Вафля (электроника)

Вверху: полированные силиконовые пластины диаметром 12 дюймов и 6 дюймов. Их кристаллографическая ориентация отмечена насечками и плоскими срезами (слева). Микросхемы СБИС, изготовленные на 12-дюймовой (300 мм) силиконовой пластине, до нарезки кубиками и упаковки (справа). Внизу: солнечные пластины на конвейере (слева) и готовые солнечные пластины (справа)

В электронике , A пластины (также называемый срезом или субстрат ) ^[1] представляет собой тонкий срез полупроводника , такие как кристаллический кремний (с-Si), используемый для изготовления из интегральных схем и, в фотоэлектрических , для производства солнечных батарей . Пластина служит подложкой для микроэлектронных устройств, встроенных в пластину и на ней. Он проходит множество процессов микротехнологии , таких как легирование , ионная имплантация , травление., тонкопленочное напыление различных материалов и фотолитографическое нанесение рисунков. Наконец, отдельные микросхемы разделяются нарезкой пластин и упаковываются в виде интегральной схемы.

История [ править ]

Этот раздел нуждается в расширении . Вы можете помочь, добавив к нему . ( Январь 2015 г. )

В полупроводниковой промышленности термин пластина появился в 1950-х годах для описания тонкого круглого среза полупроводникового материала, обычно германия или кремния. Круглая форма получается из монокристаллических слитков, которые обычно производятся с использованием процесса Чохральского . Кремниевые пластины были впервые представлены в 1940-х годах. ^{[2] [3]}

В 1950-х годах Мохамед Аталла исследовал поверхностные свойства кремниевых полупроводников в Bell Labs , где он применил новый метод изготовления полупроводниковых устройств , покрывая кремниевую пластину изолирующим слоем оксида кремния , чтобы электричество могло надежно проникать в проводящий кремний. ниже, преодоление поверхностных состояний, которые не позволяли электричеству достигать полупроводникового слоя. Это известно как пассивация поверхности , метод, который позже стал критически важным для полупроводниковой промышленности, поскольку сделал возможным массовое производство кремниевых интегральных схем (ИС). ^{[4][5] [6]} Метод пассивации поверхности был представлен Аталлой в 1957 г. ^[7] и позже стал основой для процесса металл-оксид-полупроводник (МОП), изобретенного Аталлой и Давоном Кангом в 1959 г. ^[4]

К 1960 году кремниевые пластины производились в США такими компаниями, как MEMC / SunEdison . В 1965 году американские инженеры Эрик О. Эрнст, Дональд Дж. Херд и Джерард Сили, работая в IBM , подали патент US 3423629A ^[8] на первый эпитаксиальный аппарат большой емкости .

Кремниевые пластины производятся такими компаниями, как Sumco , Shin-Etsu Chemical , ^[9] Hemlock Semiconductor Corporation и Siltronic .

Формирование [ править ]

Пластины изготовлены из высокочистого, ^[10] почти бездефектного монокристаллического материала с чистотой 99,9999999% ( 9N ) или выше. ^[11] Один из способов формирования кристаллических пластин известен как рост Чохральского, изобретенный польским химиком Яном Чохральским . В этом процессе цилиндрический слиток монокристаллического полупроводника высокой чистоты, такого как кремний или германий , называемый булей , формируется путем вытягивания затравочного кристалла из расплава . ^{[12] [13]} Донорные примесные атомы, такие как бор илифосфор в случае кремния, может быть добавлен к расплавленному собственному материалу в точных количествах для того , чтобы Dope кристалла, тем самым изменяя его в примесный полупроводник из п-типа или р-типа .

Затем були нарезают пластинчатой ​​пилой (разновидность проволочной пилы ) и полируют, чтобы сформировать вафли. ^[14] Размер пластин для фотовольтаики составляет 100–200 мм в квадрате, а толщина составляет 100–500 мкм. ^{[15] В} электронике используются пластины диаметром 100–450 мм. Самые большие изготовленные пластины имеют диаметр 450 мм ^[16], но пока еще не используются.

