I wafer sono le principali materie prime per la produzione di circuiti integrati, dispositivi a semiconduttore discreti e dispositivi di potenza. Oltre il 90% dei circuiti integrati sono realizzati su wafer di elevata purezza e qualità.
L'attrezzatura per la preparazione dei wafer si riferisce al processo di trasformazione di materiali di silicio policristallino puro in materiali di silicio monocristallino di un certo diametro e lunghezza, quindi sottoponendo i materiali di silicio monocristallino a una serie di lavorazioni meccaniche, trattamenti chimici e altri processi.
Apparecchiature che producono wafer di silicio o wafer di silicio epitassiali che soddisfano determinati requisiti di precisione geometrica e qualità della superficie e forniscono il substrato di silicio richiesto per la produzione di chip.
Il tipico flusso di processo per la preparazione di wafer di silicio con diametro inferiore a 200 mm è:
Crescita del singolo cristallo → troncamento → laminazione del diametro esterno → affettatura → smussatura → macinazione → incisione → gettering → lucidatura → pulizia → epitassia → imballaggio, ecc.
Il flusso di processo principale per la preparazione di wafer di silicio con un diametro di 300 mm è il seguente:
Crescita del singolo cristallo → troncamento → laminazione del diametro esterno → affettatura → smussatura → molatura superficiale → incisione → lucidatura dei bordi → lucidatura su due lati → lucidatura su un solo lato → pulizia finale → epitassia/ricottura → imballaggio, ecc.
1. Materiale siliconico
Il silicio è un materiale semiconduttore perché ha 4 elettroni di valenza ed è nel gruppo IVA della tavola periodica insieme ad altri elementi.
Il numero di elettroni di valenza nel silicio lo colloca proprio tra un buon conduttore (1 elettrone di valenza) e un isolante (8 elettroni di valenza).
Il silicio puro non si trova in natura e deve essere estratto e purificato per renderlo sufficientemente puro per la produzione. Di solito si trova nella silice (ossido di silicio o SiO2) e in altri silicati.
Altre forme di SiO2 includono vetro, cristallo incolore, quarzo, agata e occhio di gatto.
Il primo materiale utilizzato come semiconduttore fu il germanio negli anni Quaranta e all'inizio degli anni Cinquanta, ma fu rapidamente sostituito dal silicio.
Il silicio è stato scelto come materiale semiconduttore principale per quattro ragioni principali:
Abbondanza di materiali siliconici: Il silicio è il secondo elemento più abbondante sulla Terra e costituisce il 25% della crosta terrestre.
Il punto di fusione più elevato del materiale siliconico consente una tolleranza di processo più ampia: il punto di fusione del silicio a 1412°C è molto più alto del punto di fusione del germanio a 937°C. Il punto di fusione più elevato consente al silicio di resistere ai processi ad alta temperatura.
I materiali in silicio hanno un intervallo di temperature operative più ampio;
Crescita naturale dell'ossido di silicio (SiO2): SiO2 è un materiale isolante elettrico stabile e di alta qualità e funge da eccellente barriera chimica per proteggere il silicio dalla contaminazione esterna. La stabilità elettrica è importante per evitare perdite tra conduttori adiacenti nei circuiti integrati. La capacità di far crescere sottili strati stabili di materiale SiO2 è fondamentale per la produzione di dispositivi a semiconduttore di ossido di metallo (MOS-FET) ad alte prestazioni. SiO2 ha proprietà meccaniche simili al silicio, consentendo la lavorazione ad alta temperatura senza un'eccessiva deformazione del wafer di silicio.
2.Preparazione del wafer
I wafer semiconduttori vengono tagliati da materiali semiconduttori sfusi. Questo materiale semiconduttore è chiamato bacchetta di cristallo, che è cresciuta da un grande blocco di materiale intrinseco policristallino e non drogato.
Trasformare un blocco policristallino in un grande cristallo singolo e dargli il corretto orientamento del cristallo e una quantità appropriata di drogaggio di tipo N o di tipo P è chiamata crescita dei cristalli.
Le tecnologie più comuni per la produzione di lingotti di silicio monocristallino per la preparazione dei wafer di silicio sono il metodo Czochralski e il metodo di fusione a zone.
2.1 Metodo Czochralski e fornace monocristallo Czochralski
Il metodo Czochralski (CZ), noto anche come metodo Czochralski (CZ), si riferisce al processo di conversione del silicio liquido fuso di grado semiconduttore in lingotti solidi di silicio monocristallino con il corretto orientamento dei cristalli e drogato in tipo N o P- tipo.
Attualmente, oltre l’85% del silicio monocristallino viene coltivato utilizzando il metodo Czochralski.
