Silizium-Barren

Der Anbau eines Siliziumbarrens kann von einer Woche bis zu einem ganzen Monat dauern, abhängig von vielen Faktoren wie Größe, Qualität und Spezifikationen. Mehr als 75% aller einkristallinen Siliziumwafer wachsen über die Czochralski-Methode (CZ), bei der Brocken aus polykristallinem Silizium verwendet werden. Diese Brocken werden eingeschmolzen und zusammen mit kleinen Mengen von Elementen, die Dotierstoffe genannt werden, in einen Quarztiegel gegeben, von denen die häufigsten Bor, Phosphor, Arsen und Antimon sind. Die hinzugefügten Dotierstoffe ergeben die gewünschten elektrischen Eigenschaften für den gewachsenen Block, und je nachdem, welcher Dotierstoff verwendet wird, wird der Barren zu einem Block vom Typ P oder N (Bor: Typ P; Phosphor, Antimon, Arsen: Typ N).

Die Materialien werden dann auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes von Silizium erhitzt, etwa 1420 Grad Celsius. Sobald die Kombination aus polykristallinem Silizium und Dotierstoff verflüssigt ist, wird ein einzelner Siliziumkristall, der Samen, auf der Schmelze positioniert und berührt kaum die Oberfläche. Das Saatgut hat die gleiche Kristallorientierung, die im fertigen Barren erforderlich ist. Um eine gleichmäßige Dotierung zu erreichen, werden das Saatgut und der Tiegel aus geschmolzenem Silizium in entgegengesetzte Richtungen gedreht. Sind die Bedingungen für das Kristallwachstum erfüllt, wird der Impfkristall langsam aus der Schmelze gehoben. Das Wachstum beginnt mit einem schnellen Ziehen des Impfkristalls, um die Anzahl der Kristalldefekte innerhalb des Barrens zu Beginn des Wachstumsprozesses zu minimieren. Die Zuggeschwindigkeit wird dann reduziert, damit der Durchmesser des Kristalls etwas größer als der endgültige gewünschte Durchmesser wachsen kann. Wenn der Zieldurchmesser erreicht ist, werden die Wachstumsbedingungen stabilisiert, um den Durchmesser zu erhalten. Wenn der Samen langsam über die Schmelze gehoben wird, bewirkt die Oberflächenspannung zwischen dem Samen und der Schmelze, dass ein dünner Film des Siliziums am Samen haftet und dann abkühlt. Beim Abkühlen orientieren sich die Atome im geschmolzenen Silizium an der Kristallstruktur des Samens.

Sobald der Barren ausgewachsen ist, wird er auf einen groben Durchmesser gemahlen, der etwas größer ist als der gewünschte Durchmesser des fertigen Siliziumwafers. Der Block erhält dann eine Kerbe oder flach, um seine Ausrichtung anzuzeigen, abhängig vom Waferdurchmesser, Kundenspezifikationen oder SEMI-Standards. Nach mehreren Inspektionen wird der Barren in Wafer geschnitten.