ویفرها مواد اولیه اصلی برای تولید مدارهای مجتمع، دستگاه های نیمه هادی گسسته و دستگاه های قدرت هستند. بیش از 90 درصد مدارهای مجتمع بر روی ویفرهای با خلوص و کیفیت بالا ساخته می شوند.
تجهیزات آماده سازی ویفر به فرآیند ساخت مواد سیلیکونی پلی کریستالی خالص به مواد میله تک کریستال سیلیکونی با قطر و طول معین و سپس قرار دادن مواد میله تک کریستال سیلیکونی به یک سری از پردازش های مکانیکی، عملیات شیمیایی و سایر فرآیندها اشاره دارد.
تجهیزاتی که ویفرهای سیلیکونی یا ویفرهای سیلیکونی اپیتاکسیال را تولید می کند که الزامات دقت هندسی و کیفیت سطح خاصی را برآورده می کند و بستر سیلیکونی مورد نیاز را برای تولید تراشه فراهم می کند.
جریان فرآیند معمولی برای تهیه ویفرهای سیلیکونی با قطر کمتر از 200 میلی متر به شرح زیر است:
رشد تک بلور → برش → نورد با قطر بیرونی → برش → پخ → سنگ زنی → حکاکی → گرفتن → پرداخت → تمیز کردن → اپیتاکسی → بسته بندی و غیره.
جریان اصلی فرآیند برای تهیه ویفرهای سیلیکونی با قطر 300 میلی متر به شرح زیر است:
رشد تک کریستال → برش → نورد با قطر بیرونی → برش → پخ → سنگ زنی سطح → حکاکی → پرداخت لبه → پرداخت دو طرفه → پرداخت یک طرفه → تمیز کردن نهایی → اپیتاکسی / آنیل → بسته بندی و غیره.
1. مواد سیلیکونی
سیلیسیم یک ماده نیمه رسانا است زیرا دارای 4 الکترون ظرفیت است و در گروه IVA جدول تناوبی به همراه سایر عناصر قرار دارد.
تعداد الکترون‌های ظرفیت در سیلیکون، آن را درست بین یک رسانای خوب (1 الکترون ظرفیت) و یک عایق (8 الکترون ظرفیت) قرار می‌دهد.
سیلیکون خالص در طبیعت یافت نمی شود و باید استخراج و خالص شود تا به اندازه کافی برای تولید خالص شود. معمولاً در سیلیس (اکسید سیلیکون یا SiO2) و سایر سیلیکات ها یافت می شود.
اشکال دیگر SiO2 شامل شیشه، کریستال بی رنگ، کوارتز، عقیق و چشم گربه ای است.
اولین ماده ای که به عنوان نیمه هادی استفاده شد، ژرمانیوم در دهه 1940 و اوایل دهه 1950 بود، اما به سرعت با سیلیکون جایگزین شد.
سیلیکون به عنوان ماده نیمه هادی اصلی به چهار دلیل اصلی انتخاب شد:
فراوانی مواد سیلیکونی: سیلیسیم دومین عنصر فراوان روی زمین است که 25 درصد از پوسته زمین را تشکیل می دهد.
نقطه ذوب بالاتر مواد سیلیکونی امکان تحمل فرآیند گسترده تری را فراهم می کند: نقطه ذوب سیلیکون در 1412 درجه سانتیگراد بسیار بالاتر از نقطه ذوب ژرمانیوم در 937 درجه سانتیگراد است. نقطه ذوب بالاتر به سیلیکون اجازه می دهد تا در برابر فرآیندهای با دمای بالا مقاومت کند.
مواد سیلیکونی محدوده دمای عملیاتی بیشتری دارند;
رشد طبیعی اکسید سیلیکون (SiO2)SiO2 یک ماده عایق الکتریکی با کیفیت بالا و پایدار است و به عنوان یک مانع شیمیایی عالی برای محافظت از سیلیکون در برابر آلودگی های خارجی عمل می کند. پایداری الکتریکی برای جلوگیری از نشتی بین هادی های مجاور در مدارهای مجتمع مهم است. توانایی رشد لایه های نازک پایدار از مواد SiO2 برای ساخت دستگاه های نیمه هادی اکسید فلزی با کارایی بالا (MOS-FET) اساسی است. SiO2 خواص مکانیکی مشابهی با سیلیکون دارد و امکان پردازش در دمای بالا را بدون تاب برداشتن بیش از حد ویفر سیلیکونی فراهم می کند.
