Fabrikasi semikonduktor
Silikon Grade Semikonduktor

Lihat pula: Polikristalin dan Silikon monokristalin
Silika, suatu bentuk silikon (Sio 2), muncul secara alami dalam bentuk kuarsa. Silikon, selain oksigen, menyumbang 27,8% kerak bumi dan merupakan unsur paling melimpah di alam. Berbeda dengan hidrogen dan helium yang mendominasi materi tampak di alam semesta, silikon memiliki kandungan massa kurang dari 0,1%.
Penggunaan silikon dalam perangkat semikonduktor memerlukan silikon metalurgi dengan kemurnian tinggi. Proses mengubah silikon mentah menjadi substrat kristal tunggal yang dapat digunakan dalam proses semikonduktor modern dimulai dengan degradasi silikon dioksida murni. Silikon murni (99,9%) diperoleh dengan elektrolisis dari silikon padat dan senyawa silikon lainnya.
Selain itu, silikon murni yang digunakan dalam sirkuit terpadu terdiri dari satu kristal sempurna. Kristal silikon tunggal terdiri dari atom-atom dalam pola periodik tiga dimensi yang memanjang di sekitar kristal. Semikonduktor yang terbuat dari silikon menjadi wafer yang menjadi silikon pada wafer tersebut.
Kristal polisilikon, yang membentuk banyak kristal tunggal yang lebih kecil dengan orientasi berbeda, tidak digunakan dalam perangkat semikonduktor. Metode Czoralski adalah metode pertumbuhan kristal yang dapat menghasilkan semikonduktor kristal tunggal.
Silikon elektronik (EGS) adalah bahan baku produksi kristal tunggal yang terbuat dari silikon. Pengotor doping (atom seperti boron dan fosfor) ditambahkan ke silikon semikonduktor dengan kemurnian tinggi (beberapa bagian per juta pengotor) dan doping semikonduktor yang tepat mengubahnya menjadi silikon tipe P atau tipe ORN, sejenis silikon dengan sifat elektronik yang berbeda. Bahan dasar semikonduktor digunakan untuk menumbuhkan kristal, dan dalam produksi wafer silikon, pengotornya disebut sebagai PbA dan PbPma.
Silikon elektronik (EGS) didoping dengan unsur-unsur dalam kisaran bagian per miliar (ppb) karbon dan kurang dari 2 bagian per juta (ppm) - jika silikon dimurnikan dengan doping dengan unsur-unsur seperti boron, fosfor, dan arsenik, silikon tersebut dapat diolah menjadi digunakan sebagai semikonduktor untuk berbagai aplikasi. Silikon elektronik adalah bentuk murni silikon polikristalin yang diubah menjadi ingot silikon monokristalin menggunakan proses Czoralskis.
Sebagian besar Mg Si digunakan dalam aplikasi metalurgi pada paduan silikon seperti aluminium dan besi untuk meningkatkan sifat tertentu. Poli polikristalin digunakan untuk membentuk struktur komponen seperti transistor, gerbang dan sirkuit terpadu. Silikon elektronik dan poli kristal dalam bentuk non-kristal amorf (seperti kaca) digunakan dalam sel fotovoltaik (surya) dan transistor film tipis.
Peleburan zona, juga dikenal sebagai pemurnian zona, adalah metode pembersihan silikon pertama di mana sebatang silikon metalurgi dipanaskan hingga meleleh di salah satu ujungnya. Pemanas menggerakkan panjang batang dan menjaga sebagian kecil batang tetap meleleh saat mendingin dan mengeras.
Proses penghilangan material menghilangkan lapisan tipis silikon yang diperlukan untuk produksi wafer yang permukaannya bebas dari kerusakan. Selama proses ini, kabut dapat terbentuk pada permukaan wafer, sehingga memerlukan langkah pemolesan tambahan untuk memberikan hasil akhir yang seperti cermin.
TC diuapkan dan disuling hingga mencapai tingkat kemurnian yang tinggi, kemudian diencerkan dengan H2 sebelum dialirkan ke reaktor pengendapan, di mana TC diubah menjadi silikon elementer. Ini secara alami diubah menjadi Mg Si-TC sehingga pengotor seperti Fe, Al dan B dapat dihilangkan.
Homogenitas doping dalam arah aksial dan radial terbatas pada silikon Czochralski, sehingga sulit untuk mendapatkan wafer dengan resistansi lebih dari 100 ohm/cm. Silikon memiliki indeks bias yang besar (ruang 60-25) dan rangkaian pantulan udara dengan serapan dan transmisi yang signifikan (nol) [52]. Pengotor oksigen dan karbon mengurangi panjang difusi wafer silikon.
