Thông th ng ng i ta ti n hành nuôi n tinh th silic t Si a tinh th ng 2 ph ng pháp chính là CZ ( Czochralski) và luy n vùng (floating zone – Fz).
a. Ph ng pháp Cz
ây là ph ng pháp ch t o ph n l n các tinh th mà t ó ng i ta c t thành các phi n bán d n. Ph ng pháp Czochralski th c ch t là k t tinh t
ng nóng ch y. V t li u dùng nuôi n tinh th Silic là Silic a tinh th (polisiicon) s ch n t , nh n c qua tinh th cát th ch anh(SiO2) n
s ch 99,999999%.
thu t thông th ng nuôi tinh th c g i là ph ng pháp
Czochralski. Trong k thu t này, m t mi ng nh v t li u bán d n c g i là m c mang n ti p xúc v i b m t c a m t v t li u gi ng nó pha ng, và sau ó c kéo ch m t th l ng. Khi m m c kéo ch m, s hóa n xu t hi n gi a l p ti p xúc l ng-r n. Thông th ng tinh th c ng c quay ch m khi nó ang c kéo tr n l ng, d n n nhi t ng u h n. Nh ng nguyên t t p ch t, ch ng h n nh Bo ho c Photpho có th c thêm
vào bán d n ang tan ch y. Hình 3.2 bi u di n s c a q trình ni
(b)
Hình 3.2. Mơ hình b kéo tinh th (a)
ch c ki m tra trên mi ng silic và sau ó c tách thành nh ng chíp riêng bi t (b).
Hình 3.3. S thi t b nuôi tinh th b ng ph ng pháp Czochralski
m n tinh th có h ng xác nh c c g n v i tr c quay và
nhúng vào a tinh th silic nóng ch y, ng th i quay liên t c.
i vùng ti p xúc gi a m m n tinh th ,m m tinh th và Si a tinh th nóng ch y, ng i ta làm l nh n nhi t ông c (1690K) và k t tinh úng nh c u trúc m ng c a m m, kh i n tinh th c kéo d n kh i Si nóng ch y v i v n t c ~ 10 µm/s.
+ Sau khi a tinh th Si ã chuy n h t thành n tinh th , ng i ta c t b hai u, mài b nh ng ph n g gh thu c th i n tinh th hình tr có
Hình 3.4. Th i n tinh th Si
b. Ph ng pháp Fz (Floating Zone)
Ph ng pháp nóng ch y vùng hay luy n vùng (Fz) là ph ng pháp nuôi tinh th t t nh t nh n c Silic c c kì tinh khi t. c m c b n c a ph ng pháp luy n vùng là ph n nóng ch y c a m u hoàn toàn c gi b i ph n r n, ngh a là ây không c n n i nh ph ng pháp Cz.
Trong ph ng pháp luy n vùng, a tinh th silic c làm nóng ch y ng h quang u ti p xúc v i m m tinh th và làm l nh n nhi t ông c c a silic. n tinh th Si t o ra c quay và kéo xu ng v i v n t c xác nh. Các b c ti p theo hoàn toàn t ng t nh ph ng pháp Cz.
Hình 3.5. H nuôi n tinh th silic b ng ph ng pháp Fz
Nh n xét:
1. Tinh th nuôi t Fz s ch h n nuôi t Cz ( nhi m các t o ch t Oxy, C, B và nhi u kim lo i khác t n i nung th ch anh). Vì v y ph ng pháp FZ c dùng ch t o các n tinh th có s ch cao, có n tr su t c 10- 200 .cm.Tinh th nuôi t Fz th ng dùng ch t o thysistor, diode ch nh
u công su t cao, các detector h ng ngo i c n s ch siêu cao.
2. Nh c m c a ph ng pháp nóng ch y vùng là giá thành cao và
khơng ch t o c tinh th có ng kính l n nh ph ng pháp CZ, ph ng pháp FZ ch ch t o c tinh th có ng kính c 100mm. Ngoài ra, m t nh c m khác c a k thu t nóng ch y vùng là khó pha t p m t cách ng
3.1.4. Ch t o phi n bán d n
Sau khi nuôi c th i bán d n n tinh th c n xác nh các h ng tinh th , làm các vát chu n chính và vát chu n ph ( nh h ng tinh th ).
