Wafer adalah bahan mentah utama untuk pengeluaran litar bersepadu, peranti semikonduktor diskret dan peranti kuasa. Lebih daripada 90% litar bersepadu dibuat pada wafer ketulenan tinggi dan berkualiti tinggi.
Peralatan penyediaan wafer merujuk kepada proses membuat bahan silikon polihablur tulen menjadi bahan rod kristal tunggal silikon dengan diameter dan panjang tertentu, dan kemudian menundukkan bahan rod kristal tunggal silikon kepada satu siri pemprosesan mekanikal, rawatan kimia dan proses lain.
Peralatan yang mengeluarkan wafer silikon atau wafer silikon epitaxial yang memenuhi ketepatan geometri tertentu dan keperluan kualiti permukaan serta menyediakan substrat silikon yang diperlukan untuk pembuatan cip.
Aliran proses biasa untuk menyediakan wafer silikon dengan diameter kurang daripada 200 mm ialah:
Pertumbuhan kristal tunggal → pemangkasan → bergolek diameter luar → menghiris → chamfering → mengisar → goresan → gettering → menggilap → pembersihan → epitaksi → pembungkusan, dsb.
Aliran proses utama untuk menyediakan wafer silikon dengan diameter 300 mm adalah seperti berikut:
Pertumbuhan kristal tunggal → pemangkasan → bergolek diameter luar → menghiris → chamfering → pengisaran permukaan → goresan → penggilap tepi → penggilap dua muka → penggilap satu sisi → pembersihan akhir → epitaksi/penyepuhlindapan → pembungkusan, dsb.
1.bahan silikon
Silikon ialah bahan semikonduktor kerana ia mempunyai 4 elektron valens dan berada dalam kumpulan IVA jadual berkala bersama unsur lain.
Bilangan elektron valens dalam silikon meletakkannya betul-betul di antara konduktor yang baik (1 elektron valens) dan penebat (8 elektron valens).
Silikon tulen tidak ditemui dalam alam semula jadi dan mesti diekstrak dan disucikan untuk menjadikannya cukup tulen untuk pembuatan. Ia biasanya terdapat dalam silika (silikon oksida atau SiO2) dan silikat lain.
Bentuk lain SiO2 termasuk kaca, kristal tidak berwarna, kuarza, batu akik dan mata kucing.
Bahan pertama yang digunakan sebagai semikonduktor adalah germanium pada tahun 1940-an dan awal 1950-an, tetapi ia dengan cepat digantikan oleh silikon.
Silikon dipilih sebagai bahan semikonduktor utama untuk empat sebab utama:
Banyaknya Bahan Silikon: Silikon ialah unsur kedua paling banyak di Bumi, menyumbang 25% daripada kerak Bumi.
Takat lebur bahan silikon yang lebih tinggi membolehkan toleransi proses yang lebih luas: takat lebur silikon pada 1412°C jauh lebih tinggi daripada takat lebur germanium pada 937°C. Takat lebur yang lebih tinggi membolehkan silikon menahan proses suhu tinggi.
Bahan silikon mempunyai julat suhu operasi yang lebih luas;
Pertumbuhan semula jadi silikon oksida (SiO2): SiO2 ialah bahan penebat elektrik yang berkualiti tinggi dan stabil dan bertindak sebagai penghalang kimia yang sangat baik untuk melindungi silikon daripada pencemaran luaran. Kestabilan elektrik adalah penting untuk mengelakkan kebocoran antara konduktor bersebelahan dalam litar bersepadu. Keupayaan untuk mengembangkan lapisan nipis bahan SiO2 yang stabil adalah asas kepada pembuatan peranti semikonduktor logam-oksida (MOS-FET) berprestasi tinggi. SiO2 mempunyai sifat mekanikal yang serupa dengan silikon, membolehkan pemprosesan suhu tinggi tanpa ledingan wafer silikon yang berlebihan.
