Wafers är de viktigaste råvarorna för produktion av integrerade kretsar, diskreta halvledarenheter och kraftenheter. Mer än 90 % av de integrerade kretsarna är gjorda på wafers av hög renhet och hög kvalitet.
Utrustning för beredning av skivor hänvisar till processen att göra rena polykristallina kiselmaterial till kiselenkristallstavmaterial med en viss diameter och längd, och sedan utsätta kiselenkristallstavmaterialen för en serie mekanisk bearbetning, kemisk behandling och andra processer.
Utrustning som tillverkar kiselskivor eller epitaxiella kiselskivor som uppfyller vissa krav på geometrisk noggrannhet och ytkvalitet och tillhandahåller det erforderliga kiselsubstratet för chiptillverkning.
Det typiska processflödet för framställning av kiselwafers med en diameter på mindre än 200 mm är:
Enkristalltillväxt → trunkering → ytterdiameter valsning → skivning → fasning → slipning → etsning → gettering → polering → rengöring → epitaxi → förpackning, etc.
Huvudprocessen för att förbereda kiselskivor med en diameter på 300 mm är som följer:
Enkristalltillväxt → trunkering → ytterdiameter valsning → skivning → fasning → ytslipning → etsning → kantpolering → dubbelsidig polering → enkelsidig polering → slutrengöring → epitaxi/glödgning → förpackning osv.
1. Silikonmaterial
Kisel är ett halvledarmaterial eftersom det har 4 valenselektroner och är i grupp IVA i det periodiska systemet tillsammans med andra element.
Antalet valenselektroner i kisel placerar det mitt emellan en bra ledare (1 valenselektron) och en isolator (8 valenselektroner).
Rent kisel finns inte i naturen och måste extraheras och renas för att göra det tillräckligt rent för tillverkning. Det finns vanligtvis i kiseldioxid (kiseloxid eller SiO2) och andra silikater.
Andra former av SiO2 inkluderar glas, färglös kristall, kvarts, agat och kattöga.
Det första materialet som användes som halvledare var germanium på 1940-talet och början av 1950-talet, men det ersattes snabbt av kisel.
Kisel valdes som det huvudsakliga halvledarmaterialet av fyra huvudskäl:
Överflöd av silikonmaterial: Kisel är det näst vanligaste grundämnet på jorden och står för 25 % av jordskorpan.
Den högre smältpunkten för kiselmaterial tillåter en bredare processtolerans: smältpunkten för kisel vid 1412°C är mycket högre än smältpunkten för germanium vid 937°C. Den högre smältpunkten gör att kisel tål höga temperaturer.
Kiselmaterial har ett bredare driftstemperaturområde;
Naturlig tillväxt av kiseloxid (SiO2): SiO2 är ett högkvalitativt, stabilt elektriskt isoleringsmaterial och fungerar som en utmärkt kemisk barriär för att skydda kisel från extern förorening. Elektrisk stabilitet är viktig för att undvika läckage mellan intilliggande ledare i integrerade kretsar. Förmågan att odla stabila tunna lager av SiO2-material är grundläggande för tillverkningen av högpresterande metalloxid-halvledarenheter (MOS-FET). SiO2 har liknande mekaniska egenskaper som kisel, vilket möjliggör bearbetning vid hög temperatur utan överdriven skevhet av kiselskivan.
2. Förberedelse av wafer
Halvledarskivor skärs från bulkhalvledarmaterial. Detta halvledarmaterial kallas en kristallstav, som odlas från ett stort block av polykristallint och odopat inre material.
Att omvandla ett polykristallint block till en stor enkristall och ge det rätt kristallorientering och lämplig mängd N- eller P-typ dopning kallas kristalltillväxt.
De vanligaste teknikerna för framställning av enkristallkiselgöt för beredning av kiselskivor är Czochralski-metoden och zonsmältningsmetoden.
2.1 Czochralski-metoden och Czochralski enkristallugn
Czochralski (CZ)-metoden, även känd som Czochralski-metoden (CZ), hänvisar till processen att omvandla smält kiselvätska av halvledarkvalitet till fasta enkristallkiselgöt med rätt kristallorientering och dopade till N-typ eller P- typ.
För närvarande odlas mer än 85 % av enkristallkisel med Czochralski-metoden.