2. تهیه ویفر
ویفرهای نیمه هادی از مواد نیمه هادی حجیم بریده می شوند. این ماده نیمه هادی، میله کریستالی نامیده می شود که از بلوک بزرگی از مواد ذاتی پلی کریستالی و بدون دود رشد می کند.
تبدیل یک بلوک پلی کریستال به یک تک بلور بزرگ و دادن جهت گیری صحیح کریستالی و مقدار مناسب دوپینگ نوع N یا P به آن رشد کریستال می گویند.
متداول‌ترین فناوری‌های تولید شمش‌های سیلیکونی تک کریستال برای تهیه ویفر سیلیکونی، روش Czochralski و روش ذوب ناحیه‌ای است.
2.1 روش Czochralski و کوره تک کریستال Czochralski
روش Czochralski (CZ) که به عنوان روش Czochralski (CZ) نیز شناخته می شود، به فرآیند تبدیل مایع سیلیکونی درجه نیمه هادی مذاب به شمش های سیلیکونی تک بلوری جامد با جهت گیری صحیح کریستالی و دوپینگ به نوع N یا P- اشاره دارد. نوع
در حال حاضر، بیش از 85 درصد سیلیکون تک کریستال با استفاده از روش Czochralski کشت می شود.
کوره تک کریستالی Czochralski به تجهیزات فرآیندی اطلاق می شود که مواد پلی سیلیکونی با خلوص بالا را با حرارت دادن در یک محیط بسته حفاظتی با خلاء بالا یا گاز کمیاب (یا گاز بی اثر) به مایع تبدیل می کند و سپس آنها را برای تشکیل مواد سیلیکونی تک کریستالی با خاصیت خارجی خاص تبلور مجدد می کند. ابعاد
اصل کار کوره تک کریستال فرآیند فیزیکی مواد سیلیکونی پلی کریستالی است که در حالت مایع به مواد سیلیکونی تک کریستالی تبدیل می شود.
کوره تک کریستال CZ را می توان به چهار قسمت تقسیم کرد: بدنه کوره، سیستم انتقال مکانیکی، سیستم گرمایش و کنترل دما و سیستم انتقال گاز.
بدنه کوره شامل یک حفره کوره، یک محور کریستال دانه، یک بوته کوارتز، یک قاشق دوپینگ، یک پوشش کریستال دانه و یک پنجره مشاهده است.
حفره کوره برای اطمینان از توزیع یکنواخت دمای کوره است و می تواند گرما را به خوبی دفع کند. شفت کریستال دانه برای حرکت کریستال بذر به سمت بالا و پایین و چرخش استفاده می شود. ناخالصی هایی که باید دوپ شوند در قاشق دوپینگ قرار می گیرند.
پوشش کریستال دانه برای محافظت از کریستال دانه در برابر آلودگی است. سیستم انتقال مکانیکی عمدتاً برای کنترل حرکت کریستال بذر و بوته استفاده می شود.
برای اطمینان از اینکه محلول سیلیکون اکسید نمی شود، درجه خلاء در کوره باید بسیار بالا باشد، معمولاً زیر 5 Torr، و خلوص گاز بی اثر اضافه شده باید بالاتر از 99.9999٪ باشد.
یک تکه سیلیکون تک کریستال با جهت کریستالی مورد نظر به عنوان کریستال بذر برای رشد شمش سیلیکون استفاده می شود و شمش سیلیکون رشد یافته مانند یک کپی از کریستال بذر است.
شرایط در سطح مشترک بین سیلیکون مذاب و کریستال دانه سیلیکون تک کریستال باید دقیقاً کنترل شود. این شرایط تضمین می کند که لایه نازک سیلیکون می تواند ساختار کریستال دانه را به دقت تکرار کند و در نهایت به یک شمش سیلیکونی تک کریستالی بزرگ تبدیل شود.
2.2 روش ذوب منطقه و کوره تک کریستال ذوب منطقه
روش منطقه شناور (FZ) شمش های سیلیکونی تک کریستالی را با محتوای اکسیژن بسیار کم تولید می کند. روش منطقه شناور در دهه 1950 توسعه یافت و می تواند خالص ترین سیلیکون تک کریستال تا به امروز را تولید کند.
