Напівпровідникова пластина

Напівпровідникова пластина, підкладка (англ. wafer) — тонка монокристалічна напівпровідникова пластина, що призначена для створення плівок, гетероструктур, та вирощування монокристалічних шарів за допомогою епітаксії, кристалізації та ін. Використовується як основа для мікроелектронних пристроїв, інтегральних мікросхем. Підкладка проходить багатоетапний процес виготовлення, що включає легування, травлення, осадження різних матеріалів та фотолітографію[1].

Пластини (2, 4, 6, 8 дюймів), готові до нарізки
Спектральне розділення видимого світла в багатошаровому середовищі 300 мм пластини.

В процесі вирощування кристалів вагому роль відіграє відповідність кристалічної решітки кремнієвої пластини кристалу, що наростає. Зокрема вагомим є структурно-геометрична відповідність, а також відсутність дефектів у підкладці. У випадку сильної невідповідності кристалічних решіток підкладки і кристалу, використовують буферний шар для попередження виникнення численних дислокацій.

ІсторіяРедагувати

У 50-х роках Мохамед Аталла досліджував поверхневі властивості кремнієвих напівпровідників у Bell Labs, де він застосував новий метод виготовлення напівпровідникових пристроїв, покривши кремнієву пластину ізоляційним шаром оксиду кремнію, щоб електрони могли надійно проникати до напівпровідного кремнію внизу, долаючи поверхневі стани, які заважали їм досягати напівпровідного шару. Це явище відоме як поверхнева пасивація, метод, який згодом став критичним для напівпровідникової промисловості, оскільки дав можливість масового виробництва інтегральних мікросхем кремнію (ІС). [2] [3] [4] Метод поверхневої пасивації був представлений Аталлою в 1957 р. [5] і пізніше був основою для процесу утворення структури метал-оксид-напівпровідник (МОС), винайденого Аталлою та Доуном Канггом у 1959 р. [2]

До 1960 року кремнієві пластини виготовляли в США такими компаніями, як MEMC / SunEdison . У 1965 році американські інженери Ерік О. Ернст, Дональд Дж. Херд та Джерард Зелі, працюючи в IBM, подали патент US3423629A[6] на перший епітаксіальний апарат високої ємності.

Технологія виготовленняРедагувати

Пластини формуються з високочистого [7] майже бездефектного монокристалічного матеріалу з чистотою 99,9999999% ( 9N ) або вище. [8] Один процес формування монокристалу кремнію відомий як ріст Чохральського, винайдений польським хіміком Яном Чохральським . У цьому процесі утворюється циліндричний злиток монокристалічного напівпровідника високої чистоти, такий як кремній або германій, шляхом витягування затравки з розплаву.[9] [10] Донорні домішки атомів, такі як бор або фосфор у процесі з кремнієм, можуть бути додані до розплавленого власного матеріалу в точних кількостях для того, щоб легувати кристал, таким чином перетворюючи його на зовнішній напівпровідник n-типу або p-типу .

Потім полікристал кремнію нарізається пилкою (тип дротяної пилки ) і шліфується для формування пластин. [11] Площа пластини становить 100–200мм2, а товщина - 100–500мкм. [12] У електроніці використовуються пластини розмірами від 100–450мм у діаметрі. Найбільші мають діаметр 450мм. [13]

Очищення, текстурування та травленняРедагувати

Кремнієві пластини очищаються слабкими кислотами, щоб видалити небажані частинки або відновити пошкодження, спричинені в процесі нарізання. Для використання у сонячних батареях пластини текстуровані для створення шорсткої поверхні для підвищення їх ефективності. Утворене ФСС ( фосфосилікатне скло ) видаляється з краю пластини при травленні . [14]

Властивості вафельРедагувати

Кремнієві пластини випускаються в різних діаметрах від 25,4   мм (1   дюйм) до 300   мм (11,8   дюймів). [15] [16] Установки для виготовлення напівпровідників, відомі як розмови, визначаються діаметром вафельних виробів, який вони виготовляють. Діаметр поступово збільшувався для поліпшення пропускної здатності та зниження собівартості за допомогою сучасної сучасної фабрики з використанням 300 mm із пропозицією прийняти 450 mm . [17] [18] Intel, TSMC і Samsung окремо проводять дослідження з появою 450 mm « прототип » (дослідження) ФАБС, хоча серйозні перешкоди залишаються.