2.Penyediaan wafer
Wafer semikonduktor dipotong daripada bahan semikonduktor pukal. Bahan semikonduktor ini dipanggil rod kristal, yang ditanam daripada blok besar polihabluran dan bahan intrinsik tidak terdop.
Mengubah blok polihablur menjadi kristal tunggal yang besar dan memberikannya orientasi kristal yang betul dan jumlah doping jenis-N atau P yang sesuai dipanggil pertumbuhan kristal.
Teknologi yang paling biasa untuk menghasilkan jongkong silikon kristal tunggal untuk penyediaan wafer silikon ialah kaedah Czochralski dan kaedah lebur zon.
2.1 Kaedah Czochralski dan relau kristal tunggal Czochralski
Kaedah Czochralski (CZ), juga dikenali sebagai kaedah Czochralski (CZ), merujuk kepada proses menukar cecair silikon gred semikonduktor cair kepada jongkong silikon kristal tunggal pepejal dengan orientasi kristal yang betul dan didopkan ke dalam jenis N atau P- menaip.
Pada masa ini, lebih daripada 85% silikon kristal tunggal ditanam menggunakan kaedah Czochralski.
Relau kristal tunggal Czochralski merujuk kepada peralatan proses yang mencairkan bahan polysilicon ketulenan tinggi kepada cecair dengan memanaskan dalam vakum tinggi tertutup atau persekitaran perlindungan gas nadir (atau gas lengai), dan kemudian mengkristalkannya semula untuk membentuk bahan silikon kristal tunggal dengan luaran tertentu. dimensi.
Prinsip kerja relau kristal tunggal ialah proses fizikal bahan silikon polihablur yang mengkristalkan semula menjadi bahan silikon kristal tunggal dalam keadaan cecair.
Relau kristal tunggal CZ boleh dibahagikan kepada empat bahagian: badan relau, sistem penghantaran mekanikal, sistem kawalan pemanasan dan suhu, dan sistem penghantaran gas.
Badan relau termasuk rongga relau, paksi kristal benih, mangkuk kuarza, sudu doping, penutup kristal benih dan tingkap pemerhatian.
Rongga relau adalah untuk memastikan bahawa suhu dalam relau diagihkan sama rata dan boleh menghilangkan haba dengan baik; aci kristal benih digunakan untuk memacu kristal benih bergerak ke atas dan ke bawah dan berputar; kekotoran yang perlu didop diletakkan di dalam sudu doping;
Penutup kristal benih adalah untuk melindungi kristal benih daripada pencemaran. Sistem penghantaran mekanikal digunakan terutamanya untuk mengawal pergerakan kristal benih dan mangkuk pijar.
Untuk memastikan bahawa larutan silikon tidak teroksida, tahap vakum dalam relau diperlukan untuk menjadi sangat tinggi, secara amnya di bawah 5 Torr, dan ketulenan gas lengai yang ditambah mestilah melebihi 99.9999%.
Sekeping silikon kristal tunggal dengan orientasi kristal yang dikehendaki digunakan sebagai kristal benih untuk menumbuhkan jongkong silikon, dan jongkong silikon yang ditanam adalah seperti replika kristal benih.
Keadaan di antara muka antara silikon cair dan kristal biji silikon kristal tunggal perlu dikawal dengan tepat. Keadaan ini memastikan bahawa lapisan nipis silikon boleh meniru struktur kristal benih dengan tepat dan akhirnya berkembang menjadi jongkong silikon kristal tunggal yang besar.
2.2 Kaedah Peleburan Zon dan Relau Kristal Tunggal Zon Lebur
Kaedah zon apungan (FZ) menghasilkan jongkong silikon kristal tunggal dengan kandungan oksigen yang sangat rendah. Kaedah zon apungan telah dibangunkan pada tahun 1950-an dan boleh menghasilkan silikon kristal tunggal yang paling tulen setakat ini.
