Пластины из кремния монокристаллического КЭМ

Пластины из монокристаллического кремния КЭМ — полупроводниковый материал n-типа проводимости, получаемый из высокочистого кремния, легированного мышьяком (As). Применяются в микроэлектронике, оптоэлектронике и приборостроении в качестве подложек для производства дискретных и интегральных полупроводниковых приборов.

Расшифровка маркировки КЭМ

Обозначение строится побуквенно: К — кремний, Э — электронный тип проводимости (n-тип), М — мышьяк (легирующая примесь, As). По тому же принципу формируются смежные марки: КЭФ (n-тип, фосфор) и КДБ (p-тип, бор). Числовое значение, если указано после буквенного обозначения, соответствует номинальному удельному электрическому сопротивлению в Ом·см.

Кристаллическая структура и физические свойства

Кремний кристаллизуется в структуре типа алмаза — кубической решётке, в которой каждый атом окружён четырьмя соседями в вершинах тетраэдра. Параметр решётки составляет 5,431 Å, межатомное расстояние Si–Si — 2,35 Å. Монокристалл имеет единую ориентацию решётки по всему объёму: отсутствие межзеренных границ обеспечивает воспроизводимые и стабильные электрофизические параметры, что принципиально важно для полупроводниковых приборов.

По механическим свойствам кремний хрупок — пластической деформации при комнатной температуре не наблюдается, разрушение происходит по плоскостям спайности. Это необходимо учитывать при загрузке в технологическое оборудование, транспортировке и любых механических операциях с пластинами.

Легирование мышьяком: механизм и преимущества перед фосфором

Мышьяк — элемент пятой группы, донорная примесь. Атом As замещает атом Si в узле решётки и отдаёт один электрон в зону проводимости. Именно это обеспечивает электронный (n-тип) характер проводимости материала. Ионизация примеси при комнатной температуре практически полная.

По сравнению с фосфором (марка КЭФ) мышьяк диффундирует в кремниевой матрице значительно медленнее. Практическое следствие: профиль распределения примеси в подложке КЭМ остаётся стабильным при последующих высокотемпературных стадиях технологического процесса — диффузии, окислении, эпитаксии. Кроме того, арсеновое легирование позволяет достичь более низких значений удельного сопротивления при высоких концентрациях примеси. Марка КЭМ предпочтительна для сильнолегированных n-тип подложек, где требования к термической стабильности легирования повышены.

Методы выращивания монокристаллов кремния

Метод Чохральского (CZ)

Монокристалл вытягивается из расплава кремния в кварцевом тигле с контролем скорости роста и кристаллографической ориентации. Метод позволяет получать слитки большого диаметра — до 200 мм и более — с высокой однородностью легирования. Неизбежное следствие использования кварцевого тигля — присутствие растворённого кислорода в объёме кристалла (типичная концентрация 10–25 ppma). Кислород влияет на механическую прочность пластины (дисперсионное упрочнение), на поведение примесей при термообработках и на генерацию дефектов. Для большинства применений КЭМ изготавливается методом CZ.

Бестигельная зонная плавка (FZ)

Расплавленная зона проходит вдоль слитка без контакта с тиглем. Содержание кислорода в FZ-кремнии ниже порога обнаружения стандартными FTIR-методами (практически нулевое). Применяется там, где требуется минимальный уровень примесей или высокое удельное сопротивление. Диаметр FZ-слитков, как правило, ограничен 150 мм; выпуск 200 мм возможен, но технически значительно сложнее. Пластины КЭМ по FZ-технологии выпускаются преимущественно диаметром 76–150 мм.

Кристаллографическая ориентация пластин

Стандартные ориентации для пластин КЭМ — (100) и (111). Выбор определяется технологическим маршрутом изготовления прибора.

