Producția de napolitane din silicon

SiO2+ C → Si + CO2

Si + 3HCl → SiHCl3+ H2

Reacția de clorhidrat în FBR produce un produs gazos care este de aproximativ 90% triclorosilan (SiHCl3). Restul de 10% din gazul produs în această etapă este în principal tetraclorosilan, SiCl4, cu niște diclorosilan, SiH2Cl2. Acest amestec de gaze este supus unei serii de distilări fracționate care purifică triclorosilanul și colectează și reutilizează tetraclorosilanul și diclorosilanii. Acest proces de purificare produce triclorosilan extrem de pur, cu impurități majore în intervalul de părți scăzute pe miliard. Siliciul policristalin solid purificat este produs din triclorosilan de înaltă puritate folosind o metodă cunoscută sub denumirea de „Procesul Siemens”. În acest proces, triclorosilanul este diluat cu hidrogen și alimentat într-un reactor chimic de depunere a vaporilor. Acolo, condițiile de reacție sunt ajustate astfel încât siliciul policristalin să fie depus pe tijele de siliciu încălzite electric conform inversului reacției de formare a triclorosilanului:

SiHCI3+ H2→ Si + 3HC

Subproduse din reacția de depunere (H2, HCI, SiHCI3, SiCI4și SiH2Cl2) sunt capturate și reciclate prin procesul de producție și purificare a triclorosilanului, așa cum se arată în Figura 2. Chimia proceselor de producție, purificare și depunere a siliciului asociate cu siliciu de calitate semiconductoare este mai complexă decât această descriere simplă. Există, de asemenea, o serie de chimii alternative care pot fi și sunt utilizate pentru producerea polisiliciului.

Siliciul cu o puritate mai mare poate fi produs printr-o metodă cunoscută sub numele de rafinare Float Zone (FZ). În această metodă, un lingou de siliciu policristalin este montat vertical în camera de creștere, fie sub vid sau atmosferă inertă. Lingoul nu este în contact cu nici unul dintre componentele camerei, cu excepția gazului ambiental și a unui cristal de semințe de orientare cunoscută la baza sa (Figura 4). Lingoul este încălzit folosind bobine fără frecvență radio (RF) fără contact care stabilesc o zonă de material topit în lingou, de obicei grosime de aproximativ 2 cm. În procesul FZ, tija se deplasează vertical în jos, permițând zonei topite să se deplaseze pe lungimea lingoului, împingând impuritățile în fața topiturii și lăsând în urmă siliciu monocristal foarte purificat. Oblele de siliciu FZ au rezistivități de până la 10.000 ohm-cm.

Etapa finală în fabricarea plăcilor de siliciu implică chimicgravurăîndepărtați straturile de suprafață care ar fi putut acumula deteriorări și contaminări ale cristalului în timpul tăierii, șlefuirii și lipirii; urmat delustruire mecanică chimică(CMP) pentru a produce o suprafață foarte reflexivă, fără zgârieturi și daune pe o parte a napolitanei. Gravura chimică se realizează folosind o soluție de acid fluorhidric (HF) amestecată cu acizi nitric și acetic care pot dizolva siliciu. În CMP, feliile de siliciu sunt montate pe un suport și plasate într-o mașină CMP unde sunt supuse lustruirii chimice și mecanice combinate. În mod obișnuit, CMP folosește un tampon de lustruire poliuretanic dur combinat cu o suspensie de particule abrazive de alumină sau silice fin dispersate într-o soluție alcalină. Produsul finit al procesului CMP este placheta de siliciu cu care noi, ca utilizatori, suntem familiarizați. Are o suprafață foarte reflexivă, fără zgârieturi și daune pe o parte pe care pot fi fabricate dispozitive semiconductoare.

Tabelul 1 oferă o listă a semiconductoarelor compuse elementare și binare (cu două elemente) împreună cu natura decalajului de bandă și magnitudinea acestuia. Pe lângă semiconductorii compuși binari, semiconductorii compuși ternari (cu trei elemente) sunt, de asemenea, cunoscuți și utilizați în fabricarea dispozitivelor. Semiconductorii compuși ternari includ materiale precum arsenura de aluminiu și galiu, AlGaAs, arsenura de indiu și galiu, InGaAs și arsenura de indiu și aluminiu, InAlAs. Semiconductorii compuși cu patru elemente sunt de asemenea cunoscuți și utilizați în microelectronica modernă.

Capacitatea unică de a emite lumină a semiconductorilor compuși se datorează faptului că sunt semiconductori cu bandă directă. Tabelul 1 indică semiconductorii care posedă această proprietate. Lungimea de undă a luminii emise de dispozitivele construite din semiconductori direct de band gap depinde de energia gap band. Prin ingineria cu îndemânare a structurii gap band a dispozitivelor compozite construite din semiconductori compuși diferiți cu gap-uri de bandă directe, inginerii au reușit să producă dispozitive care emit lumină în stare solidă, care variază de la laserele utilizate în comunicațiile cu fibră optică la becurile cu LED de înaltă eficiență. O discuție detaliată a implicațiilor lacunelor de bandă directe versus indirecte în materialele semiconductoare depășește scopul acestei lucrări.

Semiconductorii compuși binari simpli pot fi preparați în vrac, iar napolitele monocristal sunt produse prin procese similare cu cele utilizate în fabricarea plăcilor din siliciu. GaAs, InP și alte lingouri semiconductoare compuse pot fi cultivate folosind fie metoda Czochralski, fie Bridgman-Stockbarger cu napolitane preparate într-un mod similar cu producția de napolitane de siliciu. Condiționarea suprafeței plăcilor semiconductoare compuse (adică, făcându-le reflectorizante și plate) este complicată de faptul că sunt prezente cel puțin două elemente și aceste elemente pot reacționa cu substanțe chimice și abrazive în diferite moduri.

tabelul 1. Semiconductorii elementari și semiconductorii compuși binari.