Płytki są głównym surowcem do produkcji układów scalonych, dyskretnych urządzeń półprzewodnikowych i urządzeń mocy. Ponad 90% układów scalonych wykonano na wysokiej jakości płytkach o wysokiej czystości.
Sprzęt do przygotowywania płytek odnosi się do procesu wytwarzania czystych polikrystalicznych materiałów krzemowych w pręty z monokrystalicznego krzemu o określonej średnicy i długości, a następnie poddawania prętów z monokrystalicznego krzemu szeregowi obróbki mechanicznej, chemicznej i innym procesom.
Sprzęt wytwarzający płytki krzemowe lub epitaksjalne płytki krzemowe, które spełniają określone wymagania dotyczące dokładności geometrycznej i jakości powierzchni oraz zapewniają wymagane podłoże krzemowe do produkcji chipów.
Typowy przebieg procesu wytwarzania płytek krzemowych o średnicy mniejszej niż 200 mm jest następujący:
Wzrost pojedynczego kryształu → obcięcie → walcowanie średnicy zewnętrznej → cięcie → fazowanie → szlifowanie → trawienie → pobieranie → polerowanie → czyszczenie → epitaksja → pakowanie itp.
Główny przebieg procesu przygotowania płytek krzemowych o średnicy 300 mm jest następujący:
Wzrost pojedynczego kryształu → obcinanie → walcowanie średnicy zewnętrznej → cięcie → fazowanie → szlifowanie powierzchni → trawienie → polerowanie krawędzi → polerowanie dwustronne → polerowanie jednostronne → czyszczenie końcowe → epitaksja/wyżarzanie → pakowanie itp.
1. Materiał silikonowy
Krzem jest materiałem półprzewodnikowym, ponieważ ma 4 elektrony walencyjne i wraz z innymi pierwiastkami należy do grupy IVA układu okresowego.
Liczba elektronów walencyjnych w krzemie plasuje go pomiędzy dobrym przewodnikiem (1 elektron walencyjny) a izolatorem (8 elektronów walencyjnych).
Czysty krzem nie występuje w przyrodzie i należy go ekstrahować i oczyszczać, aby był wystarczająco czysty do celów produkcyjnych. Zwykle występuje w krzemionce (tlenku krzemu lub SiO2) i innych krzemianach.
Inne formy SiO2 obejmują szkło, bezbarwny kryształ, kwarc, agat i kocie oko.
Pierwszym materiałem używanym jako półprzewodnik był german w latach czterdziestych i wczesnych pięćdziesiątych XX wieku, ale szybko został on zastąpiony krzemem.
Na główny materiał półprzewodnikowy wybrano krzem z czterech głównych powodów:
Obfitość materiałów krzemowych: Krzem jest drugim najpowszechniej występującym pierwiastkiem na Ziemi, stanowiącym 25% skorupy ziemskiej.
Wyższa temperatura topnienia materiału krzemowego pozwala na szerszą tolerancję procesu: temperatura topnienia krzemu w temperaturze 1412°C jest znacznie wyższa niż temperatura topnienia germanu w temperaturze 937°C. Wyższa temperatura topnienia pozwala krzemowi wytrzymać procesy wysokotemperaturowe.
Materiały silikonowe mają szerszy zakres temperatur roboczych;
Naturalny wzrost tlenku krzemu (SiO2): SiO2 to wysokiej jakości, stabilny materiał elektroizolacyjny, który działa jako doskonała bariera chemiczna chroniąca krzem przed zanieczyszczeniami zewnętrznymi. Stabilność elektryczna jest ważna, aby uniknąć wycieków pomiędzy sąsiednimi przewodnikami w obwodach scalonych. Zdolność do tworzenia stabilnych, cienkich warstw materiału SiO2 ma fundamentalne znaczenie w produkcji wysokowydajnych urządzeń półprzewodnikowych z tlenkiem metalu (MOS-FET). SiO2 ma podobne właściwości mechaniczne do krzemu, co pozwala na obróbkę w wysokiej temperaturze bez nadmiernego wypaczania płytek krzemowych.
