เวเฟอร์เป็นวัตถุดิบหลักสำหรับการผลิตวงจรรวม อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์แบบแยกส่วน และอุปกรณ์กำลัง วงจรรวมมากกว่า 90% ผลิตขึ้นจากเวเฟอร์ที่มีความบริสุทธิ์สูงและมีคุณภาพสูง
อุปกรณ์เตรียมเวเฟอร์หมายถึงกระบวนการทำวัสดุซิลิกอนคริสตัลไลน์บริสุทธิ์ให้เป็นวัสดุแท่งผลึกเดี่ยวของซิลิคอนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวที่แน่นอน จากนั้นนำวัสดุแท่งผลึกเดี่ยวของซิลิคอนไปผ่านกระบวนการทางกล การบำบัดทางเคมี และกระบวนการอื่น ๆ
อุปกรณ์ที่ผลิตเวเฟอร์ซิลิคอนหรือเวเฟอร์ซิลิกอนเอพิแทกเซียลที่ตรงตามข้อกำหนดด้านความแม่นยำทางเรขาคณิตและคุณภาพพื้นผิว และให้ซับสเตรตซิลิกอนที่จำเป็นสำหรับการผลิตชิป
ขั้นตอนทั่วไปในการเตรียมเวเฟอร์ซิลิคอนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 200 มม. มีดังนี้:
การเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยว → การตัด → การกลิ้งเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก → การหั่น → การลบมุม → การบด → การแกะสลัก → การทะเยอทะยาน → การขัด → การทำความสะอาด → epitaxy → บรรจุภัณฑ์ ฯลฯ
ขั้นตอนหลักในการเตรียมเวเฟอร์ซิลิคอนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 300 มม. มีดังต่อไปนี้:
การเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยว → การตัด → การกลิ้งเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก → การหั่น → การลบมุม → การเจียรพื้นผิว → การแกะสลัก → การขัดขอบ → การขัดสองด้าน → การขัดด้านเดียว → การทำความสะอาดขั้นสุดท้าย → epitaxy / การหลอม → บรรจุภัณฑ์ ฯลฯ
1.วัสดุซิลิกอน
ซิลิคอนเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เนื่องจากมีเวเลนซ์อิเล็กตรอน 4 ตัว และอยู่ในกลุ่ม IVA ของตารางธาตุร่วมกับองค์ประกอบอื่นๆ
จำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนในซิลิคอนจะอยู่ระหว่างตัวนำที่ดี (1 วาเลนซ์อิเล็กตรอน) และฉนวน (8 วาเลนซ์อิเล็กตรอน)
ซิลิคอนบริสุทธิ์ไม่พบในธรรมชาติ และจะต้องสกัดและทำให้บริสุทธิ์เพื่อให้บริสุทธิ์เพียงพอสำหรับการผลิต มักพบในซิลิกา (ซิลิคอนออกไซด์หรือ SiO2) และซิลิเกตอื่นๆ
SiO2 รูปแบบอื่นๆ ได้แก่ แก้ว คริสตัลไม่มีสี ควอตซ์ อาเกต และตาแมว
วัสดุชนิดแรกที่ใช้เป็นเซมิคอนดักเตอร์คือเจอร์เมเนียมในทศวรรษปี 1940 และต้นทศวรรษ 1950 แต่ถูกแทนที่ด้วยซิลิคอนอย่างรวดเร็ว
ซิลิคอนได้รับเลือกให้เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์หลักด้วยเหตุผลหลักสี่ประการ:
ความอุดมสมบูรณ์ของวัสดุซิลิกอน: ซิลิคอนเป็นธาตุที่มีมากเป็นอันดับสองของโลก คิดเป็น 25% ของเปลือกโลก