Розмір вафель Товщина Рік випуску [19] Вага вафлі 100 мм2 (10   мм) Плашка за пластину
1-inch (25 mm) 1960 рік
2-inch (51 mm) 275 мкм 1969 рік
3-inch (76 mm) 375   мкм 1972 рік
4-inch (100 mm) 525   мкм 1976 рік 10 грам [20] 56
4.9   дюйм (125)   мм) 625   мкм 1981 рік
150   мм (5,9   дюйм, зазвичай його називають "6 дюймом") 675   мкм 1983 рік
200   мм (7,9   дюйм, зазвичай його називають "8 дюймом") 725   мкм. 1992 рік 53 грами [20] 269
300   мм (11,8   дюйм, зазвичай його називають "12 дюймом") 775   мкм 2002 рік 125 грам [20] 640
450 mm (17,7   дюйм) (запропоновано). [21] 925   мкм майбутнє 342 грами [20] 1490 рік
675-millimetre (26,6 in) (Теоретичний). [22] Невідомо. майбутнє

Вафлі, вирощені з інших матеріалів, ніж кремній, матимуть різну товщину, ніж кремнієві пластини того ж діаметра. Товщина пластин визначається механічною міцністю використовуваного матеріалу; вафля повинна бути досить товстою, щоб підтримувати власну вагу, не розтріскуючись під час обробки. Вага вафлі збільшується по товщині і діаметру.

Історичне збільшення розміру вафельРедагувати

Етап виготовлення вафельних виробів, такий як етап травлення, може виробляти більше чипів, пропорційних збільшенню площі вафель, тоді як вартість кроку виготовлення одиниці збільшується повільніше, ніж область вафельних виробів. Це було основою витрат на збільшення розміру вафельних виробів. Перетворення на 300   мм вафлі від 200   мм вафлі почалися серйозно в 2000 році, і знизили ціну за матрицю приблизно на 30-40%. [23] Вафлі з більшим діаметром дозволяють отримати більше штампів на одну пластину:

Запропонований перехід 450 ммРедагувати

Існує значна стійкість до 450   мм перехід, незважаючи на можливе підвищення продуктивності, через занепокоєння щодо недостатньої віддачі інвестицій. [24] Існують також проблеми, пов’язані із збільшенням варіації пластин між штампом / краєм до краю та додатковими дефектами краю. Очікується, що вафлі на 450 мм коштуватимуть у 4 рази дорожче, ніж 300 мм, а витрати на обладнання очікуються на 20-50%. [25] Вища вартість обладнання для виготовлення напівпровідників для великих пластин збільшує вартість 450   мм фабрики (напівпровідникові засоби виготовлення або фабрики). Літограф Кріс Мак стверджував у 2012 році, що загальна ціна за варту за 450   мм вафлі було б зменшено лише на 10–20% порівняно з 300   мм пластин, оскільки понад 50% загальних витрат на обробку вафель пов'язані з літографією. Перетворення на більші 450   мм вафлі знизили б ціну на валу лише для таких технологічних операцій, як травлення, коли вартість пов'язана з кількістю вафельних виробів, а не площею вафельних виробів. Вартість таких процесів, як літографія, пропорційна площі вафельних виробів, і більш великі пластини не зменшують внесок літографії у вартість загибелі. [26] Nikon планував поставити 450-мм літографічне обладнання у 2015 році, з об’ємним виробництвом у 2017 році. [27] [28] У листопаді 2013 року ASML призупинив розробку 450-мм літографічного обладнання, посилаючись на невизначені терміни попиту виробника мікросхем. [29]

