Вафля (электроника) - Wafer (electronics)

полированные кремниевые пластины диаметром 12 дюймов и 6 дюймов Микросхемы СБИС на 12-дюймовой пластине
Солнечные пластины на конвейере Готовая солнечная пластина
  • 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 называемые срезом или субстратом ) представляют собой тонкий срез полупроводника , такие как кристаллический кремний (с-Si), используемый для изготовления из интегральных схем и, в фотоэлектрических , для производства солнечных элементов . 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

В производстве полупроводников или кремниевых пластин термин «пластина» появился в 1950-х годах для описания тонкого круглого среза полупроводникового материала, обычно германия или кремния. Круглая форма получается из монокристаллических слитков, обычно получаемых по методу Чохральского . Кремниевые пластины были впервые представлены в 1940-х годах.

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 на первый эпитаксиальный аппарат большой емкости .

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

Производство

Формирование

Пластины изготовлены из монокристаллического материала высокой степени чистоты, практически без дефектов , с чистотой 99,9999999% ( 9N ) или выше. Один из способов формирования кристаллических пластин известен как метод 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 . Атомы донорной примеси, такие как бор или фосфор в случае кремния, могут быть добавлены 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. Размер пластин для фотовольтаики составляет 100–200 мм в квадрате, а толщина - 100–500 мкм. В электронике используются пластины диаметром от 100 до 450 мм. Самые большие изготовленные пластины имеют диаметр 450 мм, но пока еще не используются.

Очистка, текстурирование и травление

Вафли очищаются слабыми кислотами для удаления нежелательных частиц или ремонта повреждений, нанесенных в процессе распиловки. Существует несколько стандартных процедур очистки, позволяющих убедиться в отсутствии загрязнений на поверхности кремниевой пластины. 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 .

Свойства вафли

Стандартные размеры пластин

Кремний

Силиконовые пластины доступны в различных диаметрах от 25,4 мм (1 дюйм) до 300 мм (11,8 дюйма). 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 . Intel , TSMC и Samsung по отдельности проводили исследования по поводу появления 450-миллиметровых « прототипов » (исследовательских) фабрик , хотя серьезные препятствия остаются.

2-дюймовые (51 мм), 4-дюймовые (100 мм), 6-дюймовые (150 мм) и 8-дюймовые (200 мм) пластины
Размер вафли Типичная толщина Год введения Вес на пластину 100 мм2 (10 мм) матрицы на пластину
1 дюйм (25 мм) 1960 г.
2 дюйма (51 мм) 275 мкм 1969 г. 9
3 дюйма (76 мм) 375 мкм 1972 г. 29
4 дюйма (100 мм) 525 мкм 1976 г. 10 грамм 56
4,9 дюйма (125 мм) 625 мкм 1981 г. 95
150 мм (5,9 дюйма, обычно называемое «6 дюймов») 675 мкм 1983 г. 144
200 мм (7,9 дюйма, обычно называемый «8 дюймов») 725 мкм. 1992 г. 53 грамма 269
300 мм (11,8 дюйма, обычно называемое «12 дюймов») 775 мкм 2002 г. 125 грамм 640
450 мм (17,7 дюйма) (предлагается) 925 мкм - 342 грамма 1490
675 миллиметров (26,6 дюйма) (теоретическое) неизвестный - неизвестный 3427

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.

Историческое увеличение размера пластины

Единица этапа изготовления пластины , такая как стадия травления, может производить больше микросхем, пропорциональных увеличению площади пластины, в то время как стоимость стадии изготовления единицы увеличивается медленнее, чем площадь пластины. Это была основа стоимости для увеличения размера пластины. Преобразование пластин диаметром 300 мм из пластин диаметром 200 мм началось в начале 2000 года и снизило цену за кристалл примерно на 30-40%. Пластины большего диаметра позволяют устанавливать больше кристаллов на пластину.

Фотоэлектрические

Размер пластины M1 (156,75 мм) постепенно прекращается 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.

Кристаллическая ориентация

Кубическая кристаллическая структура алмаза в элементарной ячейке кремния
Плоскости могут использоваться для обозначения легирования и кристаллографической ориентации. Красный представляет материал, который был удален.

Пластины выращивают из кристалла, имеющего правильную кристаллическую структуру , с кремнием, имеющим кубическую структуру алмаза с шагом решетки 5,430710 Å (0,5430710 нм). 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. 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.

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.

Кристаллографические ориентационные выемки

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.

Примесное легирование

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. Однако по сравнению с атомной плотностью монокристаллического кремния 5 × 10 22 атомов на см 3 , это по-прежнему дает чистоту выше 99,9999%. Пластины также могут быть изначально снабжены некоторой концентрацией межузельного кислорода. Углеродное и металлическое загрязнение сведено к минимуму. Концентрации переходных металлов , в частности, должны быть ниже частей на миллиард для электронных приложений.