En Czochralski enkristallugn hänvisar till en processutrustning som smälter högrent polykiselmaterial till vätska genom att värma i en sluten högvakuum eller ädelgas (eller inert gas) skyddsmiljö, och sedan omkristalliserar dem för att bilda enkristall kiselmaterial med vissa externa mått.
Arbetsprincipen för enkristallugnen är den fysiska processen för polykristallint kiselmaterial som omkristalliseras till enkristallint kiselmaterial i flytande tillstånd.
CZ enkristallugnen kan delas in i fyra delar: ugnskropp, mekaniskt transmissionssystem, värme- och temperaturkontrollsystem och gasöverföringssystem.
Ugnskroppen inkluderar en ugnskavitet, en frökristallaxel, en kvartsdegel, en dopningssked, ett frökristalllock och ett observationsfönster.
Ugnskaviteten ska säkerställa att temperaturen i ugnen är jämnt fördelad och kan avleda värme väl; frökristallaxeln används för att driva frökristallen att röra sig upp och ner och rotera; de föroreningar som behöver dopas placeras i dopningsskeden;
Frökristallskyddet är till för att skydda frökristallen från kontaminering. Det mekaniska transmissionssystemet används huvudsakligen för att styra frökristallens och degelns rörelse.
För att säkerställa att kisellösningen inte oxideras måste vakuumgraden i ugnen vara mycket hög, vanligtvis under 5 Torr, och renheten hos den tillsatta inerta gasen måste vara över 99,9999 %.
En bit enkristallkisel med önskad kristallorientering används som frökristall för att odla ett kiselgöt, och det odlade kiselgötet är som en kopia av frökristallen.
Förhållandena vid gränsytan mellan det smälta kislet och den enkristalliserade kiselgroddkristallen måste kontrolleras exakt. Dessa förhållanden säkerställer att det tunna lagret av kisel exakt kan replikera strukturen hos frökristallen och så småningom växa till ett stort enkristallkiselgöt.
2.2 Zonsmältningsmetod och zonsmältningsugn med en kristall
Float zone-metoden (FZ) producerar enkristallkiselgöt med mycket låg syrehalt. Float zone-metoden utvecklades på 1950-talet och kan producera det renaste enkristallkiselet hittills.
Den zonsmältande enkristallugnen hänvisar till en ugn som använder principen för zonsmältning för att producera en smal smältzon i den polykristallina staven genom ett högtemperatursnävt slutet område av den polykristallina stavugnskroppen i ett högvakuum eller sällsynt kvartsrörgas skyddsmiljö.
En processutrustning som flyttar en polykristallin stav eller en ugnsuppvärmningskropp för att flytta smältzonen och gradvis kristallisera den till en enda kristallstav.
Kännetecknet för att framställa enkristallstavar med zonsmältningsmetod är att renheten hos polykristallina stavar kan förbättras i processen för kristallisering till enkristallstavar, och dopningstillväxten av stavmaterial är mer enhetlig.
Typerna av zonsmältande enkristallugnar kan delas in i två typer: flytande zonsmältande enkristallugnar som är beroende av ytspänning och horisontella zonsmältande enkristallugnar. I praktiska tillämpningar använder zonsmältande enkristallugnar i allmänhet flytande zonsmältning.
Den zonsmältande enkristallugnen kan framställa enkristallkisel med hög renhet och låg syrehalt utan behov av en degel. Det används huvudsakligen för att framställa enkristallkisel med hög resistivitet (>20kΩ·cm) och rena zonsmältande kisel. Dessa produkter används huvudsakligen vid tillverkning av diskreta kraftenheter.
Den zonsmältande enkristallugnen består av en ugnskammare, en övre axel och en nedre axel (mekanisk transmissionsdel), en kristallstångschuck, en frökristallchuck, en värmeslinga (högfrekvensgenerator), gasportar (vakuumport, gasinlopp, övre gasutlopp), etc.
I ugnskammarstrukturen är kylvattencirkulation anordnad. Den nedre änden av den övre axeln av enkristallugnen är en kristallstångschuck, som används för att klämma fast en polykristallin stång; den övre änden av det nedre skaftet är en frökristallchuck, som används för att klämma fast frökristallen.
En högfrekvent strömförsörjning tillförs värmeslingan och en smal smältzon bildas i den polykristallina staven med början från den nedre änden. Samtidigt roterar och sjunker de övre och nedre axlarna, så att smältzonen kristalliseras till en enda kristall.
