Herstellung von Siliziumscheiben (Wafern) im Czochralski-Verfahren (CZ)

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1 Herstellung von Siliziumscheiben (Wafern) im Czochralski-Verfahren (CZ) Si-Einkristall Polysiliziumbrocken 1.) Herstellung von hochreinem Polysilizium aus Quarzsand 2.) Ziehen eines einkristallinen Si-Stabes Scheiben in einer Verpackungshorde Polierte Scheiben verschiedenen Durchmessers 3.) Herstellung von Si-Scheiben aus dem Kristall Bauelemente

2 Herstellung von hochreinem Polykristallinen Silizium Reduktion von SiO 2 (Quarzsand): SiO 2 + SiC Si + SiO + CO Reaktion von Rohsilizium zum flüssigen Trichlorsilan: Si + HCl SiHCl 3 + H 2 Destillation von Trichlorsilan zu hochreinem Trichlorsilan Reduktion von Trichlorsilan zu Polykristallinem Si: SiHCl 3 +H 2 Si + HCl Rohsilizium (98%) Trichlorsilan (Siedepunkt 31,8 C) hochreines Trichlorsilan ( < 10-9 ) hoch reine Poly-Si-Brocken für CZ-Verfahren oder hoch reine Poly-Si-Stäbe für Float-Zone Verfahren

3 Trichlorsilan-Destillation

4 Prinzip des Tiegelziehverfahrens nach Czochralsky (CZ-Verfahren) Kristallwachstum beginnt am Impfkristall, der die Orientierung vorgibt Herausziehen des entstehenden Kristalls unter Drehen (2-250 mm/h) Bildung eines einkristallinen Stabes T > 1420 C Dotierung des Si- Kristall (gezielter Einbau von Fremdatomen) mit B, P, As, Sb möglich Das CZ-Verfahren ist das Standardverfahren mit dem der weitaus größte Anteil aller Si-Wafer hergestellt werden.

5 Ablauf des Einkristall Tiegelziehens (CZ-Verfahren) (Zahlen 3-6 geben Reihenfolge an!)

6 Float - Zone Verfahren (FZ - Verfahren) Nur zur Herstellung höchst reiner Wafer (kleiner Anteil) Vorlage und Rekristallisation eines Poly-Si- Stabes durch induktives Aufschmelzen Orientierung wird durch Impfkristall definiert Schmelzzone wandert durch den Stab beginnend am Impfkristall Verunreinigungen haben höhere Löslichkeit in der Schmelze Reinigungseffekt Segregationskoeffizienten K für Elemente in Si K = max. Konz. im Kristall/max. Konz. in Schmelze Al As B C Cu Fe O P Sb 0,002 0,3 0,8 0, ,25 0,35 0,023

7 Ablauf der Einkristallherstellung im Float-Zone-Verfahren

8 Detaillierter Prozessablauf der Silizium - Wafer - Herstellung 1. Siliziumstab mit Czochralsky - oder Float - Zone - Verfahren ziehen 2. Stab auf genauen Durchmesser schleifen 3. Flat oder Notch einschleifen; dient zur Identifikation der Kristallorientierung und für die mechanische Vorjustierung im Chip - Fertigungsprozess 4. Herstellen der Si-Scheiben durch Innenboard -Trennen 5. Scheibenrand durch Schleifen abrunden; verhindert Ausbrüche bei der Handhabung 6. Läppen zur Einstellung der Scheiben-Makrogeometrie (Dicke, Welligkeit, Keilfehler) 7. Contact Polieren zum Entfernen der zerstörten Kristallschicht 8. Ätzen der restlichen zerstörten Kristallschicht 9. Semi Contact Polieren als Endfinish der Oberfläche (nur Vorderseite ) 10. Endreinigung, Endprüfung (Partikel, Defekte), Verpackung