Sau khi mài vát, th i c nhúng vào dung d ch n mịn hóa t y b sai ng do mài c khí gây ra. M i nhà s n xu t s d ng h n h p riêng c a h , nh ng thông th ng là trên c s h HF-HNO3. Sau ó, th i c c a, c t thành phi n, ây là b c h t s c quan tr ng vì nó quy t nh ph ng c a phi n.
Hình 3.6. Phi n bán d n Si
Cu i cùng phi n Si c ki m tra, xác nh các thông s nh n tr su t b m t, ng kính, b dày… sau ó phân lo i, óng h p và a n n i ch t o vi m ch. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
pha t p ch t vào n tinh th Si ng i ta dùng khí tr (Ar) mang khí pha t p vào vùng nóng ch y; ho c tr n tr c ti p các ch t t p nh B, P ho c As và a tinh th Si nóng ch y. Khí ch a t p là PH3, B2H6ho c AsH3. Lo i khí, ng và áp su t khí a vào ph thu c vào lo i bán d n và n ng h t d n n ch t o.
3.1.5. Phòng s ch
Trong ngành v t lý, khoa h c v t li u, phòng s ch th ng dùng cho các công ngh ch t o v t li u òi h i s ch cao nh : quang kh c, công ngh màng m ng (MBE, sputtering, CVD...), công ngh linh ki n bán d n, linh ki n
t, s s n sinh và duy trì các h t trong phịng c gi m n t i thi u và các u t khác trong phòng nh nhi t , m, áp su t u có th kh ng ch và
u khi n .
Nói m t cách n gi n, phòng s ch là m t phịng kín mà trong ó, l ng i trong khơng khí, c h n ch m c th p nh t nh m tránh gây b n cho các quá trình nghiên c u, ch t o và s n xu t. ng th i, nhi t , áp su t và m c a khơng khí c ng c kh ng ch và u khi n có l i nh t cho các q trình trên. Ngồi ra, phịng cịn c m b o vơ trùng, khơng có các khí c h i úng theo ngh a "s ch" c a nó.
Tiêu chu n phịng s ch: Tiêu chu n u tiên c a phòng s ch là hàm l ng
i.
Hình 3.7. So sánh ng kính s i tóc và h t b i trong phòng s ch . Các tiêu chu n v phòng s ch l n u tiên c a ra vào n m 1963 , và hi n nay ã tr thành các tiêu chu n chung cho th gi i. ó là các tiêu chu n quy nh l ng h t b i trong m t n v th tích khơng khí. Ng i ta chia thành các t m kích c b i và lo i phịng c xác nh b i s h t b i có kích th c l n h n 0,5 m trên m t th tích là 1 foot kh i ( ft3 ) khơng khí trong phịng.
Các gi i h n hàm l ng b i trong tiêu chu n ISO:
Theo T ch c Tiêu chu n Qu c t (International Standards Organization - ISO) thì các lo i phịng s ch c phân lo i theo t ng c p phòng s ch nh
ng 3.1. Các gi i h n hàm l ng b i trong tiêu chu n ISO 14644-1
Chú ý: M c nhi m b n khơng khí trong phịng cịn ph thu c vào các h t
i sinh ra trong các ho t ng trong phịng, ch khơng ch là con s c nh a phịng. Vì v y, các tiêu chu n c a phịng, ln ịi h i các h th ng làm ch liên hồn và cịn quy nh v quy mơ phịng và s ng i, s ho t ng kh d trong phòng s ch.
Các thi t k phòng s ch
a. Ki u phịng thơng h i h n lo n :
Nguyên lý thông h i c a phòng s ch ki u này c ng t ng t nh h u h t các phịng u hịa khơng khí ph thơng. Khơng khí (s ch) c cung c p b i máy u hịa khơng khí c t a i qua h th ng khu ch tán trên tr n nhà nh hình 3.8.
