Wafers sò a materia prima principale per a pruduzzione di circuiti integrati, dispusitivi semiconductor discreti è dispusitivi di putenza. Più di 90% di i circuiti integrati sò fatti nantu à wafers d'alta purezza è di alta qualità.
L'attrezzatura di preparazione di wafer si riferisce à u prucessu di fà materiali di silicuu policristalinu puru in materiali di siliciu unicu cristallu di un certu diametru è di lunghezza, è dopu sottumettenu i materiali di siliciu monocristalinu à una seria di trasfurmazioni meccaniche, trattamentu chimicu è altri prucessi.
Apparecchiatura chì fabrica wafers di siliciu o wafers di siliciu epitassiali chì risponde à certi requisiti di precisione geomètrica è qualità di a superficia è furnisce u sustrato di siliciu necessariu per a fabricazione di chip.
U flussu tipicu di prucessu per a preparazione di wafers di siliciu cù un diametru di menu di 200 mm hè:
Crescita di un cristallu unicu → troncatura → diametru esternu di laminazione → tagliu → smussatura → macinazione → incisione → gettering → lucidatura → pulizia → epitassi → imballaggio, ecc.
U flussu di prucessu principale per a preparazione di wafers di siliciu cù un diametru di 300 mm hè u seguitu:
Crescita di un cristallu unicu → troncatura → diametru esternu di laminazione → taglio → smussatura → rettifica di superficie → incisione → lucidatura di bordi → lucidatura doppia faccia → lucidatura unilaterale → pulizia finale → epitassi / ricottura → imballaggio, ecc.
1.Materiale di silicone
U siliciu hè un materiale semiconductor perchè hà 4 elettroni di valenza è hè in u gruppu IVA di a tavola periodica cù altri elementi.
U numaru di l'elettroni di valenza in u siliciu u mette ghjustu trà un bonu cunduttore (1 elettroni di valenza) è un insulatore (8 elettroni di valenza).
U silicuu puru ùn si trova in a natura è deve esse estratti è purificatu per rende abbastanza puri per a fabricazione. Di solitu si trova in silica (ossidu di siliciu o SiO2) è altri silicati.
Altre forme di SiO2 includenu vetru, cristalli incolori, quartz, agate è cat's eye.
U primu materiale utilizatu com'è semiconductor hè u germaniu in l'anni 1940 è à l'iniziu di l'anni 1950, ma hè statu rimpiazzatu rapidamente da u siliciu.
U siliciu hè statu sceltu cum'è u materiale semiconductor principale per quattru mutivi principali:
Abbundanza di materiali di silicone: U siliciu hè u sicondu elementu più abbundante in a Terra, cuntendu u 25% di a crosta terrestre.
U puntu di fusione più altu di u materiale di siliciu permette una tolleranza di prucessu più larga: u puntu di fusione di u siliciu à 1412 ° C hè assai più altu ch'è u puntu di fusione di u germaniu à 937 ° C. U puntu di fusione più altu permette à u siliciu di sustene i prucessi à alta temperatura.
I materiali di silicone anu un intervallu più largu di temperatura operativa;
A crescita naturale di l'ossidu di siliciu (SiO2): SiO2 hè un materiale insulante elettricu stabile di alta qualità è agisce cum'è una barriera chimica eccellente per prutege u silicuu da a contaminazione esterna. A stabilità elettrica hè impurtante per evità a fuga trà i cunduttori adiacenti in i circuiti integrati. A capacità di cultivà strati sottili stabili di materiale SiO2 hè fundamentale per a fabricazione di dispusitivi semiconductor d'ossidu di metalli (MOS-FET) d'altu rendiment. SiO2 hà proprietà meccaniche simili à u siliciu, chì permettenu u processu à alta temperatura senza una deformazione eccessiva di wafer di silicium.
2.Preparazione di wafer
I wafers di semiconductor sò tagliati da materiali semiconduttori in massa. Stu materiale semiconductor hè chjamatu bastone di cristallu, chì hè cultivatu da un grande bloccu di materiale intrinsicu policristalinu è undoped.
Trasfurmà un bloccu policristalinu in un grande cristallu unicu è dà l'orientazione curretta di u cristallu è a quantità adatta di doping di tipu N o P hè chjamatu crescita di cristalli.
I tecnulugii più cumuni per a produzzione di lingotti di siliciu di cristallo unicu per a preparazione di wafer di siliciu sò u metudu Czochralski è u metudu di fusione di zona.
2.1 Metudu Czochralski è Czochralski furnace unicu cristallu
U metudu Czochralski (CZ), cunnisciutu ancu u metudu Czochralski (CZ), si riferisce à u prucessu di cunvertisce liquidu di siliciu di qualità semiconductori fusi in lingotti di siliciu solidu monocristallinu cù l'orientazione curretta di cristalli è dopati in N-type o P- tipu.
Attualmente, più di u 85% di u siliciu di cristalli unicu hè cultivatu cù u metudu Czochralski.