Очистка, текстурирование и травление [ править ]

Вафли очищаются слабыми кислотами для удаления нежелательных частиц или ремонта повреждений, нанесенных в процессе распиловки. Существует несколько стандартных процедур очистки, чтобы убедиться, что поверхность кремниевой пластины не содержит загрязнений. Один из самых эффективных методов - очистка RCA . При использовании в солнечных элементах пластины текстурированы для создания шероховатой поверхности и повышения их эффективности. Образовавшийся PSG ( фосфосиликатное стекло ) удаляется с края пластины при травлении . ^[17]

Свойства вафли [ править ]

Стандартные размеры пластин [ править ]

Кремний [ править ]

Кремниевые пластины доступны в различных диаметрах от 25,4 мм (1 дюйм) до 300 мм (11,8 дюйма). ^{[18] [19]} Заводы по производству полупроводников , в просторечии известные как фабрики , определяются диаметром пластин, для производства которых они приспособлены. Диаметр постепенно увеличивался для повышения пропускной способности и снижения стоимости с учетом нынешней современной фабрики, использующей 300 мм , с предложением принять 450 мм . ^{[20] [21]} Intel , TSMC и Samsung отдельно проводили исследования по созданию 450-миллиметровых « прототипов » (исследовательских) фабрик., хотя серьезные препятствия остаются. ^{[ необходима цитата ]}

Пластины, выращенные с использованием материалов, отличных от кремния, будут иметь толщину, отличную от кремниевой пластины того же диаметра. Толщина пластины определяется механической прочностью используемого материала; пластина должна быть достаточно толстой, чтобы выдерживать собственный вес и не трескаться во время работы. Приведенные в таблице значения толщины относятся к тому моменту, когда этот процесс был введен, и в настоящее время не обязательно являются правильными, например, процесс IBM BiCMOS7WL составляет 8 пластин, но они имеют толщину всего 200 мкм. Вес пластины увеличивается вместе с ее толщиной и диаметром. ^{[ необходима цитата ]}

Историческое увеличение размера пластины [ править ]

Этап изготовления единичной пластины , такой как стадия травления, может производить больше чипов, пропорциональных увеличению площади пластины, в то время как стоимость стадии изготовления единичной пластины увеличивается медленнее, чем площадь пластины. Это была основа стоимости для увеличения размера пластины. Переход на пластины диаметром 300 мм из пластин диаметром 200 мм всерьез начался в 2000 году и снизил цену за кристалл примерно на 30-40%. ^[25] Пластины большего диаметра позволяют устанавливать больше кристаллов на пластину.

Фотоэлектрические [ править ]

Размер пластины M1 (156,75 мм) находится в процессе поэтапного отказа в Китае с 2020 года. Возник ряд нестандартных размеров, поэтому усилия по производству стандарта M10 (182 мм) продолжаются. Как и двоюродный брат полупроводников, снижение затрат является основной движущей силой, несмотря на то, что требования к чистоте совершенно другие.

Предлагаемый переход 450 мм [ править ]

Несмотря на возможное повышение производительности, переход на 450 мм вызывает значительное сопротивление из-за недостаточной окупаемости инвестиций. ^[25] Также существуют проблемы, связанные с увеличенным разбросом между кристаллами / от края к краю пластины и дополнительными краевыми дефектами. Ожидается, что пластины диаметром 450 мм будут стоить в 4 раза больше, чем пластины 300 мм, а стоимость оборудования, как ожидается, вырастет на 20-50%. ^[26] Более дорогое оборудование для производства полупроводников для больших пластин увеличивает стоимость фабрик диаметром 450 мм (производственные мощности или фабрики по производству полупроводников). Литограф Крис Макв 2012 г. заявили, что общая цена за кристалл для пластин диаметром 450 мм будет снижена всего на 10–20% по сравнению с пластинами диаметром 300 мм, поскольку более 50% общих затрат на обработку пластин связаны с литографией. Переход на более крупные пластины 450 мм снизит цену за кристалл только для технологических операций, таких как травление, когда стоимость зависит от количества пластин, а не от площади пластины. Стоимость таких процессов, как литография, пропорциональна площади пластины, и пластины большего размера не уменьшат вклад литографии в стоимость кристалла. ^[27] Nikon планировал поставить 450-миллиметровое литографическое оборудование в 2015 году, а массовое производство - в 2017. ^{[28] [29]} В ноябре 2013 года ASML приостановила разработку 450-миллиметрового литографического оборудования, сославшись на неопределенность сроков спроса со стороны производителей микросхем. ^[30]