9 Wichtigste Spezifikationen von einseitig polierten Silizium-Scheiben Parameter Definition Bedeutung 6 -Wafer Durchmesser Durchsatz, Prozesshomogenität 150 ± 0,5mm (maximal 300mm) Dicke, Dickentoleranz Bruchfestigkeit, thermische Leitfähigkeit, Handling 675 ± 25µm Bogen Handling, Lithographie < 50µm Ebenheit Handling, Lithographie < 5µm Orientierung (100) Konstruktion, Elektronische Eigenschaften ± 1,0 Dotierung Spezifischer elektrischer Widerstand Elektronische Eigenschaften, Ätzverhalten B, 10-40Ω cm (Sb, P, As) Haupt-/Neben-Flat Identifikation, Ätzen, Trennen 1 (2) Flat

10 Weitere Ausführungsformen und Sonderformen von Silizium-Wafern Typ Epitaxieschicht SOI-* Schicht Abgedünnte Wafer Zweiseitig polierte Wafer Epitaxieschicht Substrat Silizium Oxid Substrat Zweck CMOS-Schaltkreise, Ätzstoppschichten Hochtemperaturelektronik, Ätzstoppschicht Bulk-Mikromechanik, anisotropes Ätzen 400 µm statt 675 µm bei 6 -Wafern 300 µm statt 525 µm bei 4 -Wafern Bulk-Mikromechanik, insbesondere bei lithographischer Bearbeitung von beiden Seiten * SOI = Silicon On Insulator

11 Silizium Dioxid (SiO 2 ) Die grundlegende Bindungsstruktur als SiO 4 - Tetraeder oder SiO 4/2 - Tetraeder führt zu kristallinen Erscheinungsformen mit Fernordnung und zu nicht - kristallinen, glasartigen amorphen Formen, wo die Tetraederform nur zu einer Nahordnung führt. Si Si Si Si Schematische Darstellung der SiO 2 - Bindung über Tetraeder Kristalline Erscheinungsformen von SiO 2 : Quarz als Reinstquarz (ρ = 2,65 g/cm 3 ) Quarz als Quarzgesteine / Edelsteine (Amethyst, Katzenauge, Tigerauge, Onyx, Jade,...) Anwendungen von Reinstquarz -Kristallen: optische polarisationsdrehende Plättchen λ/4, λ/10, λ/20 - Plättchen) Piezoelektrischer Schwinger (Ultraschallgeneratoren, Quarzoszillatoren,...)

12 Quarzglas oder Fused Silica als nicht kristallines SiO 2 Herstellung als schnell unterkühlte Schmelze von Quarz oder durch Hydrolyse von SiCl 4 Wichtige Eigenschaften: Dichte = 2,2 g/cm 3 hohe Reinheit (<< ppb) hohe Bruchfestigkeit (~ 10 GPa) geringe thermische Ausdehnung (0,5 x10-6 / K) optische Dämpfung < 0,5 db/km sehr hohe optische Transparenz Anwendungen: Chemische Industrie Rohre, Tiegel, Schalen, Isolatoren, Anlagenteile Halbleiterindustrie, Mikrosystemtechnik Prozessrohre, Horden, Tiegel, Reaktoren, Laborgeräte, Maskenblanks Lichtwellenleiter Rohre, Stäbe, Vormaterialien, Fasern Optik und Lampen Quarzglas für optische Anwendungen, Lampenrohre, Linsen,... Strahler Ultraviolett- und Infrarot-Strahler für industrielle Anwendungen, Laseranregungslampen, Entkeimungslampen, Bräunungslampen, Eximerstrahler, Infrarot-Trockner

13 Beispiele für Quarzglas-Anwendungen in der Mikrotechnik Quartz Wet Etch Bath Wafer Carrier (Quelle: www. enterprise-q.co.uk)

