Wafers er de vigtigste råmaterialer til produktion af integrerede kredsløb, diskrete halvlederenheder og strømenheder. Mere end 90 % af de integrerede kredsløb er lavet på wafere af høj renhed af høj kvalitet.
Waferforberedelsesudstyr refererer til processen med at fremstille rene polykrystallinske siliciummaterialer til siliciumenkeltkrystalstangmaterialer med en vis diameter og længde og derefter udsætte siliciumenkelkrystalstangmaterialerne for en række mekanisk behandling, kemisk behandling og andre processer.
Udstyr, der fremstiller siliciumwafers eller epitaksiale siliciumwafers, der opfylder visse geometriske nøjagtigheds- og overfladekvalitetskrav og giver det nødvendige siliciumsubstrat til chipfremstilling.
Det typiske procesflow til fremstilling af siliciumwafers med en diameter på mindre end 200 mm er:
Enkeltkrystalvækst → trunkering → ydre diameter valsning → udskæring → affasning → slibning → ætsning → gettering → polering → rengøring → epitaksi → emballage osv.
Hovedprocesstrømmen til fremstilling af siliciumwafers med en diameter på 300 mm er som følger:
Enkeltkrystalvækst → trunkering → ydre diameter valsning → udskæring → affasning → overfladeslibning → ætsning → kantpolering → dobbeltsidet polering → enkeltsidet polering → slutrengøring → epitaksi/udglødning → emballage mv.
1. Silicium materiale
Silicium er et halvledermateriale, fordi det har 4 valenselektroner og er i gruppe IVA i det periodiske system sammen med andre grundstoffer.
Antallet af valenselektroner i silicium placerer det lige mellem en god leder (1 valenselektron) og en isolator (8 valenselektroner).
Rent silicium findes ikke i naturen og skal udvindes og renses for at gøre det rent nok til fremstilling. Det findes normalt i silica (siliciumoxid eller SiO2) og andre silikater.
Andre former for SiO2 omfatter glas, farveløs krystal, kvarts, agat og katteøje.
Det første materiale, der blev brugt som halvleder, var germanium i 1940'erne og begyndelsen af 1950'erne, men det blev hurtigt erstattet af silicium.
Silicium blev valgt som det vigtigste halvledermateriale af fire hovedårsager:
Overflod af siliciummaterialer: Silicium er det næstmest udbredte grundstof på Jorden og tegner sig for 25 % af jordskorpen.
Det højere smeltepunkt af siliciummateriale tillader en bredere procestolerance: smeltepunktet for silicium ved 1412°C er meget højere end smeltepunktet for germanium ved 937°C. Det højere smeltepunkt gør det muligt for silicium at modstå processer ved høje temperaturer.
Siliciummaterialer har et bredere driftstemperaturområde;
Naturlig vækst af siliciumoxid (SiO2): SiO2 er et højkvalitets, stabilt elektrisk isoleringsmateriale og fungerer som en fremragende kemisk barriere til at beskytte silicium mod ekstern forurening. Elektrisk stabilitet er vigtig for at undgå lækage mellem tilstødende ledere i integrerede kredsløb. Evnen til at dyrke stabile tynde lag af SiO2-materiale er grundlæggende for fremstillingen af højtydende metal-oxid-halvleder-enheder (MOS-FET). SiO2 har lignende mekaniske egenskaber som silicium, hvilket tillader højtemperaturbehandling uden overdreven vridning af siliciumwafer.
2. Forberedelse af wafer
Halvlederwafere er skåret af bulkhalvledermaterialer. Dette halvledermateriale kaldes en krystalstang, som er dyrket af en stor blok af polykrystallinsk og udopet iboende materiale.
At transformere en polykrystallinsk blok til en stor enkelt krystal og give den den korrekte krystalorientering og passende mængde N-type eller P-type doping kaldes krystalvækst.
De mest almindelige teknologier til fremstilling af enkeltkrystal siliciumbarrer til fremstilling af siliciumwafer er Czochralski-metoden og zonesmeltemetoden.
2.1 Czochralski-metoden og Czochralski-enkrystalovn
Czochralski (CZ) metoden, også kendt som Czochralski (CZ) metoden, refererer til processen med at omdanne smeltet siliciumvæske af halvlederkvalitet til faste enkeltkrystal siliciumbarrer med den korrekte krystalorientering og doteret til N-type eller P- type.
I øjeblikket dyrkes mere end 85% af enkeltkrystalsilicium ved hjælp af Czochralski-metoden.
