Пластини є основною сировиною для виробництва інтегральних схем, дискретних напівпровідникових приладів і силових приладів. Понад 90% інтегральних схем виготовляються на високоякісних пластинах високої чистоти.
Обладнання для приготування пластин відноситься до процесу виготовлення чистих полікристалічних кремнієвих матеріалів у кремнієві монокристалічні стрижневі матеріали певного діаметру та довжини, а потім піддавання кремнієвих монокристалічних стрижневих матеріалів серії механічної обробки, хімічної обробки та інших процесів.
Обладнання, яке виготовляє кремнієві пластини або епітаксійні кремнієві пластини, які відповідають певним вимогам щодо геометричної точності та якості поверхні, а також забезпечують необхідну кремнієву підкладку для виробництва мікросхем.
Типовий технологічний процес для приготування кремнієвих пластин діаметром менше 200 мм:
Ріст монокристалів → усікання → прокатка зовнішнього діаметра → нарізка → зняття фаски → шліфування → травлення → гетерування → полірування → очищення → епітаксія → пакування тощо.
Основний технологічний процес приготування кремнієвих пластин діаметром 300 мм виглядає наступним чином:
Ріст монокристалів → усікання → прокатка зовнішнього діаметра → нарізка → зняття фаски → шліфування поверхні → травлення → полірування країв → двостороннє полірування → одностороннє полірування → остаточне очищення → епітаксія/відпал → пакування тощо.
1.Кремнієвий матеріал
Кремній є напівпровідниковим матеріалом, оскільки він має 4 валентні електрони і входить до групи IVA періодичної таблиці разом з іншими елементами.
Кількість валентних електронів у кремнії ставить його між хорошим провідником (1 валентний електрон) і ізолятором (8 валентних електронів).
Чистий кремній не зустрічається в природі, тому його необхідно видобути й очистити, щоб зробити його достатньо чистим для виробництва. Зазвичай він міститься в кремнеземі (оксид кремнію або SiO2) та інших силікатах.
Інші форми SiO2 включають скло, безбарвний кристал, кварц, агат і котяче око.
Першим матеріалом, використаним як напівпровідник, був германій у 1940-х і на початку 1950-х років, але його швидко замінив кремній.
Кремній був обраний як основний напівпровідниковий матеріал з чотирьох основних причин:
Велика кількість кремнієвих матеріалів: Кремній є другим за поширеністю елементом на Землі, на нього припадає 25% земної кори.
Вища температура плавлення кремнієвого матеріалу забезпечує більший допуск процесу: температура плавлення кремнію при 1412°C значно вища за температуру плавлення германію при 937°C. Більш висока температура плавлення дозволяє кремнію витримувати високотемпературні процеси.
Кремнієві матеріали мають більш широкий діапазон робочих температур;
Природне зростання оксиду кремнію (SiO2): SiO2 є високоякісним, стабільним електроізоляційним матеріалом і діє як чудовий хімічний бар’єр для захисту кремнію від зовнішнього забруднення. Електрична стабільність важлива, щоб уникнути витоку між сусідніми провідниками в інтегральних схемах. Здатність вирощувати стабільні тонкі шари матеріалу SiO2 є фундаментальною для виробництва високоефективних металооксидних напівпровідникових (MOS-FET) пристроїв. SiO2 має схожі механічні властивості з кремнієм, що дозволяє обробляти при високій температурі без надмірного викривлення кремнієвої пластини.
2. Приготування вафель
Напівпровідникові пластини вирізаються з масивних напівпровідникових матеріалів. Цей напівпровідниковий матеріал називається кристалічним стрижнем, який вирощують із великого блоку полікристалічного та нелегованого власного матеріалу.
Перетворення полікристалічного блоку у великий монокристал і надання йому правильної орієнтації кристала та відповідної кількості легування N-типу або P-типу називається ростом кристала.
Найпоширенішими технологіями виготовлення зливків монокристалічного кремнію для виготовлення кремнієвих пластин є метод Чохральського та метод зонної плавки.
2.1 Метод Чохральського та монокристалічна піч Чохральського
Метод Чохральського (CZ), також відомий як метод Чохральського (CZ), відноситься до процесу перетворення рідкого розплавленого напівпровідникового кремнію в тверді монокристалічні кремнієві зливки з правильною орієнтацією кристалів і леговані в N-тип або P- типу.
В даний час більше 85% монокристалічного кремнію вирощується методом Чохральського.