Хронологія для 450   мм не було зафіксовано У 2012 році очікувалося, що в 2017 році почнеться виробництво 450 мм, що так і не було реалізовано. [30] [31] Марк Дуркан, тодішній генеральний директор Micron Technology, заявив у лютому 2014 року, що очікує 450   мм прийняття має бути відкладено на невизначений термін або припинено. "Я не впевнений, що 450 мм коли-небудь трапиться, але, наскільки це буде, це довгий вихід у майбутнє. Мікрону, принаймні, протягом наступних п’яти років, не потрібно багато витрачати на 450 мм багато грошей. Для того, щоб це відбулося, потрібно багато інвестицій, які потрібно вкласти у спільноту обладнання. А цінність наприкінці дня - щоб клієнти купували це обладнання - я вважаю сумнівним ". [32] Станом на березень 2014 року корпорація Intel очікувала 450   мм розміщення до 2020 року (до кінця цього десятиліття). [33] У середині 2014 року Марк Лапедус із semiengineering.com повідомив, що виробники чипів затримали прийняття 450   мм "на осяжне майбутнє". Відповідно до цього звіту, деякі спостерігачі очікували 2018-2020 рр., Тоді як Г. Ден Хатчесон, виконавчий директор VLSI Research, не бачив, щоб 450-мм фабрики рухалися у виробництво до 2020 року до 2025 року. [34]

Крок до 300   мм потрібні значні зміни, повністю автоматизовані фабрики використовують 300   мм вафлі проти ледь автоматизованих заводів на 200   мм вафлі, частково тому, що FOUP на 300   мм вафлі важить близько 7,5 кілограмів [35] при завантаженні 25 300   мм вафлі, де SMIF важить близько 4,8 кілограма [36] [37] [38] при завантаженні 25 200   мм пластин, що вимагає вдвічі більше фізичної сили від заводських робітників і збільшує втому. 300 мм FOUP мають ручки, щоб їх можна було переміщувати вручну. 450 мм FOUP важать 45 кілограмів [39] при завантаженні 25 450   мм вафлі, тому крани необхідні для ручного оброблення FOUPs [40] а ручки більше відсутні в FOUP. ФОУП пересуваються за допомогою вантажно-розвантажувальних систем Muratec або Daifuku . Ці великі інвестиції були здійснені в економічному спаді внаслідок бульбашки крапки, що призвело до величезного опору модернізації до 450   мм за початковими часовими рамками. На пандусі до 450   мм - це те, що кристалічні зливки будуть в 3 рази важчі (загальна вага метричної тони) і охолонуть у 2–4 рази довше, а час процесу буде подвійним. [41] Все сказане, розробка 450   мм вафлі потребує значних витрат, часу та витрат на подолання.

Аналітична оцінка підрахунку штампівРедагувати

Для того, щоб мінімізувати витрати на одну матрицю, виробники бажають максимально збільшити кількість штампів, які можна зробити з однієї пластини; плашки завжди мають квадратну або прямокутну форму через обмеження вафельних висівок . Взагалі, це обчислювально складна проблема, яка не має аналітичного рішення, що залежить як від площі штампів, так і від їх співвідношення сторін (квадратних або прямокутних) та інших міркувань, таких як розмір писанки та простір, який займають структури вирівнювання та випробування. Зверніть увагу, що валові формули DPW враховують лише площу, яка втрачається, оскільки її не можна використовувати для фізичного завершення штампів; валові розрахунки DPW не враховують втрати врожаю через дефекти або параметричні проблеми.


 
Вафельна карта, що демонструє повністю візерункові штампи, і частково візерункові штампи, які не повністю лежать у вафельних виробах.