En Czochralski enkeltkrystalovn refererer til et procesudstyr, der smelter polysiliciummaterialer med høj renhed til væske ved opvarmning i et lukket højvakuum eller beskyttelsesmiljø for sjælden gas (eller inert gas) og derefter omkrystalliserer dem til dannelse af enkeltkrystal siliciummaterialer med visse eksterne dimensioner.
Arbejdsprincippet for enkeltkrystalovnen er den fysiske proces, hvor polykrystallinsk siliciummateriale omkrystalliseres til enkeltkrystalsiliciummateriale i flydende tilstand.
CZ enkeltkrystalovnen kan opdeles i fire dele: ovnlegeme, mekanisk transmissionssystem, varme- og temperaturkontrolsystem og gastransmissionssystem.
Ovnlegemet indbefatter et ovnhulrum, en frøkrystalakse, en kvartsdigel, en dopingske, et frøkrystaldæksel og et observationsvindue.
Ovnhulrummet skal sikre, at temperaturen i ovnen er jævnt fordelt og kan aflede varmen godt; frøkrystalakslen bruges til at drive frøkrystallen til at bevæge sig op og ned og rotere; de urenheder, der skal dopes, placeres i dopingskeen;
Frøkrystaldækslet skal beskytte frøkrystallen mod forurening. Det mekaniske transmissionssystem bruges hovedsageligt til at styre bevægelsen af frøkrystallen og diglen.
For at sikre, at siliciumopløsningen ikke oxideres, skal vakuumgraden i ovnen være meget høj, generelt under 5 Torr, og renheden af den tilsatte inerte gas skal være over 99,9999%.
Et stykke enkeltkrystalsilicium med den ønskede krystalorientering bruges som frøkrystal til at dyrke en siliciumbarre, og den dyrkede siliciumbarre er som en kopi af frøkrystallen.
Betingelserne ved grænsefladen mellem det smeltede silicium og enkeltkrystalsiliciumfrøkrystallen skal kontrolleres præcist. Disse forhold sikrer, at det tynde lag af silicium nøjagtigt kan kopiere strukturen af frøkrystallen og til sidst vokse til en stor enkeltkrystal siliciumbarre.
2.2 Zonesmeltemetode og Zonesmeltende enkeltkrystalovn
Float zone-metoden (FZ) producerer single-krystal silicium ingots med meget lavt oxygenindhold. Float zone metoden blev udviklet i 1950'erne og kan producere det reneste enkeltkrystal silicium til dato.
Den zonesmeltende enkeltkrystalovn refererer til en ovn, der bruger princippet om zonesmeltning til at producere en smal smeltezone i den polykrystallinske stang gennem et snævert højtemperatur-lukket område af den polykrystallinske stavovns krop i et højvakuum eller sjælden kvartsrørgas beskyttelsesmiljø.
Et procesudstyr, der flytter en polykrystallinsk stang eller et ovnvarmelegeme for at flytte smeltezonen og gradvist krystallisere den til en enkelt krystalstang.
Det karakteristiske ved fremstilling af enkeltkrystalstænger ved zonesmeltemetode er, at renheden af polykrystallinske stænger kan forbedres i processen med krystallisation til enkeltkrystalstænger, og dopingvæksten af stavmaterialer er mere ensartet.
Typerne af zonesmeltende enkeltkrystalovne kan opdeles i to typer: flydende zonesmeltende enkeltkrystalovne, der er afhængige af overfladespænding og horisontale zonesmeltende enkeltkrystalovne. I praktiske anvendelser anvender zonesmeltende enkeltkrystalovne generelt flydende zonesmeltning.
Den zonesmeltende enkeltkrystalovn kan fremstille enkeltkrystalsilicium med høj renhed og lavt iltindhold uden behov for en digel. Det bruges hovedsageligt til at fremstille højresistivitet (>20kΩ·cm) enkeltkrystalsilicium og rense zonesmeltende silicium. Disse produkter bruges hovedsageligt til fremstilling af diskrete strømenheder.
Den zonesmeltende enkeltkrystalovn består af et ovnkammer, en øvre aksel og en nedre aksel (mekanisk transmissionsdel), en krystalstangpatron, en frøkrystalpatron, en varmespole (højfrekvensgenerator), gasporte (vakuumport, gasindtag, øvre gasudtag) osv.
I ovnkammerstrukturen er kølevandscirkulation arrangeret. Den nederste ende af den øverste aksel af enkeltkrystalovnen er en krystalstangspatron, som bruges til at klemme en polykrystallinsk stang; den øverste ende af den nederste aksel er en frøkrystal-patron, som bruges til at fastspænde frøkrystallen.