Un forno monocristallino Czochralski si riferisce a un'apparecchiatura di processo che fonde materiali di polisilicio di elevata purezza in liquidi mediante riscaldamento in un ambiente chiuso di protezione ad alto vuoto o gas raro (o gas inerte), quindi li ricristallizza per formare materiali di silicio monocristallino con determinati elementi esterni dimensioni.
Il principio di funzionamento del forno a cristallo singolo è il processo fisico di ricristallizzazione del materiale di silicio policristallino in materiale di silicio monocristallino allo stato liquido.
Il forno a cristallo singolo CZ può essere suddiviso in quattro parti: corpo del forno, sistema di trasmissione meccanica, sistema di riscaldamento e controllo della temperatura e sistema di trasmissione del gas.
Il corpo del forno comprende una cavità del forno, un asse del cristallo di seme, un crogiolo di quarzo, un cucchiaio antidoping, un coperchio del cristallo di seme e una finestra di osservazione.
La cavità del forno serve a garantire che la temperatura nel forno sia distribuita uniformemente e possa dissipare bene il calore; l'albero del cristallo di seme viene utilizzato per far sì che il cristallo di seme si muova su e giù e ruoti; nel cucchiaio dopante vengono poste le impurità da drogare;
La copertura del cristallo seme serve a proteggere il cristallo seme dalla contaminazione. Il sistema di trasmissione meccanica viene utilizzato principalmente per controllare il movimento del cristallo di seme e del crogiolo.
Per garantire che la soluzione di silicio non venga ossidata è necessario che il grado di vuoto nel forno sia molto elevato, generalmente inferiore a 5 Torr, e che la purezza del gas inerte aggiunto sia superiore al 99,9999%.
Un pezzo di silicio monocristallino con l'orientamento cristallino desiderato viene utilizzato come cristallo seme per far crescere un lingotto di silicio e il lingotto di silicio cresciuto è come una replica del cristallo seme.
Le condizioni all'interfaccia tra il silicio fuso e il cristallo seme di silicio monocristallino devono essere controllate con precisione. Queste condizioni assicurano che il sottile strato di silicio possa replicare accuratamente la struttura del cristallo seme e alla fine crescere in un grande lingotto di silicio monocristallino.
2.2 Metodo di fusione a zona e forno di fusione a zona monocristallo
Il metodo Float Zone (FZ) produce lingotti di silicio monocristallino con un contenuto di ossigeno molto basso. Il metodo della zona flottante è stato sviluppato negli anni '50 e fino ad oggi può produrre il silicio monocristallino più puro.
Il forno a fusione a zona monocristallo si riferisce a un forno che utilizza il principio della fusione a zona per produrre una zona di fusione stretta nell'asta policristallina attraverso un'area chiusa stretta ad alta temperatura del corpo del forno a barra policristallina in un vuoto spinto o gas tubolare al quarzo raro ambiente di protezione.
Un'apparecchiatura di processo che muove un'asta policristallina o un corpo riscaldante del forno per spostare la zona di fusione e cristallizzarla gradualmente in un'asta monocristallina.
La caratteristica della preparazione delle barre monocristalline mediante il metodo di fusione a zone è che la purezza delle barre policristalline può essere migliorata nel processo di cristallizzazione in barre monocristallo e la crescita del drogaggio dei materiali delle barre è più uniforme.
I tipi di forni monocristallo per fusione a zona possono essere suddivisi in due tipi: forni per fusione monocristallo a zona flottante che si basano sulla tensione superficiale e forni per fusione a zona orizzontale. Nelle applicazioni pratiche, i forni a fusione a zona monocristallo adottano generalmente la fusione a zona flottante.
Il forno monocristallino a fusione a zone può preparare silicio monocristallino di elevata purezza e basso contenuto di ossigeno senza la necessità di un crogiolo. Viene utilizzato principalmente per preparare silicio monocristallino ad alta resistività (>20 kΩ·cm) e purificare il silicio con fusione a zone. Questi prodotti vengono utilizzati principalmente nella produzione di dispositivi di potenza discreti.
Il forno a fusione a zona per cristallo singolo è costituito da una camera del forno, un albero superiore e un albero inferiore (parte di trasmissione meccanica), un mandrino per asta di cristallo, un mandrino per cristallo seme, una bobina di riscaldamento (generatore ad alta frequenza), porte del gas (porta del vuoto, ingresso gas, uscita gas superiore), ecc.
Nella struttura della camera del forno è prevista la circolazione dell'acqua di raffreddamento. L'estremità inferiore dell'albero superiore del forno a cristallo singolo è un mandrino per asta di cristallo, che viene utilizzato per bloccare un'asta policristallina; l'estremità superiore dell'albero inferiore è un mandrino di cristallo di seme, che viene utilizzato per bloccare il cristallo di seme.
