Semiconductor Production : From sand to electronic components

Abstract

This bachelor’s thesis aims to describe the production of semiconductor components from the beginning to a ready-to-be-packaged wafer. So, it is aimed to answer these questions: What are semiconductors, and why are they the main material used in the electronic industry? Which semiconductor element is the most used one? Through what reactions must be they gone through until they are ready for use? The work starts by describing the semiconductor’s properties and comparing those with insulators and conductors. The manufacture of semiconductors is studied, starting with materials found in nature and continuing to chemical reactions that turn them into semiconductor wafers. Because of this, chemical compounds and reactions related to the topic have also been discussed in the work. This thesis tries to deal with different processes and subjects at a suitable level for a bachelor’s thesis, so it is possible to write independent works from many subjects introduced and explained here. Among different types of materials, semiconductors are best fitted for electronic technology. This is mainly because of their conductivity which can be controlled using different methods such as doping. The most frequently used element in the semiconductor industry is silicon. The silicon-containing materials must have a very well-organized crystalline structure, namely a single-crystal structure, that can survive the functionalities required in electronic components. For fabricating single-crystal silicon, many chemical and physical reactions are needed. The action of creating a single-crystalline structure is called crystal growth. Crystal growth has many different ways and methods, but in this work, just two of the most important methods are introduced – Czochralski- and the float-zone methods. The result of the crystal growth is an ingot that should be sliced and polished into wafers. These processes are included in the wafer processing step. When the wafer processing is done, the very glossy look wafer must undergo semiconductor manufacturing steps too. The first step is oxidation by which the wafer’s surface gets oxidized, hence having an insulator layer on the wafer. The insulator layer is necessary for electronic components such as MOSFETs. After that in the photolithography and etching step, the circuit patterns are conveyed to the oxidized wafer. The wafer is then doped utilizing different doping methods such as diffusion and ion implantation. Finally, the wafer is inspected for any failures to avoid any problems in the electronic devices built on these components. The wafer is then ready to be packaged.

Tämän opinnäytetyön tavoitteena on kuvata puolijohdekomponenttien valmistusta alusta valmiiksi pakattavaan kiekkoon. Työn tutkimuskysymykset ovat seuraavat: Mitä puolijohteet ovat ja miksi ne ovat elektroniikkateollisuuden tärkein materiaali? Mikä puolijohde-elementti on eniten käytetty? Mitä reaktioita puolijohteiden täytyy käydä läpi ennen kuin ne ovat käyttövalmiita? Työ alkaa kuvailemalla puolijohteiden ominaisuuksia ja vertaamalla niitä eristimiin ja johtimiin. Puolijohteiden valmistusta tutkitaan alkaen luonnosta löytyvistä materiaaleista ja jatketaan kemiallisiin reaktioihin, jotka muuttavat niitä puolijohdekiekoiksi. Tämän takia työssä on käsitelty myös aiheeseen liittyviä kemiallisia yhdisteitä ja reaktioita. Tässä opinnäytetyössä käsiteltiin erilaisia prosesseja ja aiheita kandidaatintyölle sopivalla tasolla, joten monista tässä esitellyistä ja selitetyistä aiheista on mahdollista kirjoittaa itsenäisiä töitä. Puolijohteet sopivat parhaiten elektroniikkateknologiaan. Tämä johtuu pääsääntöisesti niiden johtavuudesta, jota voidaan säätää erilaisilla menetelmillä, kuten douppauksella. Teollisuudessa eniten käytetty puolijohde on pii. Piitä sisältävillä materiaaleilla tulee olla erittäin hyvin järjestetty kiderakenne, nimittäin yksikiderakenne, joka vaikuttaa tarpeelliselta niin, että elektroniikkakomponentit toimivat hyvin. Yksikiteisen piin valmistukseen tarvitaan monia kemiallisia ja fysikaalisia reaktioita. Yksikiteisen rakenteen luomista kutsutaan kiteen kasvuksi. Kiteen kasvattamiseen on monia erilaisia tapoja ja menetelmiä, mutta tässä työssä esitellään vain kahta tärkeintä menetelmää – Czochralski- ja float-zone-menetelmiä. Kiteen kasvun tuloksena on harkko, joka tulisi viipaloida ja kiillottaa kiekoiksi. Nämä prosessit sisältyvät kiekkojen käsittelyvaiheeseen. Kun kiekkojen käsittely on tehty, erittäin kiiltävälle kiekolle on myös suoritettava puolijohteiden valmistusvaiheet. Ensimmäinen vaihe on hapetus, jossa kiekon pinta hapettuu, jolloin saadaan muodostettua eristekerroksen kiekon päälle. Eristyskerros on välttämätön elektronisille komponenteille, kuten MOSFETeille. Tämän jälkeen fotolitografia- ja syövytysvaiheessa piirikuvioita välitetään hapettuneelle kiekolle. Sitten kiekko doupataan käyttämällä erilaisia douppaus-menetelmiä, kuten diffuusiota ja ioni-istutusta. Lopuksi se tarkastetaan mahdollisten vikojen varalta, jotta vältetään ongelmia elektronisissa laitteissa, jotka rakennetaan näillä komponenteilla. Tämän jälkeen kiekko on valmis pakattavaksi.