Тим не менш, кількість валової ваги на пластину ( DPW ) можна оцінити, починаючи з наближення першого порядку або площі відношення вафельних виробів,

  ,

де   - діаметр вафельних виробів (як правило, в мм) і   розмір кожної плашки (мм 2 ). Ця формула просто зазначає, що кількість штампів, які можуть поміститися на пластину, не може перевищувати площу пластини, поділену на площу кожної окремої штампи. Це завжди буде завищувати справжню велику величину DPW, оскільки вона містить у собі ділянку з частково візерунковими плашками, які не повністю лежать на поверхні пластин (див. Малюнок). Ці частково візерункові штампи не є повноцінними ІС, тому їх не можна продати як функціональні частини.

Удосконалення цієї простої формули зазвичай додають корекцію краю для врахування часткових штампів на краю, що в цілому буде більш значним, коли площа штампу велика порівняно із загальною площею пластини. В іншому обмежувальному випадку (нескінченно малі штампи або нескінченно великі пластини) корекція ребер незначна.

Корекційний коефіцієнт або термін корекції, як правило, приймає одну з форм, цитовану Де Врісом: [42]

  (співвідношення площі - окружність / (довжина діагоналі штампу))
або   (відношення площі, масштабоване експоненціальним коефіцієнтом)
або   (відношення площі, масштабоване на поліноміальний коефіцієнт).
Дослідження, що порівнюють ці аналітичні формули з результатами обчислень грубої сили, показують, що формули можна зробити більш точними за практичні діапазони розмірів штампів і співвідношення сторін, шляхом коригування коефіцієнтів поправок до значень вище або нижче єдності та заміною лінійних померти вимір   з   (середня бічна довжина) у випадку штампів із великим співвідношенням сторін: [43]
 
або  
або   .

Кристалічна орієнтаціяРедагувати

 
Алмазна кубічна кристалічна структура осередкової осередку кремнію
 
Квартири можна використовувати для позначення допінгової та кристалографічної орієнтації. Червоний являє собою вилучений матеріал.

Вафлі вирощують із кристала, що має правильну кристалічну структуру, а кремній має алмазну кубічну структуру з решіткою 5,530710 Å (0,5430710   нм). [44] Розрізавши на пластини, поверхня вирівнюється в одному з декількох відносних напрямків, відомих як кристалічні орієнтації. Орієнтація визначається індексом Міллера, найчастішим для кремнію є грані (100) або (111). [44] Орієнтація важлива, оскільки багато структурних та електронних властивостей монокристала є високоанізотропними . Глибина іонної імплантації залежить від кристалічної орієнтації пластин, оскільки кожен напрямок пропонує різні шляхи транспортування. [45] Розщеплення вафель зазвичай відбувається лише в декількох чітко визначених напрямках. Розміщення пластини вздовж площин розщеплення дозволяє легко нарізати кубиками окремі мікросхеми (" штампи "), щоб мільярди окремих елементів ланцюга на середній пластині можна було розділити на багато окремих ланцюгів.


Вирізи кристалографічної орієнтаціїРедагувати

Вафлі до 200 років   Діаметр мм мають квартири, розрізані на одну або кілька сторін, що вказують на кристалографічні площини пластини (як правило, грані {110}). У вафлях попереднього покоління пари квартир під різними кутами додатково передавали допінг-тип (див. Ілюстрацію до умовних умов). Вафлі 200   Діаметр мм і вище використовують одну невелику виїмку, щоб передати орієнтацію вафель, без візуальної вказівки типу допінгу. [46]

Кремнієві пластини, як правило, не є 100% -ним чистим кремнієм, але натомість утворюються з початковою концентрацією допінгу домішок між 10 13 та 10 16 атомами на см 3 бору, фосфору, миш'яку або сурми, які додаються до розплаву і визначають вафлі як або масовий n-тип, або p-тип. [47] Однак, порівняно з атомною щільністю монокристала кремнію 5 × 10 22 атомів на см 3, це все ж дає чистоту, що перевищує 99,9999%. Вафлі також можуть спочатку забезпечуватися деякою інтерстиціальною концентрацією кисню. Забруднення вуглецем та металами зводяться до мінімуму. [48] Зокрема, перехідні метали повинні зберігатись нижче концентрації на мільярд частин для електронних застосувань. [49]