Ориентация (100) наиболее распространена в МОП-технологии: при термическом окислении кремния (100) формируется интерфейс Si/SiO₂ с минимальной плотностью поверхностных состояний. Ориентация (111) традиционно применяется в биполярной технологии и ряде диффузионных процессов. Угол отклонения плоскости среза от заданной кристаллографической плоскости нормируется в соответствии с требованиями заказчика или стандартов SEMI.

Геометрические параметры пластин

Стандартные диаметры и соответствующие им номинальные толщины по стандартам SEMI:

Диаметр, мм (дюймы)	Номинальная толщина, мкм
50 (2″)	280
76 (3″)	380
100 (4″)	525
150 (6″)	675
200 (8″)	725

Нестандартные толщины (утонённые для МЭМС, утолщённые для специальных применений) изготавливаются по согласованной с заказчиком спецификации. Диаметры 25 и 37,5 мм поставляются также по ТЗ. Допуск толщины (TTV — полный разброс толщины по площади пластины) для диаметров до 100 мм, как правило, не превышает 10 мкм; для 150 мм и выше нормируется в зависимости от класса пластины.

Электрофизические характеристики

Ключевой электрофизический параметр — удельное электрическое сопротивление (ρ, Ом·см), определяемое концентрацией мышьяка в кристалле. Диапазон задаётся при оформлении заказа. Измерение — четырёхзондовым методом по ГОСТ 24392.

Дополнительно по запросу нормируются:

• время жизни неосновных носителей заряда;
• плотность дислокаций (EPD);
• концентрация кислорода и углерода (для CZ-кремния — по ГОСТ 26239).

Обработка поверхности

Пластины КЭМ поставляются с несколькими вариантами обработки рабочей поверхности.

Шлифованная (lapped) поверхность — механическая обработка алмазным инструментом. Применяется как промежуточное состояние или для применений без жёстких требований к чистоте поверхности.

Химико-механически полированная (CMP) поверхность — зеркальная полировка. Шероховатость Ra < 1 нм. Стандартный вид поставки для большинства технологических применений в микро- и оптоэлектронике.

Возможна односторонняя (SSP) или двусторонняя (DSP) полировка. По требованию заказчика обратная (нерабочая) сторона пластины может быть защищена слоями SiO₂, Si₃N₄ или поликристаллического кремния.

Применение пластин кремния КЭМ

Монокристаллические пластины кремния КЭМ применяются в качестве подложек при производстве:

• дискретных полупроводниковых приборов (диоды, транзисторы, тиристоры, силовые приборы);
• интегральных микросхем;
• оптоэлектронных компонентов;
• эпитаксиальных структур на высоколегированной n-тип подложке.

Марка КЭМ выбирается в первую очередь тогда, когда необходимо сочетание низкого удельного сопротивления n-тип подложки с высокой термической стабильностью профиля легирования при последующих высокотемпературных операциях технологического маршрута.

Нормативная документация

Слитки монокристаллического кремния, из которых нарезаются пластины, соответствуют требованиям ГОСТ 19658-81. Пластины изготавливаются по отраслевым техническим условиям ЕТО.035.206ТУ, ЕТО.035.578ТУ, ЕТО.035.124ТУ или по согласованной с заказчиком спецификации. Геометрические и электрофизические параметры нормируются также по стандартам SEMI. Контроль удельного сопротивления — по ГОСТ 24392; химический состав и уровень примесей — по серии ГОСТ 26239.

Упаковка, хранение и поставка

Готовые пластины упаковываются в условиях чистых помещений в кассеты (как правило, по 25 штук) с защитной упаковкой, исключающей механические повреждения и загрязнение рабочей поверхности. Хранение — в специализированных шкафах в контролируемой среде (сухой воздух или инертный газ).

Поставка осуществляется партиями по техническому заданию заказчика. Параметры, согласуемые при оформлении заказа: диаметр, толщина, кристаллографическая ориентация, вид обработки поверхности, диапазон удельного сопротивления, метод выращивания (CZ или FZ). Поставка как стандартными партиями (кассета), так и отдельными пластинами — по договорённости.