کوره تک کریستالی ذوب ناحیه ای به کوره ای اطلاق می شود که از اصل ذوب ناحیه ای برای تولید یک منطقه ذوب باریک در میله پلی کریستالی از طریق یک ناحیه بسته باریک با دمای بالا از بدنه کوره میله ای پلی کریستال در خلاء بالا یا گاز لوله کوارتز کمیاب استفاده می کند. حفاظت از محیط زیست
تجهیزات فرآیندی که یک میله پلی کریستالی یا یک بدنه گرمایش کوره را حرکت می دهد تا منطقه ذوب را به حرکت درآورد و به تدریج آن را به یک میله تک کریستالی متبلور کند.
ویژگی تهیه میله های تک کریستال به روش ذوب ناحیه ای این است که خلوص میله های پلی کریستالی را می توان در فرآیند تبلور به میله های تک کریستال بهبود بخشید و رشد دوپینگ مواد میله یکنواخت تر است.
انواع کوره های تک کریستال ذوب منطقه ای را می توان به دو نوع تقسیم کرد: کوره های تک کریستالی ذوب منطقه شناور که بر تنش سطحی متکی هستند و کوره های تک کریستال ذوب منطقه افقی. در کاربردهای عملی، کوره‌های تک کریستالی ذوب ناحیه‌ای معمولاً از ذوب منطقه شناور استفاده می‌کنند.
کوره تک کریستال ذوب منطقه ای می تواند سیلیکون تک کریستال کم اکسیژن با خلوص بالا را بدون نیاز به بوته آماده کند. این عمدتا برای تهیه سیلیکون تک کریستال با مقاومت بالا (> 20kΩ·cm) و تصفیه سیلیکون ذوب منطقه استفاده می شود. این محصولات عمدتاً در ساخت دستگاه های قدرت گسسته استفاده می شوند.
کوره تک کریستالی ذوب منطقه شامل یک محفظه کوره، یک شفت بالا و یک شفت پایین (قسمت انتقال مکانیکی)، یک میله کریستال، یک چاک کریستال دانه، یک سیم پیچ گرمایش (مولد فرکانس بالا)، درگاه های گاز (درگاه خلاء، ورودی گاز، خروجی گاز بالایی) و غیره
در ساختار محفظه کوره، گردش آب خنک کننده مرتب شده است. انتهای پایینی شفت فوقانی کوره تک کریستال یک چاک میله کریستالی است که برای بستن یک میله پلی کریستالی استفاده می شود. انتهای بالایی شفت پایینی یک چاک کریستال بذری است که برای بستن کریستال بذر استفاده می شود.
یک منبع تغذیه با فرکانس بالا به سیم پیچ گرمایشی عرضه می شود و یک منطقه ذوب باریک در میله پلی کریستالی تشکیل می شود که از انتهای پایین شروع می شود. در همان زمان، محورهای بالا و پایین می چرخند و پایین می آیند، به طوری که منطقه ذوب به یک بلور متبلور می شود.
مزایای کوره تک کریستال ذوب منطقه ای این است که نه تنها می تواند خلوص تک کریستال آماده شده را بهبود بخشد، بلکه رشد دوپینگ میله را یکنواخت تر می کند و میله تک کریستال را می توان از طریق چندین فرآیند خالص کرد.
معایب کوره تک کریستال ذوب منطقه ای هزینه های بالای فرآیند و قطر کوچک تک کریستال آماده شده است. در حال حاضر حداکثر قطر تک کریستال قابل تهیه 200 میلی متر است.
ارتفاع کلی تجهیزات کوره تک کریستال ذوب منطقه نسبتاً زیاد است و حرکت محورهای بالایی و پایینی نسبتاً طولانی است، بنابراین میله های تک کریستال بلندتری را می توان رشد داد.
3. پردازش و تجهیزات ویفر
میله کریستالی باید یک سری فرآیندها را طی کند تا یک بستر سیلیکونی تشکیل دهد که الزامات تولید نیمه هادی، یعنی ویفر را برآورده کند. فرآیند اصلی پردازش عبارت است از:
غلت زدن، برش، برش، بازپخت ویفر، پخ زدن، آسیاب، پرداخت، تمیز کردن و بسته بندی و غیره.