Relau kristal tunggal zon lebur merujuk kepada relau yang menggunakan prinsip lebur zon untuk menghasilkan zon lebur sempit dalam rod polihablur melalui kawasan tertutup sempit suhu tinggi badan relau rod polihablur dalam vakum tinggi atau gas tiub kuarza yang jarang berlaku. persekitaran perlindungan.
Peralatan proses yang menggerakkan rod polihabluran atau badan pemanas relau untuk menggerakkan zon lebur dan menghablurkannya secara beransur-ansur menjadi satu batang kristal.
Ciri-ciri penyediaan rod kristal tunggal dengan kaedah lebur zon ialah ketulenan rod polihablur boleh dipertingkatkan dalam proses penghabluran menjadi rod kristal tunggal, dan pertumbuhan doping bahan rod adalah lebih seragam.
Jenis relau kristal tunggal lebur zon boleh dibahagikan kepada dua jenis: relau kristal tunggal lebur zon terapung yang bergantung pada tegangan permukaan dan relau kristal tunggal lebur zon mendatar. Dalam aplikasi praktikal, relau kristal tunggal zon lebur secara amnya menggunakan lebur zon terapung.
Relau kristal tunggal zon lebur boleh menyediakan silikon kristal tunggal rendah oksigen ketulenan tinggi tanpa memerlukan mangkuk pijar. Ia digunakan terutamanya untuk menyediakan silikon kristal tunggal berkerintangan tinggi (>20kΩ·cm) dan memurnikan silikon lebur zon. Produk ini digunakan terutamanya dalam pembuatan peranti kuasa diskret.
Relau kristal tunggal zon lebur terdiri daripada ruang relau, aci atas dan aci bawah (bahagian penghantaran mekanikal), chuck rod kristal, chuck kristal benih, gegelung pemanas (penjana frekuensi tinggi), port gas (port vakum, salur masuk gas, salur keluar gas atas), dsb.
Dalam struktur ruang relau, peredaran air penyejuk diatur. Hujung bawah aci atas relau kristal tunggal ialah chuck rod kristal, yang digunakan untuk mengapit rod polihablur; hujung atas aci bawah adalah chuck kristal benih, yang digunakan untuk mengapit kristal benih.
Bekalan kuasa frekuensi tinggi dibekalkan kepada gegelung pemanasan, dan zon lebur yang sempit terbentuk dalam rod polihabluran bermula dari hujung bawah. Pada masa yang sama, paksi atas dan bawah berputar dan menurun, supaya zon lebur terhablur menjadi kristal tunggal.
Kelebihan relau kristal tunggal zon lebur ialah ia bukan sahaja dapat meningkatkan ketulenan kristal tunggal yang disediakan, tetapi juga menjadikan pertumbuhan doping rod lebih seragam, dan rod kristal tunggal boleh disucikan melalui pelbagai proses.
Kelemahan relau kristal tunggal zon lebur adalah kos proses yang tinggi dan diameter kecil kristal tunggal yang disediakan. Pada masa ini, diameter maksimum kristal tunggal yang boleh disediakan ialah 200mm.
Ketinggian keseluruhan zon mencairkan peralatan relau kristal tunggal agak tinggi, dan lejang paksi atas dan bawah agak panjang, jadi rod kristal tunggal yang lebih panjang boleh ditanam.
3. Pemprosesan wafer dan peralatan
Rod kristal perlu melalui beberapa siri proses untuk membentuk substrat silikon yang memenuhi keperluan pembuatan semikonduktor, iaitu wafer. Proses asas pemprosesan adalah:
Menggulung, memotong, menghiris, penyepuhlindapan wafer, chamfering, mengisar, menggilap, pembersihan dan pembungkusan, dsb.
