Silizium-Barren

Verfahren zur Herstellung von Siliziumbarren

Die Zeit, die für die Züchtung eines Siliziumblocks benötigt wird, hängt von vielen Faktoren ab. Mehr als 75% aller einkristallinen Silizium-Wafer werden nach der Czochralski (CZ)-Methode gezüchtet, bei der Stücke aus jungfräulichem polykristallinem Silizium verwendet werden. Diese Stücke werden zusammen mit kleinen Mengen von Elementen, den so genannten Dotierstoffen, in einen Quarztiegel gegeben. Die häufigsten Elemente sind Bor, Phosphor, Arsen und Antimon. Durch die Zugabe von Dotierstoffen zum reinen Silizium wird dessen Leitfähigkeit erhöht. Je nachdem, welches Dotiermittel verwendet wird, wird der Barren zum P- oder N-Typ (Bor: P-Typ; Phosphor, Antimon, Arsen: N-Typ).

Der Barren wird dann auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts von Silizium (ca. 1420 °C) erhitzt. Sobald die Kombination aus polykristallinem Silizium und Dotierstoff verflüssigt ist, wird ein Silizium-Einkristall, der so genannte Keim, auf der Schmelze positioniert, der die Oberfläche kaum berührt. Der Keim hat die gleiche Kristallorientierung wie der fertige Barren. Um eine gleichmäßige Dotierung zu erreichen, werden der Keim und der Tiegel mit geschmolzenem Silizium in entgegengesetzte Richtungen gedreht. Sobald die Bedingungen für das Kristallwachstum erfüllt sind, wird der Impfkristall langsam aus der Schmelze gehoben. Das Wachstum beginnt mit einem schnellen Ziehen des Impfkristalls, um die Anzahl der Kristalldefekte im Block zu Beginn des Wachstumsprozesses zu minimieren. Die Ziehgeschwindigkeit wird dann verringert, damit der Durchmesser des Kristalls etwas größer als der gewünschte Enddurchmesser wird. Wenn der Zieldurchmesser erreicht ist, werden die Wachstumsbedingungen stabilisiert, um den Durchmesser beizubehalten. Wenn der Keim langsam über die Schmelze gehoben wird, bewirkt die Oberflächenspannung zwischen dem Keim und der Schmelze, dass ein dünner Siliziumfilm am Keim haftet und dann abkühlt. Beim Abkühlen orientieren sich die Atome im geschmolzenen Silizium an der Kristallstruktur des Keims.

Sobald der Ingot ausgewachsen ist, wird er auf einen groben Durchmesser geschliffen, der etwas größer ist als der gewünschte Durchmesser des fertigen Siliziumwafers. Der Ingot wird dann mit einer Kerbe oder einer Abflachung versehen, um seine Ausrichtung zu kennzeichnen, je nach Wafer-Durchmesser, Kundenspezifikationen oder SEMI-Normen. Nachdem er eine Reihe von Kontrollen bestanden hat, wird der Ingot in Wafer geschnitten.