จุดหลอมเหลวที่สูงขึ้นของวัสดุซิลิกอนช่วยให้กระบวนการมีความทนทานต่อกระบวนการกว้างขึ้น: จุดหลอมเหลวของซิลิคอนที่อุณหภูมิ 1412°C สูงกว่าจุดหลอมเหลวของเจอร์เมเนียมที่ 937°C มาก จุดหลอมเหลวที่สูงขึ้นทำให้ซิลิคอนสามารถทนต่อกระบวนการที่อุณหภูมิสูงได้
วัสดุซิลิกอนมีช่วงอุณหภูมิการทำงานที่กว้างขึ้น;
การเจริญเติบโตตามธรรมชาติของซิลิคอนออกไซด์ (SiO2): SiO2 เป็นวัสดุฉนวนไฟฟ้าคุณภาพสูงและเสถียร และทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันสารเคมีที่ดีเยี่ยมในการปกป้องซิลิคอนจากการปนเปื้อนภายนอก เสถียรภาพทางไฟฟ้าเป็นสิ่งสำคัญเพื่อหลีกเลี่ยงการรั่วไหลระหว่างตัวนำที่อยู่ติดกันในวงจรรวม ความสามารถในการขยายชั้นบางๆ ของวัสดุ SiO2 ที่มีความเสถียรเป็นพื้นฐานในการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์โลหะออกไซด์ (MOS-FET) ประสิทธิภาพสูง SiO2 มีคุณสมบัติเชิงกลคล้ายกับซิลิคอน ทำให้สามารถแปรรูปที่อุณหภูมิสูงโดยไม่เกิดการบิดเบี้ยวของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนมากเกินไป
2.การเตรียมเวเฟอร์
เวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์ถูกตัดจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์จำนวนมาก วัสดุเซมิคอนดักเตอร์นี้เรียกว่าแท่งคริสตัล ซึ่งเติบโตจากบล็อกโพลีคริสตัลไลน์ขนาดใหญ่และวัสดุภายในที่ไม่มีการเจือปน
การเปลี่ยนบล็อกโพลีคริสตัลไลน์ให้เป็นผลึกเดี่ยวขนาดใหญ่ และกำหนดทิศทางของคริสตัลที่ถูกต้องและปริมาณการเติมชนิด N หรือ P-ประเภทที่เหมาะสม เรียกว่าการเติบโตของคริสตัล
เทคโนโลยีที่พบบ่อยที่สุดในการผลิตแท่งซิลิคอนผลึกเดี่ยวสำหรับการเตรียมเวเฟอร์ซิลิคอนคือวิธี Czochralski และวิธีการหลอมโซน
2.1 วิธี Czochralski และเตาผลึกเดี่ยวของ Czochralski
วิธี Czochralski (CZ) หรือที่รู้จักในชื่อวิธี Czochralski (CZ) หมายถึงกระบวนการแปลงของเหลวซิลิคอนเกรดเซมิคอนดักเตอร์หลอมเหลวให้เป็นแท่งซิลิคอนผลึกเดี่ยวแข็งที่มีการวางแนวผลึกที่ถูกต้อง และเจือเป็นประเภท N หรือ P- พิมพ์.
ปัจจุบัน ซิลิคอนผลึกเดี่ยวมากกว่า 85% ปลูกโดยใช้วิธี Czochralski
เตาผลึกเดี่ยวของ Czochralski หมายถึงอุปกรณ์ในกระบวนการผลิตที่หลอมวัสดุโพลีซิลิคอนที่มีความบริสุทธิ์สูงให้เป็นของเหลวโดยการให้ความร้อนในสุญญากาศสูงแบบปิดหรือสภาพแวดล้อมการป้องกันก๊าซหายาก (หรือก๊าซเฉื่อย) จากนั้นจึงตกผลึกใหม่เพื่อสร้างวัสดุซิลิกอนผลึกเดี่ยวที่มีภายนอกบางอย่าง ขนาด
หลักการทำงานของเตาผลึกเดี่ยวคือกระบวนการทางกายภาพของวัสดุซิลิกอนโพลีคริสตัลไลน์ที่ตกผลึกใหม่เป็นวัสดุซิลิกอนผลึกเดี่ยวในสถานะของเหลว