Un furnace di cristallu unicu Czochralski si riferisce à un equipamentu di prucessu chì fonde materiali di polisilicuu d'alta purezza in liquidu scaldendu in un ambiente di prutezzione chjusu à vacuum altu o gas raru (o gas inerte), è poi li recristallizza per furmà materiali di siliciu monocristallinu cù certi esterni. dimensioni.
U principiu di funziunamentu di u furnace di cristallu unicu hè u prucessu fisicu di u materiale di siliciu policristalinu chì si recristalizà in materiale di siliciu di cristalli unicu in un statu liquidu.
U furnace di cristallo unicu CZ pò esse divisu in quattru parti: corpu di furnace, sistema di trasmissione meccanica, sistema di riscaldamentu è cuntrollu di temperatura, è sistema di trasmissione di gas.
U corpu di u furnace include una cavità di furnace, un assi di cristalli di sementi, un crucible di quartz, una cucchiara di doping, una coperta di cristalli di sementi è una finestra d'osservazione.
A cavità di u furnace hè di assicurà chì a temperatura in u furnace hè distribuitu uniformemente è pò dissipate u calore bè; l'arburetu di cristallu di sumente hè utilizatu per guidà u cristallu di sumente per muvimenti su è falà è rotate; l'impurità chì deve esse dopate sò posti in a cucchiara di doping;
A tappa di cristallu di sumente hè di prutege u cristallu di sumente da a contaminazione. U sistema di trasmissione meccanica hè principalmente utilizatu per cuntrullà u muvimentu di u cristallu di sumente è u crucible.
Per assicurà chì a suluzione di siliciu ùn hè micca oxidatu, u gradu di vacuum in u furnace hè necessariu esse assai altu, in generale sottu à 5 Torr, è a purità di u gasu inerte aghjuntu deve esse sopra à 99,9999%.
Un pezzu di siliciu di cristallu unicu cù l'orientazione di u cristallu desideratu hè utilizatu cum'è un cristallu di sementa per cultivà un lingote di siliciu, è u lingotti di siliciu cultivatu hè cum'è una replica di u cristallu di sumente.
E cundizioni à l'interfaccia trà u siliciu fusu è u cristallu di sementi di siliciu unicu cristalu necessitanu esse cuntrullati precisamente. Queste cundizioni assicuranu chì a capa fina di siliciu pò riplicà accuratamente a struttura di u cristallu di sementa è eventualmente cresce in un grande lingote di siliciu unicu cristalu.
2.2 Metudu di fusione di a zona è u fornu di fusione di a zona di u cristallu
U metudu di a zona di float (FZ) pruduce lingotti di siliciu di cristallu unicu cù un cuntenutu di ossigenu assai bassu. U metudu di a zona di float hè statu sviluppatu in l'anni 1950 è pò pruduce u siliciu unicu cristalu più puru finu à a data.
A zona di fusione di u fornu di cristallu unicu si riferisce à un fornu chì usa u principiu di a fusione di zona per pruduce una zona di fusione stretta in u bastone policristallino attraversu una zona chiusa stretta d'alta temperatura di u corpu di u fornu policristallino in un vacuum altu o un gasu di tubu di quartz raru. ambiente di prutezzione.
Un equipamentu di prucessu chì move una verga policristallina o un corpu di riscaldamentu di furnace per spustà a zona di fusione è gradualmente cristallizza in una sola barra di cristallo.
A caratteristica di a preparazione di bastoncini di cristalli unichi per u metudu di fusione di zona hè chì a purezza di i bastoni policristallini pò esse migliuratu in u prucessu di cristallizazione in bastoni di cristalli unichi, è a crescita di doping di i materiali di bastone hè più uniforme.
I tippi di forni di fusione di unicu cristallu di zona ponu esse divisi in dui tipi: forni di fusione di unicu cristallu di zona flottante chì si basanu nantu à a tensione di a superficia è di i forni di fusione di un cristallu di zona horizontale. In l'applicazioni pratiche, i forni di fusione di zona di cristalli unicristalli generalmente adoptanu a fusione di zona flottante.
A zona di fusione di u fornu di cristallu unicu pò preparà un siliciu di cristallu unicu di ossigenu d'alta purezza senza a necessità di un crucible. Hè principarmenti utilizatu per preparà u siliciu monocristallinu à alta resistività (> 20kΩ·cm) è purificà u siliciu di fusione di zona. Questi prudutti sò principarmenti usati in a fabricazione di dispusitivi di putere discreti.
A zona di fusione di u fornu di cristallu unicu hè custituitu da una camera di furnace, un arbre superiore è un arbre inferjuri (parte di trasmissione meccanica), un mandrinu di bastone di cristallo, un mandrinu di cristalli di sementi, una bobina di riscaldamentu (generatore d'alta frequenza), porti di gas (portu di vacuum, entrata di gas, uscita di gas superiore), etc.
In a struttura di a camera di furnace, a circulazione di l'acqua di rinfrescante hè disposta. L'estremità inferjuri di l'arburettu superiore di u fornu di cristallu unicu hè un mandrinu di bastone di cristallo, chì hè adupratu per clampà un bastone policristallino; l'estremità superiore di l'arburu inferjuri hè un chuck di cristalli di sumente, chì hè utilizatu per clampà u cristallu di sementi.