Сроки для 450 мм не зафиксированы. В 2012 году ожидалось, что производство 450 мм начнется в 2017 году, что так и не было реализовано. ^{[31] [32]} Марк Дуркан, тогдашний генеральный директор Micron Technology , заявил в феврале 2014 года, что он ожидает, что внедрение 450 мм будет отложено на неопределенный срок или будет прекращено. «Я не уверен, что 450 мм когда-либо появится, но в той мере, в какой это произойдет, это долгий путь в будущее. У Micron нет особой необходимости, по крайней мере, в ближайшие пять лет, тратить много денег на 450 мм. Чтобы это произошло, необходимо сделать большие инвестиции в сообщество оборудования. И ценность в конечном итоге - чтобы клиенты покупали это оборудование - я считаю сомнительной ». ^[33]По состоянию на март 2014 года корпорация Intel ожидала развертывания 450 мм к 2020 году (к концу этого десятилетия). ^[34] Марк Лапедус из semiengineering.com сообщил в середине 2014 года, что производители микросхем отложили переход на 450 мм «на обозримое будущее». Согласно этому отчету, некоторые наблюдатели ожидали с 2018 по 2020 год, в то время как Дж. Дэн Хатчесон, исполнительный директор VLSI Research, не видел, чтобы 450-миллиметровые фабрики поступали в производство до 2020-2025 годов ^[35]

Шаг до 300 мм потребовал серьезных изменений: полностью автоматизированные фабрики, использующие пластины 300 мм, по сравнению с едва автоматизированными заводами для пластин 200 мм, отчасти потому, что FOUP для пластин 300 мм весит около 7,5 кг ^[36] при загрузке 25 пластин 300 мм. где SMIF весит около 4,8 кг ^{[37] [38] [22]} при загрузке пластин размером 25 200 мм, что требует от заводских рабочих вдвое большей физической силы и увеличивает утомляемость. У 300-мм FOUP есть ручки, так что их все еще можно перемещать вручную. 450-миллиметровые FOUP весят 45 килограммов ^[39] при загрузке 25 пластин 450 мм, поэтому для ручной работы с FOUP необходимы краны ^[40]и дескрипторы больше не присутствуют в FOUP. FOUPs перемещаются с использованием материалов системы обработки из Muratec или Daifuku . Эти крупные инвестиции были предприняты во время экономического спада, последовавшего за пузырем доткомов , что привело к огромному сопротивлению модернизации до 450 мм к первоначальным срокам. На подъеме до 450 мм кристаллические слитки будут в 3 раза тяжелее (общий вес метрической тонны), охлаждение потребуется в 2–4 раза больше, а время обработки увеличится в два раза. ^[41] В общем, разработка пластин диаметром 450 мм требует значительных инженерных, временных и финансовых затрат.

Аналитическая оценка количества кубиков [ править ]

Чтобы свести к минимуму стоимость кристалла , производители хотят максимизировать количество штампов, которые могут быть изготовлены из одной пластины; фильеры всегда имеют квадратную или прямоугольную форму из-за ограничений нарезки пластин . В общем, это сложная в вычислительном отношении задача без аналитического решения, зависящая как от площади штампов, так и от их соотношения сторон (квадратное или прямоугольное) и других факторов, таких как ширина линии разметки или полосы пилы, а также дополнительное пространство. занят юстировочными и тестовыми структурами. Обратите внимание, что формулы брутто DPW учитывают только потерянную площадь пластины, поскольку ее нельзя использовать для изготовления физически законченных штампов; брутто-расчеты DPW неучитывать потери урожая из-за дефектов или параметрических проблем. ^{[ необходима цитата ]}

Тем не менее, общее количество кристаллов на пластину ( DPW ) можно оценить, исходя из аппроксимации первого порядка или отношения площади пластины к площади кристалла.

${\ Displaystyle DPW = \ left \ lfloor {\ frac {\ pi d ^ {2}} {4S}} \ right \ rfloor}$,

где - диаметр пластины (обычно в мм) и размер каждой матрицы (мм ² ), включая ширину линии разметки (или, в случае полосы пилы, пропил плюс допуск). Эта формула просто заявляет, что количество кристаллов, которые могут поместиться на пластине, не может превышать площадь пластины, деленную на площадь каждой отдельной матрицы. Он всегда будет переоценивать истинный общий DPW в лучшем случае, так как он включает в себя площадь штампов с частичным рисунком, которые не полностью лежат на поверхности пластины (см. Рисунок). Эти кристаллы с частичным рисунком не представляют собой законченные микросхемы , поэтому их нельзя продавать как функциональные части. ^{[ необходима цитата ]}${\ displaystyle d}$${\ displaystyle S}$

Уточнения этой простой формулы обычно добавляют коррекцию края, чтобы учесть частичные штампы на краю, что в целом будет более значительным, когда площадь кристалла велика по сравнению с общей площадью пластины. В другом предельном случае (бесконечно малые матрицы или бесконечно большие пластины) краевой коррекцией можно пренебречь. ^{[ необходима цитата ]}

Поправочный коэффициент или поправочный член обычно принимает одну из форм, приведенных Де Фризом: ^[42]

${\ displaystyle DPW = {\ frac {\ displaystyle \ pi d ^ {2}} {4S}} - {\ frac {\ displaystyle \ pi d} {\ sqrt {2S}}}}$ (отношение площадей - окружность / (длина диагонали матрицы))