Монокристалічна піч Чохральського відноситься до технологічного обладнання, яке плавить полікремнієві матеріали високої чистоти в рідину шляхом нагрівання в закритому захисному середовищі високого вакууму або рідкого газу (або інертного газу), а потім перекристалізує їх з утворенням монокристалічних кремнієвих матеріалів з певними зовнішніми розміри.
Принцип роботи монокристалічної печі — це фізичний процес перекристалізації полікристалічного кремнієвого матеріалу в монокристалічний кремнієвий матеріал у рідкому стані.
Монокристальну піч CZ можна розділити на чотири частини: корпус печі, система механічної передачі, система нагріву та контролю температури та система передачі газу.
Корпус печі включає в себе порожнину печі, вісь затравкового кристала, кварцовий тигель, легуючу ложку, кришку затравочного кристала та оглядове вікно.
Порожнина печі забезпечує рівномірний розподіл температури в печі та добре відводить тепло; вал затравочного кристала використовується для приводу затравочного кристала для переміщення вгору та вниз і обертання; домішки, які необхідно легувати, поміщають у ложку для легування;
Кришка затравкових кристалів призначена для захисту затравкових кристалів від забруднення. Механічна система передачі в основному використовується для керування рухом затравки та тигля.
Щоб гарантувати, що розчин кремнію не окислюється, ступінь вакууму в печі повинен бути дуже високим, як правило, нижче 5 торр, а чистота доданого інертного газу повинна бути вище 99,9999%.
Шматок монокристалічного кремнію з бажаною орієнтацією кристалів використовується як затравковий кристал для вирощування кремнієвого зливка, і вирощений кремнієвий злиток є схожим на точну копію затравкового кристала.
Необхідно точно контролювати умови на межі розділу між розплавленим кремнієм і монокристалом кремнію. Ці умови гарантують, що тонкий шар кремнію може точно відтворювати структуру затравкового кристала і згодом вирости у великий однокристалічний кремнієвий злиток.
2.2 Метод зонної плавки та піч для зонної плавки монокристалів
Метод флоат-зони (FZ) виробляє злитки монокристалічного кремнію з дуже низьким вмістом кисню. Метод флоат-зони був розроблений у 1950-х роках і може виробляти найчистіший на сьогодні монокристалічний кремній.
Піч для монокристалічної зонної плавки відноситься до печі, яка використовує принцип зонної плавки для створення вузької зони плавлення в полікристалічному стрижні через високотемпературну вузьку замкнуту ділянку корпусу печі з полікристалічного стрижня у високому вакуумі або рідкісному кварцовому газі. середовище захисту.
Технологічне обладнання, яке переміщує полікристалічний стрижень або нагрівальне тіло печі для переміщення зони плавлення та поступової кристалізації в монокристалічний стрижень.
Характеристика підготовки монокристалічних стрижнів методом зонного плавлення полягає в тому, що чистота полікристалічних стрижнів може бути покращена в процесі кристалізації в монокристалічні стрижні, а легування матеріалів стрижня є більш рівномірним.
Типи монокристалічних печей для зонної плавки можна розділити на два типи: печі для монокристалів із плаваючою зоною, які працюють на поверхневому натягу, і печі для монокристалів з горизонтальною зоною. У практичних застосуваннях монокристалічні печі для зонної плавки зазвичай використовують зонну плаву.
Печ для зонного плавлення монокристалів може отримувати монокристалічний кремній високої чистоти з низьким вмістом кисню без необхідності використання тигля. Він в основному використовується для приготування монокристалічного кремнію з високим питомим опором (>20 кОм·см) і очищення кремнію зонного плавлення. Ці продукти в основному використовуються у виробництві пристроїв дискретного живлення.
Піч для зонної плавки монокристалів складається з топкової камери, верхнього та нижнього валу (частина механічної передачі), патрона кристалічного стрижня, патрона затравкового кристала, нагрівальної спіралі (високочастотний генератор), газових портів (вакуумний порт, вхід газу, верхній вихід газу) тощо.
У конструкції топкової камери організована циркуляція охолоджувальної води. Нижній кінець верхньої шахти монокристалічної печі — патрон кристалічного стрижня, який використовується для затиску полікристалічного стрижня; верхній кінець нижнього валу — це патрон затравки, який використовується для затиску затравки.
На нагрівальний змійовик подається високочастотне джерело живлення, і в полікристалічному стрижні, починаючи з нижнього торця, утворюється вузька зона плавлення. При цьому верхня і нижня осі обертаються і опускаються вниз, так що зона плавлення кристалізується в монокристал.