Un suministru d'energia d'alta frequenza hè furnitu à a bobina di riscaldamentu, è una zona di fusione stretta hè furmata in u bastone policristallino partendu da l'estremità inferiore. À u listessu tempu, l'assi superiori è inferiori giranu è scendenu, cusì chì a zona di fusione hè cristallizata in un cristallu unicu.
I vantaghji di a zona di fusione di u fornu di cristallu unicu sò chì ùn pò micca solu migliurà a purità di u cristallu unicu preparatu, ma ancu rende a crescita di doping di bastone più uniforme, è u bastone di cristallo unicu pò esse purificatu attraversu parechje prucessi.
I svantaghji di a zona di fusione di u fornu di cristallu unicu sò l'alti costi di prucessu è u diametru chjucu di u cristallu unicu preparatu. Attualmente, u diametru massimu di u cristallu unicu chì pò esse preparatu hè di 200 mm.
L'altezza generale di a zona di fusione di l'attrezzatura di u fornu di cristallo unicu hè relativamente alta, è a corsa di l'assi superiori è inferiori hè relativamente longa, per quessa, i bastoni di cristalli unichi più longu ponu esse cultivati.
3. Trattamentu di wafer è equipaggiu
U bastone di cristallu deve passà per una seria di prucessi per furmà un sustrato di siliciu chì risponde à i requisiti di a fabricazione di semiconduttori, vale à dì una wafer. U prucessu di basa di trasfurmazioni hè:
Tumbling, cutting, slicing, wafer annealing, chanfering, grinding, polishing, cleaning and packaging, etc.
3.1 Ricottura di wafer
In u prucessu di fabricazione di silicium polycrystalline è Czochralski siliciu, u siliciu di cristalli unicu cuntene l'ossigenu. À una certa temperatura, l'ossigenu in u siliciu unicu cristalu donarà elettroni, è l'ossigenu serà cunvertitu in donatori d'ossigenu. Questi elettroni si combinanu cù impurità in u wafer di siliciu è affettanu a resistività di u wafer di siliciu.
Furnace d'anneling: si riferisce à un furnace chì eleva a temperatura in u furnace à 1000-1200 ° C in un ambiente d'idrogenu o argon. Mantenendu caldu è rinfrescante, l'ossigenu vicinu à a superficia di u wafer di siliciu pulitu hè volatilizatu è sguassatu da a so superficia, facendu chì l'ossigenu si precipite è strattu.
L'equipaggiu di prucessu chì dissolve i micro difetti nantu à a superficia di i wafers di siliciu, riduce a quantità di impurità vicinu à a superficia di i wafers di silicium, riduce i difetti, è forma una zona relativamente pulita nantu à a superficia di wafers di silicium.
U furnace di annealing hè ancu chjamatu furnace à alta temperatura per via di a so alta temperatura. L'industria chjama ancu u prucessu di ricottura di wafer di silicium gettering.
U furnace di ricottura di wafer di silicone hè divisu in:
-Furnace di annealing horizontale;
-Fornu di recuit verticale;
- Furnace di ricottura rapida.
A principal diferenza trà un furnace d'annealing horizontale è un furnace annealing verticale hè a direzzione di u layout di a camera di reazione.
A camara di reazzione di u fornu d'annealing horizontale hè strutturata horizontalmente, è un batch of wafers di siliciu pò esse carricatu in a camera di reazzione di u furnace di annealing à u stessu tempu. U tempu d'annealing hè di solitu da 20 à 30 minuti, ma a camera di reazzione hà bisognu di un tempu di riscaldamentu più longu per ghjunghje à a temperatura necessaria da u prucessu di annealing.
U prucessu di u fornu d'annealing verticale adopta ancu u metudu di carica simultaneamente un batch di wafers di siliciu in a camera di reazzione di u furnace di annealing per u trattamentu di annealing. A camara di reazzione hà una struttura di struttura verticale, chì permette à i wafers di siliciu per esse posti in una barca di quartz in un statu horizontale.
À u listessu tempu, postu chì a barca di quartz pò rotà cum'è un sanu in a camera di reazzione, a temperatura di annealing di a camera di reazzione hè uniforme, a distribuzione di temperatura nantu à l'oblea di siliciu hè uniforme, è hà eccellenti caratteristiche di uniformità di annealing. Tuttavia, u costu di prucessu di u furnace di annealing verticale hè più altu ch'è quellu di u furnace di annealing horizontale.
U furnace d'annealing rapidu usa una lampada di tungstenu alogenu per scaldà direttamente a wafer di silicuu, chì pò ottene un riscaldamentu rapidu o rinfrescante in una larga gamma di 1 à 250 ° C / s. U ritmu di riscaldamentu o di rinfrescante hè più veloce di quellu di un furnace di annealing tradiziunale. Piglia solu uni pochi di seconde per riscalda a temperatura di a camera di reazzione à sopra à 1100 ° C.
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