или (отношение площадей в экспоненциальном масштабе)${\ displaystyle DPW = \ left ({\ frac {\ displaystyle \ pi d ^ {2}} {4S}} \ right) \ exp (-2 {\ sqrt {S}} / d)}$

или (отношение площадей, масштабируемое полиномиальным коэффициентом).${\ displaystyle DPW = {\ frac {\ displaystyle \ pi d ^ {2}} {4S}} \ left (1 - {\ frac {\ displaystyle 2 {\ sqrt {S}}} {d}} \ right) ^ {2}}$

Исследования, сравнивающие эти аналитические формулы с результатами вычислений методом грубой силы, показывают, что формулы можно сделать более точными в практических диапазонах размеров кристаллов и соотношений сторон, установив коэффициенты поправок на значения выше или ниже единицы и заменив линейные размер штампа с (средняя длина стороны) в случае штампа с большим соотношением сторон: ^[42]${\ displaystyle {\ sqrt {S}}}$${\ Displaystyle (Ч + Ш) / 2}$

${\ displaystyle DPW = {\ frac {\ displaystyle \ pi d ^ {2}} {4S}} - 0,58 ^ {*} {\ frac {\ displaystyle \ pi d} {\ sqrt {S}}}}$

или же ${\displaystyle DPW=\left({\frac {\displaystyle \pi d^{2}}{4S}}\right)\exp(-2.32^{*}{\sqrt {S}}/d)}$

или .${\displaystyle DPW={\frac {\displaystyle \pi d^{2}}{4S}}\left(1-{\frac {\displaystyle 1.16^{*}{\sqrt {S}}}{d}}\right)^{2}}$

Кристаллическая ориентация [ править ]

Пластины выращивают из кристалла, имеющего регулярную кристаллическую структуру , с кремнием, имеющим кубическую структуру алмаза с шагом решетки 5,430710 Å (0,5430710 нм). ^[43] При разрезании на пластины поверхность выравнивается в одном из нескольких относительных направлений, известных как ориентация кристаллов. Ориентация определяется индексом Миллера, причем грани (100) или (111) являются наиболее распространенными для кремния. ^[43] Ориентация важна, поскольку многие структурные и электронные свойства монокристалла сильно анизотропны . Глубина ионной имплантации зависит от ориентации кристалла пластины, поскольку каждое направление предлагает разные пути для транспортировки.^[44]

Расщепление пластины обычно происходит только в нескольких четко определенных направлениях. Надрезание пластины по плоскостям спайности позволяет легко разрезать ее на отдельные микросхемы (« матрицы »), так что миллиарды отдельных элементов схемы на средней пластине можно разделить на множество отдельных схем. ^{[ необходима цитата ]}

Кристаллографические ориентационные выемки [ править ]

Пластины диаметром менее 200 мм имеют плоские разрезы с одной или нескольких сторон, обозначающие кристаллографические плоскости пластины (обычно грань {110}). В пластинах предыдущего поколения пара пластин под разными углами дополнительно указывала тип легирования (условные обозначения см. На рисунке). Пластины диаметром 200 мм и более используют одну небольшую выемку для обозначения ориентации пластины без визуальной индикации типа легирования. ^[45]

Примесный допинг [ править ]

Кремниевые пластины , как правило , не на 100% чистый кремний, но вместо этого сформированы с начальной примесью легирующего концентрации от 10 до ¹³ и 10 ¹⁶ атомов на см ³ из бора , фосфора , мышьяка или сурьмы , который вводят в расплав и определяет пластины , как либо объемного n-типа, либо p-типа. ^[46] Однако по сравнению с атомной плотностью монокристаллического кремния 5 × 10 ²² атомов на см ³ , это все еще дает чистоту выше 99,9999%. Вафли также могут быть изначально снабжены промежуточными вставками.концентрация кислорода. Углеродное и металлическое загрязнение сведено к минимуму. ^[47] Концентрация переходных металлов , в частности, должна быть ниже частей на миллиард для электронных приложений. ^[48]

Составные полупроводники [ править ]

Хотя кремний является преобладающим материалом для пластин, используемых в электронной промышленности, также применялись другие материалы соединений III-V или II-VI . Арсенид галлия (GaAs), полупроводник группы III-V, производимый с помощью процесса Чохральского , нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC) также являются распространенными материалами для пластин, при этом GaN и сапфир широко используются в производстве светодиодов . ^[13]

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме вафель .

• Evolution of the Silicon Wafer by F450C - Инфографика об истории кремниевой пластины.