2.Przygotowanie wafla
Płytki półprzewodnikowe wycina się z masowych materiałów półprzewodnikowych. Ten materiał półprzewodnikowy nazywany jest prętem kryształowym, który jest wyhodowany z dużego bloku polikrystalicznego i niedomieszkowanego materiału wewnętrznego.
Przekształcenie bloku polikrystalicznego w duży monokryształ i nadanie mu właściwej orientacji kryształu oraz odpowiedniej ilości domieszki typu N lub P nazywa się wzrostem kryształów.
Najpopularniejszymi technologiami wytwarzania monokrystalicznych wlewków krzemowych do przygotowania płytek krzemowych są metoda Czochralskiego oraz metoda topienia strefowego.
2.1 Metoda Czochralskiego i piec monokrystaliczny Czochralskiego
Metoda Czochralskiego (CZ), znana również jako metoda Czochralskiego (CZ), odnosi się do procesu przekształcania stopionego ciekłego krzemu półprzewodnikowego we wlewki stałego monokrystalicznego krzemu o właściwej orientacji kryształów i domieszkowanego typu N lub P- typ.
Obecnie ponad 85% monokrystalicznego krzemu uprawia się metodą Czochralskiego.
Piec monokrystaliczny Czochralskiego odnosi się do sprzętu procesowego, który topi materiały polikrzemowe o wysokiej czystości w ciecz poprzez ogrzewanie w zamkniętym środowisku ochronnym o wysokiej próżni lub gazie rzadkim (lub gazie obojętnym), a następnie rekrystalizuje je, tworząc monokrystaliczne materiały krzemowe z pewnymi zewnętrznymi wymiary.
Zasada działania pieca monokrystalicznego polega na fizycznym procesie rekrystalizacji polikrystalicznego materiału krzemowego w monokrystaliczny materiał krzemowy w stanie ciekłym.
Piec monokrystaliczny CZ można podzielić na cztery części: korpus pieca, układ przekładni mechanicznej, układ kontroli ogrzewania i temperatury oraz układ przesyłu gazu.
Korpus pieca zawiera wnękę pieca, oś kryształu zaszczepiającego, tygiel kwarcowy, łyżkę domieszkującą, pokrywę kryształu zaszczepiającego i okienko obserwacyjne.
Wnęka pieca ma zapewniać równomierny rozkład temperatury w piecu i dobre odprowadzanie ciepła; wałek kryształu zaszczepiającego służy do napędzania kryształu zaszczepiającego do poruszania się w górę i w dół oraz obracania się; zanieczyszczenia wymagające domieszkowania umieszcza się w łyżce do dopingu;
Osłona kryształu zarodkowego ma za zadanie chronić kryształ zarodkowy przed zanieczyszczeniem. Mechaniczny układ przeniesienia napędu służy głównie do kontrolowania ruchu kryształu zaszczepiającego i tygla.
Aby mieć pewność, że roztwór krzemu nie ulegnie utlenieniu, stopień próżni w piecu musi być bardzo wysoki, na ogół poniżej 5 torów, a czystość dodanego gazu obojętnego musi przekraczać 99,9999%.
Kawałek monokrystalicznego krzemu o pożądanej orientacji kryształów jest używany jako kryształ zaszczepiający do wyhodowania wlewka krzemu, a wyhodowany wlewek krzemu jest jak replika kryształu zaszczepiającego.
Należy precyzyjnie kontrolować warunki na styku roztopionego krzemu i monokrystalicznego kryształu zaszczepiającego krzemu. Warunki te zapewniają, że cienka warstwa krzemu może dokładnie odtworzyć strukturę kryształu zaszczepiającego i ostatecznie urosnąć do dużego monokryształowego wlewka krzemu.
2.2 Metoda topienia strefowego i piec monokrystaliczny do topienia strefowego
Metoda strefy pływakowej (FZ) pozwala uzyskać monokrystaliczne wlewki krzemu o bardzo niskiej zawartości tlenu. Metoda strefy pływakowej została opracowana w latach pięćdziesiątych XX wieku i umożliwia wytworzenie najczystszego jak dotąd monokrystalicznego krzemu.
