Le Silicium se caractérise par ses propriétés de semi-conducteur de type N, P ou intrinsèque ; il est utilisé majoritairement en Micro-électronique pour réaliser des dispositifs aussi variés qu’une simple diode jusqu’au microprocesseur réalisés sur un wafer de Silicium (silicon wafer).
La forme de base pour obtenir ces dispositifs est la réalisation de lingot ou barreau de Silicium (Ingot en Anglais) suivant 2 procédés de fabrication ou de tirage appelée CZ (Czochralski) ou FZ (Float Zone).
Le tirage FZ donne le cristal le plus pur, avec des taux d’oxygène et de carbone plus faible que le CZ qui reste le plus utilisé.

Caractéristiques d’un lingot de silicium

Les caractéristiques technologiques suivant 2 procédés de fabrication appelés CZ (Czochralski) ou FZ (Float Zone) :

  • Type N, P ou Intrinsèque
  • Orientation <100>, <111>, <110>…

En savoir plus sur les lingots de silicium (silicon ingots)

Le procédé général commence en plaçant dans un creuset une quantité de poudre de Silicium correspondant sensiblement au poids du monocristal à obtenir puis on ajoute le dopant suivant le type souhaité .Aucune impureté ne doit perturber la cristallisation; l’opération doit donc se dérouler dans une enceinte hermétiquement close, d’un haut degré de propreté (taux de particules), sous une atmosphère neutre ou sous vide.

Autour de l’enceinte isolante se trouve l’inducteur d’une génératrice haute fréquence qui permet de porter le mélange Si-dopeur à la température de fusion, soit 1 500 °C environ. Lorsque la fusion est totale, l’opération de cristallisation peut commencer ; à cet effet, un système mécanique de précision présente le germe monocristal au contact du bain, puis le soulève verticalement, très lentement, tout en lui imprimant une très lente rotation qui aide à l’homogénéisation. Le germe entraîne le silicium qui se trouve alors soustrait à l’action de l’induction HF ; le Si se refroidit donc et cristallise suivant l’ordonnancement fixé par le germe qui définit l’orientation.

L’opération est très délicate ; la vitesse de levage doit être constante afin de ne pas perturber la formation du cristal ; la température du bain doit être également constante. L’homogénéisation, aidée par les deux mouvements de levage et de rotation, est primordiale ; en effet, à mesure que l’opération progresse, le bain voit sa concentration en impuretés augmenter parce que ces dernières présentent plus d’affinité pour la phase liquide que pour la phase solide.

Le monocristal obtenu se présente sous la forme d’un cylindre à peu près régulier, ainsi le lingot de Silicium  peut atteindre plus d’un mètre de long son diamètre est généralement compris entre 25 et 450 mm, le plus courant pour les processeurs étant actuellement le 300 mm.

Enfin il est sectionné à ses deux extrémités : la tête, qui est très pure, servira de germe pour une opération ultérieure ; la queue qui risque de ne pas être assez pure, est rejetée. Un contrôle de l’orientation du cristal et de ses caractéristiques est pratiqué.

Suivant le type de Silicium les étapes suivantes conduisent à scier le lingot pour obtenir le ou les méplats, ou marquer le notch. Puis l’épaisseur des futurs wafers est réalisée par sciage, ils peuvent être marqués au laser et enfin polis simple ou double face(s) et nettoyés.

Le contrôle final des wafers assurent leur conformité à la norme SEMI STD et/ou spécification particulière, suivant leur grade Prime, Test, mécanique et as cut (brut  de sciage).

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