3.1 بازپخت ویفر
در فرآیند تولید سیلیکون پلی کریستال و سیلیسیم Czochralski، سیلیکون تک کریستال حاوی اکسیژن است. در دمای معینی، اکسیژن موجود در سیلیکون تک کریستال، الکترون اهدا می کند و اکسیژن به اهداکننده اکسیژن تبدیل می شود. این الکترون ها با ناخالصی های موجود در ویفر سیلیکونی ترکیب می شوند و بر مقاومت ویفر سیلیکونی تأثیر می گذارند.
کوره آنیلینگ: به کوره ای اطلاق می شود که دمای کوره را به 1000-1200 درجه سانتی گراد در محیط هیدروژن یا آرگون افزایش می دهد. با گرم نگه داشتن و خنک شدن، اکسیژن نزدیک سطح ویفر سیلیکونی صیقلی تبخیر شده و از سطح آن جدا می شود و باعث رسوب و لایه لایه شدن اکسیژن می شود.
تجهیزات فرآیندی که عیوب ریز روی سطح ویفرهای سیلیکونی را حل می کند، میزان ناخالصی های نزدیک سطح ویفرهای سیلیکونی را کاهش می دهد، عیوب را کاهش می دهد و ناحیه نسبتاً تمیزی را روی سطح ویفرهای سیلیکونی تشکیل می دهد.
کوره آنیلینگ به دلیل دمای بالا، کوره با دمای بالا نیز نامیده می شود. این صنعت فرآیند بازپخت ویفر سیلیکونی را نیز می‌نامد.
کوره بازپخت ویفر سیلیکونی به دو دسته تقسیم می شود:
-کوره آنیلینگ افقی.
-کوره آنیلینگ عمودی
-کوره بازپخت سریع
تفاوت اصلی بین کوره آنیل افقی و کوره آنیل عمودی در جهت چیدمان محفظه واکنش است.
محفظه واکنش کوره آنیل افقی به صورت افقی ساخته شده است و دسته ای از ویفرهای سیلیکونی را می توان برای بازپخت همزمان در محفظه واکنش کوره آنیل بارگذاری کرد. زمان بازپخت معمولاً 20 تا 30 دقیقه است، اما محفظه واکنش برای رسیدن به دمای مورد نیاز فرآیند بازپخت به زمان حرارت بیشتری نیاز دارد.
فرآیند کوره آنیلینگ عمودی همچنین روش بارگیری همزمان دسته ای از ویفرهای سیلیکونی را در محفظه واکنش کوره آنیل برای عملیات بازپخت اتخاذ می کند. محفظه واکنش دارای طرح ساختاری عمودی است که به ویفرهای سیلیکونی اجازه می دهد در یک قایق کوارتز در حالت افقی قرار گیرند.
در عین حال، از آنجایی که قایق کوارتز می تواند به طور کلی در محفظه واکنش بچرخد، دمای بازپخت محفظه واکنش یکنواخت است، توزیع دما روی ویفر سیلیکونی یکنواخت است و دارای ویژگی های یکنواختی بازپخت عالی است. با این حال، هزینه فرآیند کوره آنیلینگ عمودی بیشتر از کوره آنیل افقی است.
کوره بازپخت سریع از یک لامپ تنگستن هالوژن برای گرم کردن مستقیم ویفر سیلیکونی استفاده می کند که می تواند گرمایش یا خنک کننده سریع را در محدوده وسیعی از 1 تا 250 درجه سانتیگراد در ثانیه انجام دهد. سرعت گرمایش یا سرمایش سریعتر از کوره های آنیلینگ سنتی است. تنها چند ثانیه طول می کشد تا دمای محفظه واکنش تا بالای 1100 درجه سانتی گراد گرم شود.
—————————————————————————————————————————————————— ——
Semicera می تواند ارائه دهدقطعات گرافیت،نمد نرم / سفت،قطعات کاربید سیلیکون, قطعات کاربید سیلیکون CVD، وقطعات با پوشش SiC/TaCبا فرآیند نیمه هادی کامل در 30 روز.
اگر به محصولات نیمه هادی فوق علاقه مند هستید، لطفا در اولین بار با ما تماس بگیرید.
تلفن: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
زمان ارسال: اوت-26-2024