Alla serpentina di riscaldamento viene fornita un'alimentazione ad alta frequenza e nell'asta policristallina si forma una stretta zona di fusione a partire dall'estremità inferiore. Allo stesso tempo, gli assi superiore e inferiore ruotano e scendono, in modo che la zona di fusione si cristallizzi in un unico cristallo.
I vantaggi del forno monocristallino a fusione a zone sono che non solo può migliorare la purezza del monocristallo preparato, ma anche rendere la crescita del drogaggio dell'asta più uniforme e l'asta monocristallina può essere purificata attraverso più processi.
Gli svantaggi del forno monocristallo a fusione a zona sono gli elevati costi di processo e il diametro ridotto del monocristallo preparato. Attualmente il diametro massimo del monocristallo preparabile è di 200mm.
L'altezza complessiva dell'attrezzatura del forno a cristallo singolo per la fusione a zona è relativamente elevata e la corsa degli assi superiore e inferiore è relativamente lunga, quindi è possibile coltivare aste a cristallo singolo più lunghe.
3. Lavorazione e attrezzature dei wafer
La bacchetta di cristallo deve passare attraverso una serie di processi per formare un substrato di silicio che soddisfi i requisiti della produzione di semiconduttori, vale a dire un wafer. Il processo di elaborazione di base è:
Burattatura, taglio, affettatura, ricottura di wafer, smussatura, molatura, lucidatura, pulizia e imballaggio, ecc.
3.1 Ricottura del wafer
Nel processo di produzione del silicio policristallino e del silicio Czochralski, il silicio monocristallino contiene ossigeno. Ad una certa temperatura, l'ossigeno nel silicio monocristallino donerà elettroni e l'ossigeno verrà convertito in donatori di ossigeno. Questi elettroni si combineranno con le impurità nel wafer di silicio e influenzeranno la resistività del wafer di silicio.
Forno di ricottura: si riferisce a un forno che aumenta la temperatura nel forno a 1000-1200°C in un ambiente di idrogeno o argon. Mantenendo caldo e raffreddando, l'ossigeno vicino alla superficie del wafer di silicio lucido viene volatilizzato e rimosso dalla sua superficie, provocando la precipitazione e la stratificazione dell'ossigeno.
Apparecchiature di processo che dissolvono i microdifetti sulla superficie dei wafer di silicio, riducono la quantità di impurità vicino alla superficie dei wafer di silicio, riducono i difetti e formano un'area relativamente pulita sulla superficie dei wafer di silicio.
Il forno di ricottura è anche chiamato forno ad alta temperatura a causa della sua alta temperatura. L'industria chiama anche gettering il processo di ricottura dei wafer di silicio.
Il forno di ricottura del wafer di silicio è suddiviso in:
-Forno di ricottura orizzontale;
-Forno di ricottura verticale;
-Forno di ricottura rapida.
La differenza principale tra un forno di ricottura orizzontale e un forno di ricottura verticale è la direzione di disposizione della camera di reazione.
La camera di reazione del forno di ricottura orizzontale è strutturata orizzontalmente e un lotto di wafer di silicio può essere caricato contemporaneamente nella camera di reazione del forno di ricottura per la ricottura. Il tempo di ricottura è solitamente compreso tra 20 e 30 minuti, ma la camera di reazione necessita di un tempo di riscaldamento più lungo per raggiungere la temperatura richiesta dal processo di ricottura.
Il processo del forno di ricottura verticale adotta anche il metodo di caricamento simultaneo di un lotto di wafer di silicio nella camera di reazione del forno di ricottura per il trattamento di ricottura. La camera di reazione ha una disposizione della struttura verticale, che consente di posizionare i wafer di silicio in una barca di quarzo in stato orizzontale.
Allo stesso tempo, poiché la barca al quarzo può ruotare nel suo insieme nella camera di reazione, la temperatura di ricottura della camera di reazione è uniforme, la distribuzione della temperatura sul wafer di silicio è uniforme e presenta eccellenti caratteristiche di uniformità di ricottura. Tuttavia, il costo del processo del forno di ricottura verticale è superiore a quello del forno di ricottura orizzontale.
Il forno di ricottura rapida utilizza una lampada alogena al tungsteno per riscaldare direttamente il wafer di silicio, che può raggiungere un riscaldamento o un raffreddamento rapido in un ampio intervallo compreso tra 1 e 250°C/s. La velocità di riscaldamento o raffreddamento è più rapida di quella di un forno di ricottura tradizionale. Sono necessari solo pochi secondi per riscaldare la temperatura della camera di reazione oltre i 1100°C.
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Orario di pubblicazione: 26 agosto 2024