3.1 Penyepuhlindapan Wafer
Dalam proses pembuatan silikon polihabluran dan silikon Czochralski, silikon kristal tunggal mengandungi oksigen. Pada suhu tertentu, oksigen dalam silikon kristal tunggal akan menderma elektron, dan oksigen akan ditukar menjadi penderma oksigen. Elektron ini akan bergabung dengan kekotoran dalam wafer silikon dan menjejaskan kerintangan wafer silikon.
Relau penyepuhlindapan: merujuk kepada relau yang menaikkan suhu dalam relau kepada 1000-1200°C dalam persekitaran hidrogen atau argon. Dengan memanaskan dan menyejukkan, oksigen berhampiran permukaan wafer silikon yang digilap meruap dan dikeluarkan dari permukaannya, menyebabkan oksigen memendakan dan berlapis.
Memproses peralatan yang melarutkan kecacatan mikro pada permukaan wafer silikon, mengurangkan jumlah kekotoran berhampiran permukaan wafer silikon, mengurangkan kecacatan, dan membentuk kawasan yang agak bersih pada permukaan wafer silikon.
Relau penyepuhlindapan juga dipanggil relau suhu tinggi kerana suhunya yang tinggi. Industri ini juga memanggil proses penyepuhlindapan wafer silikon mendapatkan.
Relau penyepuhlindapan wafer silikon dibahagikan kepada:
-Relau penyepuhlindapan mendatar;
-Relau penyepuhlindapan menegak;
-Relau penyepuhlindapan pantas.
Perbezaan utama antara relau penyepuhlindapan mendatar dan relau penyepuhlindapan menegak ialah arah susun atur ruang tindak balas.
Ruang tindak balas relau penyepuhlindapan mendatar berstruktur secara mendatar, dan sekumpulan wafer silikon boleh dimuatkan ke dalam ruang tindak balas relau penyepuhlindapan untuk penyepuhlindapan pada masa yang sama. Masa penyepuhlindapan biasanya 20 hingga 30 minit, tetapi ruang tindak balas memerlukan masa pemanasan yang lebih lama untuk mencapai suhu yang diperlukan oleh proses penyepuhlindapan.
Proses relau penyepuhlindapan menegak juga menggunakan kaedah memuatkan sekumpulan wafer silikon secara serentak ke dalam ruang tindak balas relau penyepuhlindapan untuk rawatan penyepuhlindapan. Ruang tindak balas mempunyai susun atur struktur menegak, yang membolehkan wafer silikon diletakkan di dalam bot kuarza dalam keadaan mendatar.
Pada masa yang sama, kerana bot kuarza boleh berputar secara keseluruhan dalam ruang tindak balas, suhu penyepuhlindapan ruang tindak balas adalah seragam, taburan suhu pada wafer silikon adalah seragam, dan ia mempunyai ciri-ciri keseragaman penyepuhlindapan yang sangat baik. Walau bagaimanapun, kos proses relau penyepuhlindapan menegak adalah lebih tinggi daripada relau penyepuhlindapan mendatar.
Relau penyepuhlindapan pantas menggunakan lampu tungsten halogen untuk memanaskan terus wafer silikon, yang boleh mencapai pemanasan atau penyejukan pantas dalam julat luas 1 hingga 250°C/s. Kadar pemanasan atau penyejukan adalah lebih cepat daripada relau penyepuhlindapan tradisional. Ia hanya mengambil masa beberapa saat untuk memanaskan suhu ruang tindak balas kepada melebihi 1100°C.
————————————————————————————————————————————————— ——
Semicera boleh sediakanbahagian grafit,terasa lembut/tegar,bahagian silikon karbida, Bahagian silikon karbida CVD, danBahagian bersalut SiC/TaCdengan proses semikonduktor penuh dalam 30 hari.
Jika anda berminat dengan produk semikonduktor di atas, sila jangan teragak-agak untuk menghubungi kami pada kali pertama.
Tel: +86-13373889683
WhatsApp: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Masa siaran: Ogos-26-2024