Хоча кремній є переважаючим матеріалом для вафельних виробів, використовуваних в електронній промисловості, також використовуються інші складові матеріали III-V або II-VI . Арсенід галію (GaAs), напівпровідник III-V, що виробляється за допомогою процесу Чохральського, нітрид галію (GaN) та карбід кремнію (SiC), також є поширеними пластинчастими матеріалами, при цьому GaN і Sapphire широко використовуються у виробництві світлодіодів . [50]

Дивись такожРедагувати

  • Вгорі: поліровані 12-дюймові та 6-дюймові кремнієві пластини. Їх кристалографічна орієнтація позначена насічками та плоскими надрізами (зліва). Мікросхеми VLSI виготовлені на 12-inch (300 mm) кремнієва вафля, перед нанесенням та упаковкою (справа).
  • Знизу: сонячні вафлі на конвеєрі (зліва) і завершена сонячна вафля (справа)
  
  




Див. такожРедагувати

ДжерелаРедагувати

  1. Бахрушин В.Е. Получение и физические свойства слаболегированных слоев многослойных композиций. - Запоріжжя: КПУ, 2001. - 247 с.
  2. а б Martin Atalla in Inventors Hall of Fame, 2009. Процитовано 21 June 2013. 
  3. Dawon Kahng. National Inventors Hall of Fame. Процитовано 27 June 2019. 
  4. Lojek, Bo (2007). History of Semiconductor Engineering. Springer Science & Business Media. с. 321–3. ISBN 9783540342588. 
  5. Lojek, Bo (2007). History of Semiconductor Engineering. Springer Science & Business Media. с. 120. ISBN 9783540342588. 
  6. High capacity epitaxial apparatus and method. patents.google.com (en). 
  7. "Semi" SemiSource 2006: A supplement to Semiconductor International. December 2005. Reference Section: How to Make a Chip. Adapted from Design News. Reed Electronics Group.
  8. SemiSource 2006: A supplement to Semiconductor International. December 2005. Reference Section: How to Make a Chip. Adapted from Design News. Reed Electronics Group.
  9. Levy, Roland Albert (1989). Microelectronic Materials and Processes. с. 1–2. ISBN 978-0-7923-0154-7. Процитовано 2008-02-23. 
  10. Grovenor, C. (1989). Microelectronic Materials. CRC Press. с. 113–123. ISBN 978-0-85274-270-9. Процитовано 2008-02-25. 
  11. Nishi, Yoshio (2000). Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology. CRC Press. с. 67–71. ISBN 978-0-8247-8783-7. Процитовано 2008-02-25. 
  12. Silicon Solar Cell Parameters. Процитовано 2019-06-27. 
  13. Evolution of the Silicon Wafer. F450C. 
  14. Archived copy. Архів оригіналу за 2009-02-04. Процитовано 2008-11-26. 
  15. Evolution Of Silicon Wafer | F450C. F450C (en-US). Процитовано 2015-12-17. 
  16. Silicon Wafer. Архів оригіналу за 2008-02-20. Процитовано 2008-02-23. 
  17. Intel, Samsung, TSMC reach agreement about 450mm tech. intel.com. 
  18. Presentations/PDF/FEP.pdf ITRS Presentation (PDF)[недоступне посилання]
  19. Evolution Of Silicon Wafer | F450C. F450C (en-US). Процитовано 2015-12-17. 
  20. а б в г 450 mm Wafer Handling Systems. web.archive.org. December 7, 2013. 
  21. LaPedus, Mark. Industry agrees on first 450-mm wafer standard. EETimes. 
  22. The Evolution of AMHS. www.daifuku.com. 
  23. Undeveloped. semiconductor.net - Domain Name For Sale. Undeveloped. 
  24. Undeveloped. semiconductor.net - Domain Name For Sale. Undeveloped. 
  25. https://www.eetimes.com/collaborative-advantage-design-impact-of-450mm-transition/
  26. Lithoguru | Musings of a Gentleman Scientist. life.lithoguru.com (en-US). Процитовано 2018-01-04. 