Ada kebutuhan yang kuat untuk analisis teoretis dan eksperimental terhadap fenomena kapilaritas suhu tinggi serta perambatan dan infiltrasi lembab yang terjadi dalam sistem keramik Si-B dan X tertentu. Pada bagian berikut, kami menyajikan ikhtisar literatur dan data studi teoritis dan eksperimental fenomena suhu tinggi yang terjadi dalam interaksi bahan berbasis Si dengan keramik yang tersedia, serta ringkasan kesimpulan penelitian yang kami lakukan. menggunakan metode berbasis sessile drop yang dikombinasikan dengan berbagai metode eksperimental yang baru dikembangkan.
Beberapa bahan tahan api yang dikembangkan untuk silikon fotovoltaik suhu tinggi adalah grafit padat [34] (SIC), silikon grafit [5] dan silikon nitrida yang dicampur dengan silika [67], namun bahan ini belum banyak digunakan dalam sistem LHTE karena pengoperasiannya yang bervariasi. kondisi.
Selain itu, wafer silikon premium harganya mahal dibandingkan dengan kualitas silikon lainnya, meskipun kualitas dan masa pakai serta kinerjanya yang lebih lama membenarkan harganya. Silikon murni, juga dikenal sebagai silikon metalurgi, memiliki kualitas yang baik tetapi tidak cocok untuk pembuatan perangkat elektronik. Biayanya yang mahal untuk aplikasi lain seperti sel surya dan liquid crystal display (EG), menjadikan silikon bedah yang ditingkatkan (UMG-SI) sebagai alternatif yang menarik.
Karena kemurnian batu kuarsa yang tinggi, pasir pantai dan kuarsa adalah bahan baku paling umum untuk grade elektronik. Tidak semua pasir adalah kuarsa, namun pasir yang diekstraksi untuk tujuan ini memiliki konsentrasi kuarsa dan silikon dioksida hingga 95%. Pembersihan dimulai dengan memanaskan pasir untuk mengurangi karbon yang dihasilkan karbon monoksida dan silikon.
Sintesis dan pemurnian bahan semikonduktor polikristalin massal merupakan langkah pertama menuju fabrikasi komersial perangkat elektronik. Bahan polikristalin inilah yang kemudian digunakan sebagai bahan baku pembentukan bahan kristal tunggal yang diolah menjadi wafer semikonduktor. Pengaruh kuat terhadap karakteristik kelistrikan semikonduktor yang ditunjukkan oleh sejumlah kecil pengotor memerlukan bahan baku massal dengan kemurnian sangat tinggi (> 99,9999%). Meskipun beberapa tingkat pemurnian dimungkinkan selama proses kristalisasi, penting untuk menggunakan bahan awal dengan kemurnian setinggi mungkin.
Setelah oksigen (46%), silikon (L. silicis flint) merupakan unsur paling melimpah di kerak bumi (28%). Namun, silikon tidak terdapat dalam bentuk unsurnya, melainkan dalam bentuk oksidanya (SiO 2 ) atau dalam bentuk silikat. Pasir, kuarsa, kecubung, batu akik, batu api, dan opal adalah beberapa bentuk oksida yang muncul. Granit, hornblende, asbes, feldspar, tanah liat dan mika, dll. adalah beberapa dari sekian banyak mineral silikat. Dengan pasokan bahan mentah yang tidak terbatas, biaya yang terkait dengan produksi silikon curah bukanlah abstraksi dan konversi oksida, namun pemurnian unsur silikon mentah. Meskipun unsur silikon 98%, yang dikenal sebagai silikon tingkat metalurgi (MGS), mudah diproduksi dalam skala besar, persyaratan kemurnian ekstrem untuk fabrikasi perangkat elektronik memerlukan langkah pemurnian tambahan untuk menghasilkan silikon tingkat elektronik (EGS). Silikon tingkat elektronik juga dikenal sebagai silikon tingkat semikonduktor (SGS). Agar tingkat kemurnian dapat diterima untuk pertumbuhan kristal berikutnya dan fabrikasi perangkat, EGS harus memiliki tingkat pengotor karbon dan oksigen kurang dari beberapa bagian per juta (ppm), dan pengotor logam pada kisaran bagian per miliar (ppb) atau lebih rendah.
EGS adalah bahan baku pembuatan silikon kristal tunggal. Ini adalah bahan polikristalin dengan kemurnian tinggi dan memerlukan elemen doping berada dalam kisaran bagian per miliar. Pengotor utama - boron,fosfor,karbon. Langkah pertama adalah produksi silikon kelas metalurgi (MGS) dalam tungku busur elektroda terendam. Tungku diisi dengan kuarsit dan karbon.
Reaksi yang terjadi di dalam tungku adalah :
SiC (solid) + SiO2 (solid) -> Si (liquid) + SiO (gas) +CO (gas)
Si (solid) + 3HCl (gas) -> SiHCl3 (gas) + H2 (gas) + heat
2H2 (gas) + 2SiHCl3 (gas) -> 2Si (solid) + 6HCl (gas)
SiH4 (gas) + heat -> Si (solid) + 2H2 (gas)