Fördelarna med den zonsmältande enkristallugnen är att den inte bara kan förbättra renheten hos den beredda enkristallen, utan också göra stavdopningstillväxten mer enhetlig, och enkristallstaven kan renas genom flera processer.
Nackdelarna med den zonsmältande enkristallugnen är höga processkostnader och liten diameter hos den framställda enkristallen. För närvarande är den maximala diametern på enkristallen som kan förberedas 200 mm.
Den totala höjden på zonsmältningsugnsutrustningen med en kristall är relativt hög, och de övre och nedre axlarnas slaglängd är relativt lång, så längre enkristallstavar kan odlas.
3. Waferbearbetning och utrustning
Kristallstaven måste genomgå en serie processer för att bilda ett kiselsubstrat som uppfyller kraven för halvledartillverkning, nämligen en wafer. Den grundläggande processen för bearbetning är:
Tumling, skärning, skivning, waferglödgning, fasning, slipning, polering, rengöring och förpackning, etc.
3.1 Wafer-glödgning
I processen för tillverkning av polykristallint kisel och Czochralski-kisel innehåller enkristallkisel syre. Vid en viss temperatur kommer syret i enkristallkislet att donera elektroner, och syret kommer att omvandlas till syredonatorer. Dessa elektroner kommer att kombineras med föroreningar i kiselskivan och påverka resistiviteten hos kiselskivan.
Glödgningsugn: avser en ugn som höjer temperaturen i ugnen till 1000-1200°C i en väte- eller argonmiljö. Genom att hålla varmt och svalna förflyktigas syret nära ytan av den polerade kiselskivan och avlägsnas från dess yta, vilket får syret att fällas ut och skiktas.
Processutrustning som löser upp mikrodefekter på kiselskivornas yta, minskar mängden föroreningar nära kiselskivornas yta, reducerar defekter och bildar ett relativt rent område på kiselskivornas yta.
Glödgningsugnen kallas också en högtemperaturugn på grund av dess höga temperatur. Industrin kallar också kiselwafer-glödgningsprocessen för gettering.
Silikonwaferglödgningsugn är indelad i:
- Horisontell glödgningsugn;
-Vertikal glödgningsugn;
- Snabb glödgningsugn.
Huvudskillnaden mellan en horisontell glödgningsugn och en vertikal glödgningsugn är layoutriktningen för reaktionskammaren.
Reaktionskammaren i den horisontella glödgningsugnen är horisontellt strukturerad, och en sats av kiselskivor kan laddas i reaktionskammaren i glödgningsugnen för glödgning samtidigt. Glödgningstiden är vanligtvis 20 till 30 minuter, men reaktionskammaren behöver en längre upphettningstid för att nå den temperatur som krävs av glödgningsprocessen.
Processen för den vertikala glödgningsugnen använder också metoden att samtidigt ladda en sats kiselskivor i reaktionskammaren i glödgningsugnen för glödgningsbehandling. Reaktionskammaren har en vertikal strukturlayout, vilket gör att kiselskivorna kan placeras i en kvartsbåt i horisontellt tillstånd.
Samtidigt, eftersom kvartsbåten kan rotera som en helhet i reaktionskammaren, är glödgningstemperaturen i reaktionskammaren enhetlig, temperaturfördelningen på kiselskivan är enhetlig och den har utmärkta glödgningslikformighetsegenskaper. Emellertid är processkostnaden för den vertikala glödgningsugnen högre än den för den horisontella glödgningsugnen.
Snabbglödgningsugnen använder en volframhalogenlampa för att direkt värma kiselskivan, vilket kan uppnå snabb uppvärmning eller kylning inom ett brett område av 1 till 250°C/s. Uppvärmnings- eller kylningshastigheten är snabbare än för en traditionell glödgningsugn. Det tar bara några sekunder att värma reaktionskammarens temperatur till över 1100°C.
————————————————————————————————————————————————— ——
Semicera kan tillhandahållagrafitdelar,mjuk/styv filt,delar av kiselkarbid, CVD kiselkarbiddelar, ochSiC/TaC-belagda delarmed full halvledarprocess på 30 dagar.
Om du är intresserad av ovanstående halvledarprodukter, tveka inte att kontakta oss vid första gången.
Tel: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Posttid: 2024-august