14 Gitteraufbau beim b - Quarz (Projektion in z - Richtung) Si 4+2O2-120

15 Struktur des Kristallinen Quarz Schematische Darstellung der Zelle Anordnung der Si-Atome als Projektion in z - Richtung 3 Si- Atome + 6 O - Atome Si - Atome in 3 - Z - Ebenen O - Atome in 3 - Z - Ebenen β - Quarz stabil: C α - Quarz bis 573 C Si-Atome um z-achse um 8 gedreht

16 Einfaches Modell des piezoelektrischen Effekts von Quarz X 1 X 1 X 1 Quarz hat 3 polare Achsen (X 1, X 2, X 3 ) und eine unpolare Achse (Z). Polar bedeutet, dass es wegen der Verteilung der elektrischen Ladungen in der chemischen Bindung ein elektrisches Dipolmoment in Richtung dieser Achsen gibt (a). Trotzdem ist der Kristall elektrisch neutral. Bei einer mechanischen Spannung verschieben sich die Atome mit den Ladungen entlang der Achsen und es entsteht eine zusätzliche Polarisation, die zu einer äußeren elektrischen Polarisationsspannung führt (b, c).

17 Hydrothermischer Prozess zur Herstellung von synthetischem Quarz Innenmantel des Autoklaven Baffle Heizung ca bar Dichtung ca. 350 C Impfkristalle Thermoelemente Nährmaterial Naturquarz + NaOH ca.400 C Naturquarz wird bei 400 C in einer NaOH- Lösung in einem Autoklaven gelöst. In der oberen kühleren Region befinden sich Keimlinge, an denen sich aus dem bei der niedrigeren Temperatur übersättigten Dampf kristalliner Quarz abscheidet. Um wirtschaftliche Abscheideraten zu erreichen, wird mit Drücken bis 1500 bar gearbeitet. Die höhere Löslichkeit von Verunreinigungen in der Lösung gegenüber dem Kristall sorgt für eine Reinigung des Naturquarzes (Segregationskoeffizienten).

18 Hauptkristallflächen von Quarz Hauptkristallflächen von α-quarz und ihre Bravais-Miller-Indizes (hkl). links Quarz rechts Quarz Die Z-Achse fällt mit der 3-zähligen Drehachse, die X-Achse mit einer der drei dazu senkrechten 2-zähligen Drehachsen zusammen. Die positive X- Achse durchstößt dabei in Rechtsquarz eine Kante, zu deren Ende x- und s- Flächen gehören, in Linksquarz eine Kante, zu deren Ende keine x- und s- Flächen gehören. Die Y-Achse ergänzt das System für Rechts- und Linksquarz zu einem rechtshändigen Koordinatensystem.

19 Das bekannteste Mikrobauelement aus Quarz: Der Stimmgabelschwinger Die elektrisch mechanische Wandlung erfolgt durch den piezoelektrischen Effekt (Erzeugung einer elektrischen Spannung aus einer mechanischen Deformation) und dem inversen piezoelektrischen Effekt (Erzeugung einer mechanischen Schwingung aus einer elektrischen Wechselspannung) Chrom - + Chrom Schematische Darstellung der Quarzstimmgabel Schematische Darstellung von Antrieb und Auslese durch den transversalen piezoelektrischen Effekt. Die piezoelektrische Wandlung setzt eine bestimmte Orientierung der Stimmgabel bezüglich der Kristallachsen voraus. Die Frequenzstabilität führt zu weiteren Einschränkungen.

20 Temperaturabhängigkeit der Frequenz bei Quarzstimmgabeln Die Temperaturabhängigkeit der Frequenz liegt an der Temperaturabhängigkeit der elastischen und piezoelektrischen Koeffizienten. Aufgrund der Anisotropie ist sie richtungsabhängig. Durch Wahl des Schnittwinkels bei der Herstellung der Quarz-Blanks kann sie minimiert werden. Abhängigkeit der Frequenzänderung f 0 / f 0 von der Temperatur für verschiedene Schnittwinkel f 0 / f 0 = a (T-T 0 ) + b (T-T 0 ) 2 + C (T-T 0 ) 3 (Taylor- Entwicklung um die Referenztemperatur T 0 )