Переваги печі для зонного плавлення монокристалів полягають у тому, що вона може не тільки підвищити чистоту підготовленого монокристалу, але й зробити ріст стрижня легуючим більш рівномірним, а монокристалічний стрижень можна очистити за допомогою кількох процесів.
Недоліками печі зонної плавки монокристалів є висока вартість процесу і малий діаметр одержуваного монокристала. В даний час максимальний діаметр монокристала, який можна отримати, становить 200 мм.
Загальна висота обладнання печі для зонної плавки монокристалів відносно висока, а хід верхньої та нижньої осей відносно довгий, тому можна вирощувати довші монокристалічні стрижні.
3. Обробка та обладнання вафель
Кристалічний стрижень повинен пройти ряд процесів, щоб сформувати кремнієву підкладку, яка відповідає вимогам виробництва напівпровідників, а саме пластину. Основний процес обробки:
Галташування, різання, нарізка, відпал пластин, зняття фаски, шліфування, полірування, очищення та пакування тощо.
3.1 Відпал пластин
У процесі виробництва полікристалічного кремнію та кремнію Чохральського монокристалічний кремній містить кисень. При певній температурі кисень в монокристалічному кремнії віддаватиме електрони, а кисень перетворюватиметься на донорів кисню. Ці електрони поєднуються з домішками в кремнієвій пластині та впливають на питомий опір кремнієвої пластини.
Піч для відпалу: відноситься до печі, яка підвищує температуру в печі до 1000-1200 °C у середовищі водню або аргону. Підтримуючи тепло та охолоджуючи, кисень біля поверхні полірованої кремнієвої пластини випаровується та видаляється з її поверхні, спричиняючи випадання кисню та шарування.
Технологічне обладнання, яке розчиняє мікродефекти на поверхні кремнієвих пластин, зменшує кількість домішок біля поверхні кремнієвих пластин, зменшує дефекти та утворює відносно чисту область на поверхні кремнієвих пластин.
Піч для відпалу також називають високотемпературною піччю через її високу температуру. Промисловість також називає процес відпалу кремнієвих пластин гетерингом.
Піч для відпалу кремнієвих пластин підрозділяється на:
- Горизонтальна піч відпалу;
-Вертикальна піч відпалу;
-Піч швидкого відпалу.
Основна відмінність між горизонтальною піччю для відпалу та вертикальною піччю для відпалу полягає в розташуванні реакційної камери.
Реакційна камера горизонтальної печі для відпалу має горизонтальну структуру, і партія кремнієвих пластин може бути завантажена в реакційну камеру печі для відпалу для відпалу одночасно. Час відпалу зазвичай становить від 20 до 30 хвилин, але реакційній камері потрібен більший час нагрівання, щоб досягти температури, необхідної для процесу відпалу.
У процесі роботи печі для вертикального відпалу також використовується метод одночасного завантаження партії кремнієвих пластин у реакційну камеру печі для відпалу для обробки відпалом. Реакційна камера має вертикальну структуру, що дозволяє розміщувати кремнієві пластини в кварцовій човні в горизонтальному стані.
У той же час, оскільки кварцовий човен може обертатися як єдине ціле в реакційній камері, температура відпалу в реакційній камері є рівномірною, розподіл температури на кремнієвій пластині є рівномірним, і вона має відмінні характеристики однорідності відпалу. Однак вартість процесу вертикальної печі для відпалу вища, ніж вартість процесу горизонтальної печі для відпалу.
У печі швидкого відпалу використовується галогенна вольфрамова лампа для безпосереднього нагрівання кремнієвої пластини, що дозволяє досягти швидкого нагріву або охолодження в широкому діапазоні від 1 до 250°C/с. Швидкість нагрівання або охолодження є вищою, ніж у традиційній печі для відпалу. Щоб нагріти температуру реакційної камери вище 1100°C, потрібно лише кілька секунд.
——————————————————————————————————————————————————— ——
Semicera може забезпечитиграфітові деталі,м'який/жорсткий фетр,деталі з карбіду кремнію, CVD деталі з карбіду кремнію, іДеталі з покриттям SiC/TaCз повним напівпровідниковим процесом за 30 днів.
Якщо ви зацікавлені у вищевказаних напівпровідникових продуктах, будь ласка, не соромтеся звертатися до нас у перший раз.
Тел.: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Час публікації: 26 серпня 2024 р