  27. Error on call to Template:cite press release: Parameter title must be specified
  28. LaPedus, Mark (2013-09-13). Litho Roadmap Remains Cloudy. semiengineering.com (Sperling Media Group LLC). Процитовано 2014-07-14. «Nikon planned to ship 'early learning tools' by 2015. 'As we have said, we will be shipping to meet customer orders in 2015,' said Hamid Zarringhalam, executive vice president at Nikon Precision.» 
  29. ASML 2013 Annual Report Form (20-F) (XBRL). United States Securities and Exchange Commission. February 11, 2014. «In November 2013, following our customers’ decision, ASML decided to pause the development of 450 mm lithography systems until customer demand and the timing related to such demand is clear.» 
  30. https://www.eetimes.com/first-450-mm-fabs-to-ramp-in-2017-says-analyst/
  31. https://www.eetimes.com/construction-of-450mm-fab-well-underway/
  32. 450mm May Never Happen, says Micron CEO. electronicsweekly.com. 11 February 2014. 
  33. Intel says 450 mm will deploy later in decade. 2014-03-18. Процитовано 2014-05-31. 
  34. LaPedus, Mark (2014-05-15). Is 450mm Dead In The Water?. semiengineering.com (California: Sperling Media Group LLC). Архів оригіналу за 2014-06-05. Процитовано 2014-06-04. «Intel and the rest of the industry have delayed the shift to 450 mm fabs for the foreseeable future, leaving many to ponder the following question—Is 450 mm technology dead in the water? The answer: 450 mm is currently treading water.» 
  35. MW 300GT | Wafer Cases | Shin-Etsu Polymer Co., Ltd. www.shinpoly.co.jp. 
  36. SMIF Pod-Chung King Enterprise Co., Ltd.. www.ckplas.com. 
  37. Wafer Cassette-Chung King Enterprise Co., Ltd.. www.ckplas.com. 
  38. 450 mm Wafer Handling Systems. web.archive.org. December 7, 2013. 
  39. Standing out from the Crowd on 450mm | 450mm News and Analysis. 
  40. H-Square Ergolift Cleanroom Lift Carts. www.h-square.com. Архів оригіналу за 2019-05-27. Процитовано 2019-05-27. 
  41. Undeveloped. semiconductor.net - Domain Name For Sale. Undeveloped. Архів оригіналу за 2018-08-21. Процитовано 2018-08-20. 
  42. Dirk K. de Vries (2005). Investigation of gross die per wafer formulas. IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing 18 (February 2005): 136–139. doi:10.1109/TSM.2004.836656. 
  43. Dirk K. de Vries (2005). Investigation of gross die per wafer formulas. IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing 18 (February 2005): 136–139. doi:10.1109/TSM.2004.836656. 
  44. а б O'Mara, William C. (1990). Handbook of Semiconductor Silicon Technology. William Andrew Inc. с. 349–352. ISBN 978-0-8155-1237-0. Процитовано 2008-02-24. 
  45. Nishi, Yoshio (2000). Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology. CRC Press. с. 108–109. ISBN 978-0-8247-8783-7. Процитовано 2008-02-25. 
  46. Wafer Flats. Процитовано 2008-02-23. 
  47. Widmann, Dietrich (2000). Technology of Integrated Circuits. Springer. с. 39. ISBN 978-3-540-66199-3. Процитовано 2008-02-24. 
  48. Levy, Roland Albert (1989). Microelectronic Materials and Processes. с. 6–7, 13. ISBN 978-0-7923-0154-7. Процитовано 2008-02-23. 
  49. Rockett, Angus (2008). The Materials Science of Semiconductors. с. 13. ISBN 978-0-387-25653-5. 
  50. Grovenor, C. (1989). Microelectronic Materials. CRC Press. с. 113–123. ISBN 978-0-85274-270-9. Процитовано 2008-02-25.