I wafer di Silicon servono come substrato fondamentale per la maggior parte dei dispositivi elettronici moderni, compresi i microprocessori, i chip di memoria, i sensori e le celle fotovoltaiche. Le proprietà elettriche di questi wafers, come la resistenza, la mobilità dei vettori e la durata del vettore di minoranza, determinano direttamente le prestazioni, la velocità e l'efficienza dei dispositivi finali.

Comprendere Wafers Silicon: Struttura e purezza

I wafer di silicio sono sottili, fette circolari tagliate da un unico ingoto di silicio di cristallo. La struttura di cristallo è diamantata, con ogni atomo legato in modo covalente a quattro vicini. In un cristallo puro ideale a 0 K, tutti gli elettroni sono legati in legature covalenti, rendendo il silicio un isolante.

Crescita e Doping di cristallo

La maggior parte delle ostilità commerciali di silicio è coltivata utilizzando il metodo Czochralski (CZ), dove il silicio di policristallina ad alta purezza viene fuso in un crogiolo di quarzo e un cristallo di seme viene lentamente tirato a formare un ingoto di fosforo di 0,001-Cl.

Il ruolo delle impurità in Silicon

Le impurità in silicio rientrano in due categorie: i dopanti intenzionali, che vengono aggiunti al controllo del tipo e della concentrazione dei porta-carica, e i contaminanti non intenzionali[, che vengono introdotti da materiali di partenza, apparecchiature di lavorazione o l'ambiente.

Dopanti intenzionali: Donatori e Accettatori

Gli atomi di Dopant sostituiscono il silicio nel reticolo di cristallo e donano un elettrone extra (donatori) o creano una carenza di elettroni o foro (accettatori). I donatori comuni includono fosforo (P) e arsenico (A), entrambi del gruppo V della tavola periodica. Hanno cinque elettroni di valenza; quattro formano legami covalenti con gli atomi di silicio vicini, e il quinto è debolemente limitato.

La concentrazione del vettore in silicio dopedo è quasi uguale alla concentrazione del dopant a temperatura ambiente perché quasi tutti i dopants sono ionizzati. Questo rapporto permette un controllo preciso della resistenza su molti ordini di grandezza.

Contaminanti non intenzionali: Metalli, ossigeno, carbonio

[FLT:]I contaminanti metallici[FLT: 1] come il ferro (Fe), il rame (Cu), il nichel (Ni), il cromo (Cr), e il molibdeno (Mo) possono essere introdotti da strumenti di acciaio inossidabile, la manipolazione dei wafer, o sostanze chimiche contaminate.

Oxygen] è la più abbondante impurità involontaria del silicio CZ, tipicamente a 10-30 ppma (parti per milione di temperature atomiche).

Carbon[]] proviene dalle parti grafite utilizzate nei puller CZ e dalla CO nell'ambiente. Il carbonio occupa un sito sostituzionale ed è generalmente isoelettronico, con poca attività elettrica diretta. Tuttavia, il carbonio aumenta le precipitazioni dell'ossigeno e può agire come un sito di nucleazione per i difetti.

Impatto sui parametri elettrici chiave

Le impurità influenzano quattro parametri elettrici fondamentali delle wafer di silicio: resistenza (o conducibilità), mobilità dei vettori, durata della portante di minoranza (o lunghezza di diffusione), e rumore di ricombinazione di generazione.

Concentrazione della resistenza e del vettore

La resistenza (ρ) è inversamente proporzionale al prodotto della concentrazione del vettore (n o p) e della mobilità (μ). I dopanti intenzionali impostano la concentrazione del vettore netto, mentre le impurità non intenzionali possono alterarlo attraverso la compensazione. Ad esempio, se un wafer di tipo p-tipo (boron doped) è contaminato con un'impurità del donatore come il fosforo, la concentrazione del foro netto diminuisce e aumenta la resistenza alla resistenza.

Mobilità e scattering del vettore

La mobilità dei vettori è limitata da meccanismi di spargimento dei reticoli (fotonici) ad alta temperatura e impurità che si disperdono a bassa temperatura o ad alta doping. L'impurità ionizzata che si disperde domina a doping concentrazioni superiori a 10]17] cm]]3]]

Ricombinazione Durata e prestazioni del dispositivo

La durata media del vettore (τ) è il tempo medio che un vettore di minoranza esiste prima di ricombinare. Si tratta di un parametro critico per i dispositivi bipolari (diodi, transistor bipolari), celle solari e imager CLT12. In silicio di alta qualità, la vita può superare 1 ms. Impurità metalliche, in particolare metalli di transizione, introdurre livelli profondi che facilitano la ricombinazione di Shockley-Read-Hall (SRH0, drasticamente riducendo

[] = 1 / (σ v]th] N[]t[]]]]]]

dove σ è la sezione trasversale di cattura, vth] è la velocità termica, e Nt è la concentrazione della trappola. Poiché σ per le impurità metalliche è grande, anche gli importi di traccia sono devastanti. Per le cellule solari, la durata ridotta significa lunghezza di diffusione più breve e minore efficienza della raccolta del vettore, riducendo direttamente l'efficienza di riequilibrio dei dispositivi di conversione di riorganizzazione.

Caratterizzazione delle Impurità

Un'accurata rilevazione e quantificazione delle impurità sono essenziali per il controllo e la ricerca dei processi. Una suite di tecniche analitiche è utilizzata per misurare sia la composizione chimica che l'impatto elettrico.

Metodi di analisi chimica

[LT][LT][LT]][[LT]]][[LT]]] [[[LT]]]] [[[[[FLT]]]]]]][[[[LT]]]] [[LT]]]] [[[[FLT]]]]]]] [[[[[FLT]]]]]]]]]] [FLT]]]]]] [[[[[[[[[[[[[[FLT]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[

Tecniche di misura elettrica

[LTS]Spattroscopia transiente di livello inferiore [FLT]] identifica il livello di energia e la concentrazione di trappole profonde introdotte da impurità metalliche. Funziona riempiendo trappole con un impulso di tensione, quindi monitorando i transienti di capacità come vettori di minoranza sono emessi.

Controllo delle impurità in Silicon Wafers

La prevenzione inizia con le materie prime e si estende attraverso tutte le fasi di lavorazione, mentre la bonifica comporta spesso tecniche di raccolta che sequestrano contaminanti dalle regioni attive del dispositivo.

Purificazione e Gettering

[LTL'uso di un dispositivo di rifinanziamento[FLT1] è il metodo principale per produrre il silicio ad ultra-alta purezza. Una zona fusa viene passata lungo una barra di silicio; le impurità si separano nel liquido di precipitazione perché la loro solubilità nel silicio solido è inferiore.

Controlli avanzati di produzione

Le favole Wafer mantengono le cleanrooms della classe 1 a 10 per ridurre al minimo i livelli di particelle e di contaminazione dei metalli. Le soluzioni chimiche per la pulizia (RCA SC-1 e SC-2, HF diluito) sono formulate per rimuovere i residui organici, le particelle e i film metallici.

Conclusioni e direzioni future

Impiegazioni di controllo di qualità e di controllo di qualità (in inglese)