Piec monokrystaliczny do topienia strefowego odnosi się do pieca, który wykorzystuje zasadę topienia strefowego w celu wytworzenia wąskiej strefy topienia w pręcie polikrystalicznym przez wąski zamknięty obszar korpusu pieca z prętem polikrystalicznym o wysokiej temperaturze w wysokiej próżni lub gazie z rur rzadkich kwarcu środowisko ochronne.
Sprzęt procesowy, w którym porusza się pręt polikrystaliczny lub element grzewczy pieca, aby poruszyć strefę topienia i stopniowo krystalizować ją w pręt monokrystaliczny.
Cechą charakterystyczną wytwarzania prętów monokrystalicznych metodą topienia strefowego jest to, że czystość prętów polikrystalicznych można poprawić w procesie krystalizacji w pręty monokrystaliczne, a wzrost domieszkowania materiałów prętów jest bardziej równomierny.
Rodzaje pieców monokrystalicznych do topienia strefowego można podzielić na dwa typy: piece monokrystaliczne do topienia w strefie pływającej, które opierają się na napięciu powierzchniowym, oraz piece monokrystaliczne do topienia w strefie poziomej. W praktycznych zastosowaniach piece monokrystaliczne do topienia strefowego zazwyczaj przyjmują topienie w strefie pływającej.
Piec monokrystaliczny do topienia strefowego może wytwarzać monokrystaliczny krzem o wysokiej czystości i niskiej zawartości tlenu bez potrzeby stosowania tygla. Stosowany jest głównie do wytwarzania monokrystalicznego krzemu o wysokiej rezystancji (>20 kΩ·cm) i oczyszczania krzemu w strefie topienia. Produkty te wykorzystywane są głównie do produkcji dyskretnych urządzeń zasilających.
Piec monokrystaliczny do topienia strefowego składa się z komory pieca, wału górnego i wału dolnego (część przekładni mechanicznej), uchwytu pręta kryształowego, uchwytu kryształu zaszczepiającego, cewki grzewczej (generator wysokiej częstotliwości), portów gazowych (port próżniowy, wlot gazu, górny wylot gazu) itp.
W konstrukcji komory pieca zorganizowany jest obieg wody chłodzącej. Dolny koniec górnego wału pieca monokrystalicznego to uchwyt pręta kryształowego, który służy do mocowania pręta polikrystalicznego; górny koniec dolnego wału to uchwyt kryształu zaszczepiającego, który służy do zaciskania kryształu zaszczepiającego.
Do cewki grzejnej doprowadzany jest zasilacz o wysokiej częstotliwości, a w pręcie polikrystalicznym tworzy się wąska strefa topienia, zaczynając od dolnego końca. Jednocześnie oś górna i dolna obracają się i opadają, dzięki czemu strefa topnienia krystalizuje w pojedynczy kryształ.
Zaletami pieca monokrystalicznego do topienia strefowego jest to, że może on nie tylko poprawić czystość przygotowanego monokryształu, ale także sprawić, że wzrost domieszkowania pręta będzie bardziej jednolity, a pręt monokrystaliczny można oczyścić w wielu procesach.
Wadą pieca monokrystalicznego do topienia strefowego są wysokie koszty procesu i mała średnica przygotowanego monokryształu. Obecnie maksymalna średnica monokryształu, jaki można wytworzyć to 200mm.
Całkowita wysokość wyposażenia pieca monokrystalicznego do topienia strefy jest stosunkowo wysoka, a skok górnej i dolnej osi jest stosunkowo długi, dzięki czemu można hodować dłuższe pręty monokrystaliczne.
3. Przetwarzanie i sprzęt wafli
Pręt kryształu musi przejść szereg procesów, aby utworzyć podłoże krzemowe spełniające wymagania produkcji półprzewodników, czyli płytkę. Podstawowy proces przetwarzania to:
Bęben, cięcie, krojenie, wyżarzanie płytek, fazowanie, szlifowanie, polerowanie, czyszczenie i pakowanie itp.