21 Temperaturabhängigkeit von f 0 für Stimmgabel aus Quarz und Silizium Quarz Kapazitive Si-Stimmgabel aus ((110)-Si) 1 mm Temperaturabhängigkeit der Frequenz f f 0, , T [ C] (Biegeschwinger X-, XY-, NT-Schnitt) Temperaturabhängigkeit der Frequenz Resonanzfrequenz [Hz] Messung Hz/ C Temperatur [ C] Hz ( T=±0,1 C) ca. 1 Hz Quarz Die Genauigkeit der Quarzuhr liegt bei 0,1...0,01 s/tag. Sie resultiert aus der hohen Frequenzstabilität und der hohen Güte der Stimmgabel.

22 Vergleich der Materialdaten von Silizium mit anderen Werkstoffen Gitterabstand [Å] 5,43 Silizium Quarz Stahl Aluminium 4,91 / 5,40 (x / z) 2,87 4,04 Dichte [g/cm 3 ] 2,33 2,65 7,7 2,7 Schmelztemperatur [ C] spez. Wärmeleitfähigkeit [W m -1 K -1 ] lin. Ausdehnungskoeffizient [10-6 K -1 ] ,9 / 6, , Bruchfestigkeit [GPa] ,55 0,1 spez. el. Widerstand [Ωcm] Dotiertes Silizium E-Modul [GPa] <100>-Richtung bei Si <110>-Richtung bei Si <111>-Richtung bei Si , , /

23 Wichtige Werkstoffe der Mikrosystemtechnik I (Baustoffe) Zweck Werkstoffe Funktionen Geometrische Gestalt Gefüge Konstruktionswerkstoffe Funktionswerkstoffe. elektrische Verbindungs- Werkstoffe Si, Quarz, Substrate Scheiben einkristallin Keramik Substrate, Gehäuse Scheiben polykristallin Polymere Substrat, Gehäuse 3-D-Körper amorph, teilkristallin Si, Quarz mechanische Elemente Scheiben einkristallin Poly-Si mechanische Elemente Schichten polykristallin Quarz piezoelektrischer Wandler Scheibe einkristallin Pt Thermowiderstand Schichten polykristallin FeNi ferromagnetischer Kern Schichten polykristallin Al, AlSi, AlSiCu, AlCu Poly-Si, Cu On-Chip-Leiterbahnen Schichten polykristallin Au-Draht, Al-Si-Draht Verb. Chip-Gehäuse Draht polykristallin Klebestoffe, Lote Verb. von SMD-Bauteilen Schicht leitfähig, isolierend Isolation SiO 2, Si 3 N 4, Schutz, Kratzschutz elektrische Isolation Diffusionssperre Dielektrikum, Kondensatoren

24 Wichtige Werkstoffe der Mikrotechnik II (Hilfsstoffe) Zweck Werkstoff Eigenschaften PVD-Schichtabscheidung Al, AlSi, Ti, W, Au, Pt, SiO2 Festkörpertargets CVD-Schichtabscheidung SiH4, SiH2 Cl2, TEOS,... Gase, Flüssiggase Dotierung PH3, AsH3, B2H6 Gase Maskierschichten Fotolack, PMMA SiO2, Si3N4 Flüssigkeit, Lichtstrukturierbar Schichten amorph Nassätzen KOH, HF, HCl,... wässrige Ätzlösungen Trockenätzen SF6, CF4, BCl3, CL2,... Gase, Flüssiggase Opferschicht Fotolack, SiO2, Si3N4, Al, Au Schichten, amorph, polykristallin Reinigung Isopropanol, Aceton H2O2, HNO3, H2SO4 Reinstwasser organische Lösemittel wässrige Lösungen Spülmittel Spül-, Trägergase N2, H2, Ar, He inerte Gase