, SiH2Cl2. Rhoddir y gymysgedd nwy hon trwy gyfres o ddistylliadau ffracsiynol sy'n puro'r trichlorosilane ac yn casglu ac yn ailddefnyddio'r sgil-gynhyrchion tetrachlorosilane a deuichlorosilane. Mae'r broses buro hon yn cynhyrchu trichlorosilane pur iawn gydag amhureddau mawr yn yr ystod rhannau isel fesul biliwn. Cynhyrchir silicon polycrystalline solet wedi'i buro o drichlorosilane purdeb uchel gan ddefnyddio dull o'r enw “The Siemens Process.” Yn y broses hon, mae'r trichlorosilane yn cael ei wanhau â hydrogen a'i fwydo i adweithydd dyddodiad anwedd cemegol. Yno, mae'r amodau adweithio yn cael eu haddasu fel bod silicon polycrystalline yn cael ei ddyddodi ar wiail silicon wedi'i gynhesu'n drydanol yn ôl cefn yr adwaith ffurfio trichlorosilane:

SiHCl3+ H2→ Si + 3HC

Sgil-gynhyrchion o'r adwaith dyddodi (H.2, HCl, SiHCl3, SiCl4a SiH2Cl2) yn cael eu dal a'u hailgylchu trwy'r broses gynhyrchu a phuro trichlorosilane fel y dangosir yn Ffigur 2. Mae cemeg y prosesau cynhyrchu, puro a dyddodi silicon sy'n gysylltiedig â silicon gradd lled-ddargludyddion yn fwy cymhleth na'r disgrifiad syml hwn. Mae yna hefyd nifer o fferyllfeydd amgen y gellir eu defnyddio, ac sy'n cael eu defnyddio i gynhyrchu polysilicon.

Gellir cynhyrchu silicon purdeb uwch trwy ddull a elwir yn fireinio Parth arnofio (FZ). Yn y dull hwn, mae ingot silicon polycrystalline wedi'i osod yn fertigol yn y siambr dyfu, naill ai o dan wactod neu awyrgylch anadweithiol. Nid yw'r ingot mewn cysylltiad ag unrhyw un o gydrannau'r siambr ac eithrio'r nwy amgylchynol a grisial hadau o gyfeiriadedd hysbys yn ei waelod (Ffigur 4). Mae'r ingot yn cael ei gynhesu gan ddefnyddio coiliau amledd radio (RF) digyswllt sy'n sefydlu parth o ddeunydd wedi'i doddi yn yr ingot, tua 2 cm o drwch yn nodweddiadol. Yn y broses FZ, mae'r wialen yn symud yn fertigol tuag i lawr, gan ganiatáu i'r parth tawdd symud i fyny hyd yr ingot, gan wthio amhureddau o flaen y toddi a gadael silicon grisial sengl wedi'i buro'n fawr ar ôl. Mae gan wafferi silicon FZ wrthsefylliadau mor uchel â 10,000 ohm-cm.

Mae'r cam olaf mewn cynhyrchu wafer silicon yn cynnwys yn gemegolysgythriadi ffwrdd unrhyw haenau arwyneb a allai fod wedi cronni difrod grisial a halogiad wrth lifio, malu a lapio; ac ynasgleinio mecanyddol cemegol(CMP) i gynhyrchu wyneb myfyriol iawn, crafu a difrodi ar un ochr i'r wafer. Cyflawnir yr ysgythriad cemegol gan ddefnyddio toddiant etchant o asid hydrofluorig (HF) wedi'i gymysgu ag asidau nitrig ac asetig sy'n gallu hydoddi silicon. Mewn CMP, mae sleisys silicon wedi'u gosod ar gludwr a'u rhoi mewn peiriant CMP ym mhob man lle maent yn cael eu sgleinio'n gemegol ac yn fecanyddol. Yn nodweddiadol, mae CMP yn cyflogi pad sgleinio polywrethan caled wedi'i gyfuno â slyri o alwmina gwasgaredig mân neu ronynnau sgraffiniol silica mewn toddiant alcalïaidd. Cynnyrch gorffenedig y broses CMP yw'r wafer silicon yr ydym ni, fel defnyddwyr, yn gyfarwydd ag ef. Mae ganddo arwyneb adlewyrchol iawn, crafu a heb ddifrod ar un ochr y gellir saernïo dyfeisiau lled-ddargludyddion arno.

Mae Tabl 1 yn darparu rhestr o'r lled-ddargludyddion cyfansawdd elfen a deuaidd (dwy elfen) ynghyd â natur eu bwlch band a'i faint. Yn ychwanegol at y lled-ddargludyddion cyfansawdd deuaidd, mae lled-ddargludyddion cyfansawdd teiran (tair elfen) hefyd yn hysbys ac yn cael eu defnyddio wrth saernïo dyfeisiau. Mae lled-ddargludyddion cyfansawdd ternary yn cynnwys deunyddiau fel arsenide gallium alwminiwm, AlGaAs, arsenide indium gallium, InGaAs ac arsenide alwminiwm indium, InAlAs. Mae lled-ddargludyddion cyfansawdd chwarterol (pedair elfen) hefyd yn hysbys ac yn cael eu defnyddio mewn microelectroneg fodern.

Mae gallu allyrru golau unigryw lled-ddargludyddion cyfansawdd yn ganlyniad i'r ffaith eu bod yn lled-ddargludyddion bwlch band uniongyrchol. Mae Tabl 1 yn dynodi pa lled-ddargludyddion sy'n meddu ar yr eiddo hwn. Mae tonfedd y golau a allyrrir gan ddyfeisiau sydd wedi'u hadeiladu o lled-ddargludyddion bwlch band uniongyrchol yn dibynnu ar egni'r bwlch band. Trwy beirianneg yn fedrus strwythur bwlch band dyfeisiau cyfansawdd a adeiladwyd o wahanol lled-ddargludyddion cyfansawdd â bylchau band uniongyrchol, mae peirianwyr wedi gallu cynhyrchu dyfeisiau allyrru golau cyflwr solet sy'n amrywio o'r laserau a ddefnyddir mewn cyfathrebiadau ffibr optig i fylbiau golau LED effeithlonrwydd uchel. Mae trafodaeth fanwl o oblygiadau bylchau band uniongyrchol yn erbyn anuniongyrchol mewn deunyddiau lled-ddargludyddion y tu hwnt i gwmpas y gwaith hwn.

Gellir paratoi lled-ddargludyddion cyfansawdd deuaidd syml mewn swmp, a chynhyrchir wafferi crisial sengl gan brosesau tebyg i'r rhai a ddefnyddir mewn gweithgynhyrchu wafer silicon. Gellir tyfu GaAs, InP ac ingotau lled-ddargludyddion cyfansawdd eraill gan ddefnyddio naill ai dull Czochralski neu Bridgman-Stockbarger gyda wafferi wedi'u paratoi mewn modd tebyg i gynhyrchu wafer silicon. Mae cyflyru wyneb wafferi lled-ddargludyddion cyfansawdd, (h.y., eu gwneud yn fyfyriol a gwastad) yn cael ei gymhlethu gan y ffaith bod o leiaf ddwy elfen yn bresennol a gall yr elfennau hyn ymateb gydag ysgythrwyr a sgraffinyddion mewn gwahanol ffasiynau.

Tabl 1. Y lled-ddargludyddion elfenol a'r lled-ddargludyddion cyfansawdd deuaidd.