Hình 3.8. Phịng s ch ki u “thông h i h n lo n”
Ng i ta g i là "thông h i h n lo n" là do không khi di chuy n m t cách ng u nhiên và h n lo n trong phòng nh h th ng khu ch tán (hình 3.9a) ho c nh h th ng "phun" (hình 3.9b).
(a) (b) Hình 3.9. Các ki u di chuy n khơng khí trong phịng s ch ki u thông h i h n lo n:
di chuy n qua b khu ch tán (a) và s phun nh m t h th ng phun h i (b). th ng "phun" khơng khí (hình 3.9b) th ng b t g p trong các h th ng phịng s ch thơng h i h n lo n truy n th ng. H th ng ki u này th ng cho các dịng khí th ng và có kh n ng ki m sốt t t q trình nhi m b n d i l c. H th ng phun này có th mang l i các u ki n kh d h n bên d i khi v c cung c p, nh ng do ó l i làm kém i cho các vùng xung quanh trong phịng (hình 3.10).
Hình 3.10. M t s n gi n v phân b áp su t dịng khí trong phịng s ch v i h th ng phun khí.
b. Phịng s ch ki u nh h ng hoàn toàn (Unidirectional Cleanroom):
th ng phịng s ch v i ki u thơng h i tán lo n th ng ch t c các s ch tiêu chu n t i c p ISO 6 trong quá trình s n xu t. t c các
u ki n t t h n th trong su t quá trình ho t ng, u c n thi t là ph i làm
loãng s s n sinh các h t. u này có th t c b ng cách dùng dịng
khơng khí hồn tồn th ng (hình 3.11).
t ki u khác c a h th ng phòng s ch nh h ng là h th ng dịng khí n m ngang (hình 3.12)
Hình 3.14. So sánh 2 ki u gi m nhi m b n dịng khơng khí th ng ng và n m ngang.
+ phịng có dịng l u chuy n th ng ng, các b i b n s b y theo chi u th ng ng xu ng sàn, và th i b t xu ng các v trí thốt khí và khơng gây nhi m b n t v trí này sang v trí khác c ng nh t ng i này sang ng i khác. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ Còn h th ng l u chuy n khí n m ngang có th d n t i vi c b i b n b th i v trí này sang m t v trí n m ngang khác, ho c t ng i phía tr c (chi u khí l u chuy n) bay vào ng i phía sau (hình 3.14).
Hình 3.15. Ki u thi t k phịng s ch cho công ngh v t li u (linh ki n n t bán d n...) - ki u thi t k này c g i là ki u phịng ballroom .
Các phịng có th c b trí theo nhi u ki u khác nhau t o thành các ki u phịng s ch. (hình 3.15) g i là "ballroom", ki u phịng này có tr n là m t l c khí hi u n ng cao cung c p khí kh i cho tồn x ng cho dù máy móc ng v trí nào.
Hình 3.16. Ba ki u phịng s ch hay dùng cho khoa h c và công ngh v t li u.
* H th ng l c khơng khí cho phịng s ch :
Khơng khí trong phịng s ch ph i t các yêu c u v m c các h t b i vì th ln c n có các h th ng l c b i. K t n m 1980, m t h th ng l c c s d ng r ng rãi mang tên High Efficiency Particle Air (HEPA - H th ng l c h t hi u n ng cao). HEPA là m t h th ng có kh n ng l c h t b i
i trong khơng khí v i hi u su t 99,97% cho b i nh t i 0,3 m. Ngày nay, HEPA còn c b sung các tính n ng l c vi khu n và các h t tr .
(a) (b)
Hình 3.17: M t b l c HEPA ki u các n p g p sâu (a) và các n p g p nh (b). Khơng khí c l c qua các cu n gi y l c cu n t ng l p thành các media l c có r ng t 15 n 30 cm và c ng n cách b i các lá nhôm ng. ng n c n các h t b i nh , ng i ta s d ng media l c là các dây micro x p thành các l i siêu nh (hình 3.18a) và do ó cho khơng khí i qua,
ng th i c n các h t b i.