En højfrekvent strømforsyning forsynes til varmespolen, og en smal smeltezone dannes i den polykrystallinske stang startende fra den nedre ende. Samtidig roterer og falder den øvre og nedre akse, så smeltezonen krystalliseres til en enkelt krystal.
Fordelene ved den zonesmeltende enkeltkrystalovn er, at den ikke kun kan forbedre renheden af den forberedte enkeltkrystal, men også gøre stavens dopingvækst mere ensartet, og enkeltkrystalstangen kan renses gennem flere processer.
Ulemperne ved den zonesmeltende enkeltkrystalovn er høje procesomkostninger og lille diameter af den fremstillede enkeltkrystal. I øjeblikket er den maksimale diameter af den enkelt krystal, der kan fremstilles, 200 mm.
Den samlede højde af zonesmeltende enkeltkrystalovnsudstyret er relativt høj, og slaget af de øvre og nedre akser er relativt langt, så længere enkeltkrystalstænger kan dyrkes.
3. Waferbehandling og udstyr
Krystalstangen skal gennemgå en række processer for at danne et siliciumsubstrat, der opfylder kravene til halvlederfremstilling, nemlig en wafer. Den grundlæggende behandlingsproces er:
Tumling, skæring, udskæring, wafer-udglødning, affasning, slibning, polering, rengøring og emballering mv.
3.1 Wafer-udglødning
I processen med at fremstille polykrystallinsk silicium og Czochralski silicium indeholder enkeltkrystal silicium oxygen. Ved en bestemt temperatur vil ilten i enkeltkrystalsiliciumet donere elektroner, og ilten omdannes til iltdonorer. Disse elektroner vil kombineres med urenheder i siliciumwaferen og påvirke siliciumwaferens resistivitet.
Udglødningsovn: refererer til en ovn, der hæver temperaturen i ovnen til 1000-1200°C i et brint- eller argonmiljø. Ved at holde sig varm og afkølende fordampes ilten nær overfladen af den polerede siliciumwafer og fjernes fra dens overflade, hvilket får ilten til at udfælde og lag.
Procesudstyr, der opløser mikrodefekter på overfladen af siliciumwafers, reducerer mængden af urenheder nær overfladen af siliciumwafers, reducerer defekter og danner et relativt rent område på overfladen af siliciumwafers.
Udglødningsovnen kaldes også en højtemperaturovn på grund af dens høje temperatur. Industrien kalder også siliciumwafer-udglødningsprocessen for gettering.
Silicium wafer annealing ovn er opdelt i:
- Horisontal udglødningsovn;
-Lodret udglødningsovn;
- Hurtig udglødningsovn.
Hovedforskellen mellem en horisontal udglødningsovn og en lodret udglødningsovn er layoutretningen af reaktionskammeret.
Reaktionskammeret i den horisontale udglødningsovn er vandret struktureret, og en batch af siliciumwafers kan indlæses i reaktionskammeret i udglødningsovnen til udglødning på samme tid. Udglødningstiden er normalt 20 til 30 minutter, men reaktionskammeret har brug for en længere opvarmningstid for at nå den temperatur, der kræves af udglødningsprocessen.
Processen med den lodrette udglødningsovn anvender også metoden til samtidig indlæsning af en batch af siliciumwafers i reaktionskammeret i udglødningsovnen til udglødningsbehandling. Reaktionskammeret har et lodret strukturlayout, som gør det muligt at placere siliciumskiverne i en kvartsbåd i vandret tilstand.
På samme tid, da kvartsbåden kan rotere som helhed i reaktionskammeret, er udglødningstemperaturen i reaktionskammeret ensartet, temperaturfordelingen på siliciumwaferen er ensartet, og den har fremragende udglødningsensartethedskarakteristika. Imidlertid er procesomkostningerne for den vertikale udglødningsovn højere end for den horisontale udglødningsovn.
Den hurtige udglødningsovn bruger en halogen wolframlampe til direkte at opvarme siliciumwaferen, som kan opnå hurtig opvarmning eller afkøling i et bredt område fra 1 til 250°C/s. Opvarmnings- eller afkølingshastigheden er hurtigere end i en traditionel udglødningsovn. Det tager kun et par sekunder at opvarme reaktionskammerets temperatur til over 1100°C.
————————————————————————————————————————————————— ——
Semicera kan leveregrafit dele,blød/stiv filt,siliciumcarbid dele, CVD siliciumcarbid dele, ogSiC/TaC belagte delemed fuld halvlederproces på 30 dage.
Hvis du er interesseret i ovenstående halvlederprodukter, tøv ikke med at kontakte os første gang.
Tlf.: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Indlægstid: 26. august 2024