เตาคริสตัลเดี่ยว CZ สามารถแบ่งออกเป็นสี่ส่วน: ตัวเตา ระบบส่งกำลังทางกล ระบบทำความร้อนและควบคุมอุณหภูมิ และระบบส่งก๊าซ
ตัวเตาประกอบด้วยโพรงเตาหลอม แกนคริสตัลเมล็ดพืช ถ้วยใส่ตัวอย่างควอตซ์ ช้อนเติมสาร ฝาครอบคริสตัลเมล็ดพืช และหน้าต่างสังเกต
ช่องเตาเผาคือเพื่อให้แน่ใจว่าอุณหภูมิในเตาเผามีการกระจายอย่างสม่ำเสมอและสามารถกระจายความร้อนได้ดี เพลาคริสตัลเมล็ดใช้ในการขับเคลื่อนคริสตัลเมล็ดเพื่อเลื่อนขึ้นและลงและหมุน สิ่งสกปรกที่ต้องเจือจะถูกใส่ลงในช้อนยาสลบ
ฝาครอบผลึกเมล็ดมีไว้เพื่อปกป้องผลึกเมล็ดจากการปนเปื้อน ระบบส่งกำลังทางกลส่วนใหญ่จะใช้เพื่อควบคุมการเคลื่อนที่ของผลึกเมล็ดและถ้วยใส่ตัวอย่าง
เพื่อให้แน่ใจว่าสารละลายซิลิกอนไม่ถูกออกซิไดซ์ ระดับสุญญากาศในเตาเผาจะต้องสูงมาก โดยทั่วไปจะต่ำกว่า 5 Torr และความบริสุทธิ์ของก๊าซเฉื่อยที่เติมจะต้องมากกว่า 99.9999%
ชิ้นส่วนของซิลิคอนผลึกเดี่ยวที่มีการวางแนวคริสตัลที่ต้องการนั้นถูกใช้เป็นผลึกเมล็ดพืชเพื่อปลูกแท่งซิลิคอน และแท่งซิลิคอนที่โตแล้วก็เหมือนกับแบบจำลองของผลึกเมล็ด
เงื่อนไขที่จุดเชื่อมต่อระหว่างซิลิคอนหลอมเหลวและผลึกเมล็ดซิลิคอนผลึกเดี่ยวจำเป็นต้องได้รับการควบคุมอย่างแม่นยำ เงื่อนไขเหล่านี้ช่วยให้แน่ใจว่าชั้นบางๆ ของซิลิคอนสามารถจำลองโครงสร้างของผลึกเมล็ดพืชได้อย่างแม่นยำ และในที่สุดจะเติบโตเป็นแท่งซิลิคอนผลึกเดี่ยวขนาดใหญ่
2.2 วิธีการหลอมแบบโซนและเตาหลอมคริสตัลเดี่ยวแบบโซน
วิธีโซนลอยตัว (FZ) ผลิตแท่งซิลิคอนผลึกเดี่ยวที่มีปริมาณออกซิเจนต่ำมาก วิธีโซนลอยตัวได้รับการพัฒนาในทศวรรษ 1950 และสามารถผลิตซิลิคอนผลึกเดี่ยวที่บริสุทธิ์ที่สุดจนถึงปัจจุบัน
เตาหลอมคริสตัลเดี่ยวโซนหมายถึงเตาที่ใช้หลักการของการหลอมโซนเพื่อสร้างโซนหลอมเหลวแคบในแท่งโพลีคริสตัลไลน์ผ่านพื้นที่ปิดแคบที่มีอุณหภูมิสูงของตัวเตาแท่งโพลีคริสตัลไลน์ในสุญญากาศสูงหรือก๊าซหลอดควอทซ์ที่หายาก สภาพแวดล้อมการป้องกัน
อุปกรณ์ในกระบวนการที่เคลื่อนย้ายแท่งโพลีคริสตัลไลน์หรือตัวทำความร้อนของเตาเผาเพื่อย้ายโซนหลอมเหลวและค่อยๆ ตกผลึกเป็นแท่งคริสตัลเดี่ยว
ลักษณะของการเตรียมแท่งคริสตัลเดี่ยวโดยวิธีการละลายแบบโซนคือ ความบริสุทธิ์ของแท่งคริสตัลไลน์สามารถปรับปรุงได้ในกระบวนการตกผลึกเป็นแท่งคริสตัลเดี่ยว และการเติบโตของวัสดุแท่งที่เติมสารกระตุ้นจะมีความสม่ำเสมอมากขึ้น
ประเภทของเตาหลอมผลึกเดี่ยวแบบโซนสามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภท ได้แก่ เตาหลอมผลึกเดี่ยวแบบลอยตัวที่อาศัยแรงตึงผิวและเตาหลอมผลึกเดี่ยวแบบโซนแนวนอน ในการใช้งานจริง เตาหลอมผลึกเดี่ยวแบบโซนโดยทั่วไปจะใช้การหลอมแบบลอยตัว