(b) (c) Hình 3.18. Vi c u trúc t m l c (a)
và c ch l c b i c a t m l c (b) và hi u su t l c (c).
3.2. Oxy hóa
3.2.1.Gi i thi u cơng ngh Oxy hố
Vi c kh ng ch chính xác dày l p Oxyde c ng nh s am hi u v q trình Oxy hóa óng vai trị quan tr ng c bi t trong công ngh ch t o
linh ki n vi n t . S Oxy hóa nh ng, nhơm tr c ây ã c nghiên
u g n li n v i v n n mòn kim lo i. Tuy nhiên, ngày nay trên 90% linh ki n u c ch t o trên tinh th silic nên chúng ta ch nghiên c u q trình Oxy hóa silic mà c th là quá trình t o l p SiO2. Ph ng pháp ph bi n nh t
t o l p SiO2 trong cơng nghi p là Oxy hóa nhi t.
- S t o thành l p Oxyde trong môi tr ng Oxy khô c bi u di n qua ph n ng hóa h c:
Si + O2 = SiO2
- Trong Oxy hóa m , h i n c là ch t khí tham gia ph n ng: Si + 2H2O = SiO2 +2H2
b. Thi t b Oxy hoá
Thi t b dùng Oxy hố thơng d ng là lị Oxy hố bi u di n nh hình 3.19. Các phi n Si c gi th ng ng trong “thuy n” th ch anh, m i thuy n ch a n 25 phi n. Thuy n c a vào trong ng lị th ch anh. Các khí c n thi t nh H2, N2, O2, HCl... c a vào lị thơng qua các van l u l ng khí và c th i ra t u kia c a ng. Nhi t trong lò kho ng t 400 C -> 1200 C.
Trong các lị cơng nghi p các phi n sau khi r a s y khô t vào trong thuy n
c t ng a vào trong lò và nhi t c nâng lên. Mu n th c hi n
Oxy hoá m ng i ta s d ng các khí mát (O2, N2) s c qua n c un nhi t 95oC a n c vào bên trong.
Hình 3.19. Thi t b Oxy hóa
Các l p SiO2 c t o b i 2 ph ng pháp có tính ch t khơng hồn tồn gi ng nhau. Ch t l ng l p SiO2 c t o b i Oxy hố khơ t t h n, tuy nhiên
c Oxy hoá m l i nhanh h n Oxy hố khơ cho nên có th ph i h p c 2 ph ng pháp trên ch l p SiO2. t ng t c Oxy hố và hồn thi n ch t ng l p SiO2, trong công ngh ng i ta th ng cho thêm vào ph n ng hoá c các ch t ch a Cl nh HCl ; C2HCl3; C2H3Cl3.
Các ph n ng khi cho ch t xúc tác nh sau: 4HCl + O2 = 2H2O + Cl2 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
4C2HCl3 + 9O2 = 2H2O + 6Cl2 + 8CO2 2H2O + 2Cl2 = 4HCl + O2
Oxy hố khơ:
Q trình Oxy hố Si trong oxy phân t x y ra theo ph n ng: Si + 02 = Si02
Si b oxy hoá trong khơng khí ngay nhi t phịng. Tuy nhiên, m t khi ã hình thành l p Oxyde, các nguyên t Si ph i i qua l p Oxyde ph n ng v i O2 b m t ngoài ho c các phân t O2 ph i i qua l p Oxyde n b
t Si ph n ng v i Si, ây là quá trinh khuy ch tán. H s khuy ch tán a Si trong SiO2 nh h n nhi u so v i h s khuy ch tán c a O2.Vì v y ph n ng Oxy hố s x y ra trên ph n biên Si-SiO2.
nhi t T(k) nh t nh, chi u dày l p ôxide d t ng lên theo th i gian ơxi hố, nh v y l p biên Si-SiO2 s d ch d n v phía trong Si.
Hình 3.21. S ph thu c c a dày l p SiO2 theo th i gian.
Oxy hố m:
- c ích: t o l p Oxyde dày, gi m th i gian Oxy hố. Do nhóm OH