3.1 Wyżarzanie płytek
W procesie wytwarzania krzemu polikrystalicznego i krzemu Czochralskiego krzem monokrystaliczny zawiera tlen. W określonej temperaturze tlen w monokrysztale krzemu będzie oddawał elektrony, a tlen zostanie przekształcony w donory tlenu. Elektrony te będą łączyć się z zanieczyszczeniami w płytce krzemowej i wpływać na jej rezystywność.
Piec do wyżarzania: odnosi się do pieca, który podnosi temperaturę w piecu do 1000-1200°C w środowisku wodoru lub argonu. Utrzymując ciepło i chłodzenie, tlen w pobliżu powierzchni polerowanej płytki krzemowej ulatnia się i usuwa z jej powierzchni, powodując wytrącanie się tlenu i nawarstwianie się.
Sprzęt procesowy, który rozpuszcza mikrodefekty na powierzchni płytek krzemowych, zmniejsza ilość zanieczyszczeń w pobliżu powierzchni płytek krzemowych, redukuje defekty i tworzy stosunkowo czysty obszar na powierzchni płytek krzemowych.
Piec do wyżarzania nazywany jest również piecem wysokotemperaturowym ze względu na jego wysoką temperaturę. W przemyśle proces wyżarzania płytek krzemowych nazywany jest także getteringiem.
Piec do wyżarzania płytek krzemowych dzieli się na:
-Piec do wyżarzania poziomego;
-Pionowy piec do wyżarzania;
-Piec do szybkiego wyżarzania.
Główną różnicą pomiędzy poziomym piecem do wyżarzania a pionowym piecem do wyżarzania jest kierunek rozmieszczenia komory reakcyjnej.
Komora reakcyjna poziomego pieca do wyżarzania ma konstrukcję poziomą, a do komory reakcyjnej pieca do wyżarzania można jednocześnie załadować partię płytek krzemowych w celu wyżarzania. Czas wyżarzania wynosi zwykle 20 do 30 minut, ale komora reakcyjna potrzebuje dłuższego czasu nagrzewania, aby osiągnąć temperaturę wymaganą w procesie wyżarzania.
W procesie pionowego pieca do wyżarzania przyjmuje się również metodę jednoczesnego ładowania partii płytek krzemowych do komory reakcyjnej pieca do wyżarzania w celu wyżarzania. Komora reakcyjna ma konstrukcję pionową, co pozwala na umieszczenie płytek krzemowych w łódce kwarcowej w pozycji poziomej.
Jednocześnie, ponieważ łódka kwarcowa może obracać się jako całość w komorze reakcyjnej, temperatura wyżarzania w komorze reakcyjnej jest jednolita, rozkład temperatury na płytce krzemowej jest równomierny i ma doskonałą charakterystykę jednorodności wyżarzania. Jednakże koszt procesu w piecu do wyżarzania pionowego jest wyższy niż w przypadku pieca do wyżarzania poziomego.
Piec do szybkiego wyżarzania wykorzystuje halogenową lampę wolframową do bezpośredniego ogrzewania płytki krzemowej, co umożliwia szybkie nagrzewanie lub chłodzenie w szerokim zakresie od 1 do 250°C/s. Szybkość nagrzewania lub chłodzenia jest większa niż w przypadku tradycyjnego pieca do wyżarzania. Ogrzanie temperatury komory reakcyjnej do ponad 1100°C zajmuje tylko kilka sekund.
—————————————————————————————————————————————————— ——
Semicera może zapewnićczęści grafitowe,miękki/sztywny filc,części z węglika krzemu, Części z węglika krzemu CVD, ICzęści pokryte SiC/TaCz pełnym procesem półprzewodnikowym w 30 dni.
Jeśli interesują Cię powyższe produkty półprzewodnikowe, Nie wahaj się z nami skontaktować po raz pierwszy.
Tel: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Czas publikacji: 26 sierpnia 2024 r