เตาหลอมผลึกเดี่ยวแบบโซนสามารถเตรียมซิลิคอนผลึกเดี่ยวออกซิเจนต่ำที่มีความบริสุทธิ์สูงโดยไม่ต้องใช้ถ้วยใส่ตัวอย่าง ส่วนใหญ่จะใช้เพื่อเตรียมซิลิคอนผลึกเดี่ยวที่มีความต้านทานสูง (>20kΩ·cm) และทำให้ซิลิคอนที่หลอมละลายโซนบริสุทธิ์ ผลิตภัณฑ์เหล่านี้ส่วนใหญ่ใช้ในการผลิตอุปกรณ์ไฟฟ้าแบบแยกส่วน
เตาหลอมคริสตัลเดี่ยวแบบโซนประกอบด้วยห้องเตาหลอม เพลาด้านบนและเพลาล่าง (ส่วนส่งกำลังเชิงกล) หัวจับแท่งคริสตัล หัวจับคริสตัลเมล็ด คอยล์ทำความร้อน (เครื่องกำเนิดความถี่สูง) พอร์ตก๊าซ (พอร์ตสูญญากาศ ช่องเติมแก๊ส, ช่องจ่ายแก๊สด้านบน) ฯลฯ
ในโครงสร้างห้องเตาเผา จะมีการหมุนเวียนของน้ำหล่อเย็น ปลายล่างของเพลาด้านบนของเตาคริสตัลเดี่ยวคือหัวจับแท่งคริสตัล ซึ่งใช้ในการยึดแท่งคริสตัลไลน์ ปลายด้านบนของเพลาล่างคือหัวจับคริสตัลเมล็ดซึ่งใช้ยึดคริสตัลเมล็ด
แหล่งจ่ายไฟความถี่สูงจะจ่ายให้กับคอยล์ทำความร้อน และโซนการหลอมเหลวแคบจะถูกสร้างขึ้นในแท่งโพลีคริสตัลไลน์โดยเริ่มจากปลายล่าง ในเวลาเดียวกัน แกนบนและล่างจะหมุนและเคลื่อนลงมา เพื่อให้โซนการหลอมละลายตกผลึกเป็นผลึกเดี่ยว
ข้อดีของเตาหลอมผลึกเดี่ยวแบบโซนคือไม่เพียงแต่สามารถปรับปรุงความบริสุทธิ์ของผลึกเดี่ยวที่เตรียมไว้เท่านั้น แต่ยังทำให้การเจริญเติบโตของแท่งยาสลบมีความสม่ำเสมอมากขึ้น และแท่งคริสตัลเดี่ยวสามารถทำให้บริสุทธิ์ผ่านกระบวนการต่างๆ
ข้อเสียของเตาหลอมผลึกเดี่ยวแบบโซนคือต้นทุนกระบวนการที่สูงและมีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กของผลึกเดี่ยวที่เตรียมไว้ ปัจจุบันเส้นผ่านศูนย์กลางสูงสุดของผลึกเดี่ยวที่สามารถเตรียมได้คือ 200 มม.
ความสูงโดยรวมของโซนหลอมอุปกรณ์เตาผลึกเดี่ยวค่อนข้างสูง และระยะชักของแกนบนและล่างค่อนข้างยาว ดังนั้นแท่งคริสตัลเดี่ยวจึงยาวขึ้นได้
3. การแปรรูปเวเฟอร์และอุปกรณ์
แท่งคริสตัลจำเป็นต้องผ่านกระบวนการต่างๆ มากมายเพื่อสร้างสารตั้งต้นซิลิกอนที่ตรงตามข้อกำหนดของการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งก็คือ เวเฟอร์ กระบวนการประมวลผลขั้นพื้นฐานคือ:
ไม้ลอย การตัด การหั่น การหลอมแผ่นเวเฟอร์ การลบมุม การเจียร การขัดเงา การทำความสะอาดและการบรรจุหีบห่อ ฯลฯ
3.1 การหลอมเวเฟอร์
ในกระบวนการผลิตซิลิคอนโพลีคริสตัลไลน์และซิลิกอน Czochralski ซิลิคอนผลึกเดี่ยวจะประกอบด้วยออกซิเจน ที่อุณหภูมิหนึ่ง ออกซิเจนในซิลิคอนผลึกเดี่ยวจะบริจาคอิเล็กตรอน และออกซิเจนจะถูกแปลงเป็นผู้บริจาคออกซิเจน อิเล็กตรอนเหล่านี้จะรวมตัวกับสิ่งเจือปนในแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน และส่งผลต่อความต้านทานของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน
เตาหลอม: หมายถึงเตาเผาที่เพิ่มอุณหภูมิในเตาเผาเป็น 1,000-1200°C ในสภาพแวดล้อมที่มีไฮโดรเจนหรืออาร์กอน ด้วยการรักษาความอบอุ่นและความเย็น ออกซิเจนที่อยู่ใกล้พื้นผิวของเวเฟอร์ซิลิคอนขัดเงาจะถูกระเหยและกำจัดออกจากพื้นผิว ทำให้ออกซิเจนตกตะกอนและชั้น
อุปกรณ์ในกระบวนการผลิตที่ละลายข้อบกพร่องระดับไมโครบนพื้นผิวของเวเฟอร์ซิลิคอน ลดปริมาณสิ่งเจือปนใกล้พื้นผิวของเวเฟอร์ซิลิคอน ลดข้อบกพร่อง และสร้างพื้นที่ที่ค่อนข้างสะอาดบนพื้นผิวของเวเฟอร์ซิลิคอน
เตาหลอมเรียกอีกอย่างว่าเตาอุณหภูมิสูงเนื่องจากมีอุณหภูมิสูง อุตสาหกรรมยังเรียกกระบวนการอบอ่อนซิลิคอนเวเฟอร์
เตาหลอมเวเฟอร์ซิลิคอนแบ่งออกเป็น:
- เตาหลอมแนวนอน
- เตาหลอมแนวตั้ง
- เตาหลอมอย่างรวดเร็ว
ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างเตาหลอมแนวนอนและเตาหลอมแนวตั้งคือทิศทางโครงร่างของห้องปฏิกิริยา
ห้องปฏิกิริยาของเตาหลอมแนวนอนนั้นมีโครงสร้างในแนวนอน และสามารถโหลดชุดเวเฟอร์ซิลิคอนเข้าไปในห้องปฏิกิริยาของเตาหลอมเพื่อการหลอมในเวลาเดียวกันได้ โดยปกติเวลาในการอบอ่อนจะอยู่ที่ 20 ถึง 30 นาที แต่ห้องปฏิกิริยาต้องใช้เวลาในการทำความร้อนนานกว่าเพื่อให้ได้อุณหภูมิที่ต้องการโดยกระบวนการอบอ่อน
กระบวนการของเตาหลอมแนวตั้งยังใช้วิธีการโหลดเวเฟอร์ซิลิกอนชุดหนึ่งพร้อมกันเข้าไปในห้องปฏิกิริยาของเตาหลอมเพื่อการบำบัดแบบหลอม ห้องปฏิกิริยามีโครงร่างโครงสร้างแนวตั้ง ซึ่งช่วยให้สามารถวางเวเฟอร์ซิลิคอนในเรือควอทซ์ในแนวนอนได้
ในเวลาเดียวกัน เนื่องจากเรือควอทซ์สามารถหมุนได้โดยรวมในห้องปฏิกิริยา อุณหภูมิการหลอมของห้องปฏิกิริยาจึงสม่ำเสมอ การกระจายอุณหภูมิบนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนมีความสม่ำเสมอ และมีลักษณะความสม่ำเสมอในการหลอมที่ดีเยี่ยม อย่างไรก็ตามต้นทุนกระบวนการของเตาหลอมแนวตั้งจะสูงกว่าต้นทุนกระบวนการของเตาหลอมแนวนอน
เตาหลอมอย่างรวดเร็วใช้หลอดทังสเตนฮาโลเจนเพื่อให้ความร้อนกับเวเฟอร์ซิลิคอนโดยตรง ซึ่งสามารถให้ความร้อนหรือความเย็นอย่างรวดเร็วในช่วงกว้าง 1 ถึง 250°C/s อัตราการทำความร้อนหรือความเย็นเร็วกว่าเตาหลอมแบบดั้งเดิม ใช้เวลาเพียงไม่กี่วินาทีในการให้ความร้อนอุณหภูมิห้องปฏิกิริยาให้สูงกว่า 1100°C
-
เซมิเซร่าสามารถให้ได้ชิ้นส่วนกราไฟท์-รู้สึกนุ่ม/แข็ง-ชิ้นส่วนซิลิกอนคาร์ไบด์, ชิ้นส่วนซิลิกอนคาร์ไบด์ CVD, และชิ้นส่วนเคลือบ SiC/TaCด้วยกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์เต็มรูปแบบภายใน 30 วัน
หากคุณสนใจผลิตภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ข้างต้น โปรดอย่าลังเลที่จะติดต่อเราในครั้งแรก
โทร: +86-13373889683
WhatsApp: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
เวลาโพสต์: 26 ส.ค.-2024