Пластины 450 мм

Вызовы

Несмотря на возможное повышение производительности, переход на 450 мм вызывает значительное сопротивление из-за недостаточной окупаемости инвестиций. Также существуют проблемы, связанные с увеличенным разбросом между кристаллами / от края до края и дополнительными краевыми дефектами. Ожидается, что пластины диаметром 450 мм будут стоить в 4 раза дороже, чем пластины диаметром 300 мм, а стоимость оборудования вырастет на 20–50%. Более дорогое оборудование для производства полупроводников для больших пластин увеличивает стоимость фабрик диаметром 450 мм (производственные мощности или фабрики по производству полупроводников). Литограф Крис Мак заявил в 2012 году, что общая цена за кристалл для пластин диаметром 450 мм будет снижена всего на 10–20% по сравнению с пластинами 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 связана с количеством пластин, а не с площадью пластины. Стоимость таких процессов, как литография, пропорциональна площади пластины, и пластины большего размера не уменьшат вклад литографии в стоимость кристалла.

Nikon планировал поставить 450-миллиметровое литографическое оборудование в 2015 году, а объемы производства - в 2017. В ноябре 2013 года ASML приостановила разработку 450-миллиметрового литографического оборудования, сославшись на неопределенность сроков спроса со стороны производителей микросхем.

В 2012 году группа, состоящая из компаний штата Нью-Йорк ( SUNY Poly / College of Nanoscale Science and Engineering (CNSE)), Intel, TSMC, Samsung, IBM, Globalfoundries и Nikon, сформировала государственно-частное партнерство под названием Global 450mm Consortium (G450C, аналогично SEMATECH ), который составил 5-летний план (срок действия которого истекает в 2016 году) по разработке «рентабельной инфраструктуры производства пластин, прототипов оборудования и инструментов для обеспечения скоординированного перехода отрасли на уровень пластин диаметром 450 мм». В середине 2014 года CNSE объявила, что представит первые полностью структурированные пластины диаметром 450 мм на выставке SEMICON West. В начале 2017 года G450C начал прекращать свою деятельность по исследованию пластин диаметром 450 мм по нераскрытым причинам. Различные источники предполагают, что кончина группы произошла после обвинений в сговоре на торгах, выдвинутых против Алена Э. Калойероса , который в то время был исполнительным директором SUNY Poly. Осознание в отрасли того факта, что оптимизация производства на 300 мм обходится дешевле, чем дорогостоящий переход на 450 мм, также могло сыграть свою роль.

Сроки для 450 мм не зафиксированы. В 2012 году ожидалось, что производство 450 мм начнется в 2017 году, но этого так и не произошло. Марк Дуркан, тогдашний генеральный директор Micron Technology , сказал 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 произойдет, 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 450мм.

Чтобы это произошло, необходимо вложить много средств в сообщество, специализирующееся на оборудовании. И ценность в конечном итоге - чтобы клиенты покупали это оборудование - я считаю сомнительной ». По состоянию на март 2014 года корпорация Intel ожидала развертывания 450 мм к 2020 году (к концу этого десятилетия). Марк Лапедус из полуинжиниринга .com сообщил в середине 2014 года, что производители микросхем отложили принятие 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 450 мм. фабрики переходят в производство до 2020-2025 гг.

Шаг до 300 мм потребовал серьезных изменений: полностью автоматизированные заводы, 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 при загрузке 25 пластин 300 мм, где SMIF Весит около 4,8 кг при загрузке пластин диаметром 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 при загрузке 25 пластин 450 мм, поэтому для ручной работы с FOUP необходимы краны, а ручки 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 после пузыря доткомов , что привело к огромному сопротивлению модернизации до 450 мм к первоначальным временным рамкам. 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. В общем, разработка пластин диаметром 450 мм требует значительных инженерных, временных и финансовых затрат.

Аналитическая оценка количества штампов

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, накладываемых на пластины . 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; В расчетах валового DPW не учитываются потери урожая из-за дефектов или параметрических проблем.

Карта пластин, на которой показаны кристаллы с полностью нанесенным рисунком и кристаллы с частичным рисунком, которые не полностью лежат внутри пластины.

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

,

куда

  • диаметр пластины (обычно в мм)
  • 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.

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.

Поправочный коэффициент или поправочный член обычно принимает одну из форм, приведенных Де Фризом:

(отношение площадей - окружность / (длина диагонали матрицы))
или (отношение площадей в экспоненциальном масштабе)
или (отношение площадей, масштабируемое полиномиальным коэффициентом).

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:

или
или .

Составные полупроводники

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 III-V, производимый методом Чохральского, нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC) также являются распространенными материалами для пластин, при этом GaN и сапфир широко используются в производстве светодиодов .

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки