Кремниевые пластины лежат в основе современной электроники. Каждый микропроцессор, чип памяти, датчик и интегральная схема начинают свою жизнь на пластине из сверхчистого кремния. В этой статье рассматриваются основные этапы превращения сырья в отполированные, бездефектные кремниевые пластины, готовые для изготовления чипов.

сырье и очистка

путешествие начинается с кремния (диоксида кремния, sio₂), часто получаемого из высокочистого кварца или песка. Поскольку даже следы примесей ухудшают характеристики полупроводника, сырой sio₂ необходимо очистить и превратить в элементарный кремний.

Восстановление обычно осуществляют в электрической печи, где sio₂ реагирует с углеродом при высоких температурах (порядка 1500–2000 °C) с получением металлургического (мг) кремния.

Затем металлургический кремний преобразуется в химические прекурсоры, такие как трихлорсилан (SiHCl₃), посредством реакции с хлористым водородом. В ходе этого процесса примеси отделяются. Очищенный пар затем разлагается (в реакторе осаждения) для получения сверхчистого поликристаллического кремния (полисиликона), часто с уровнем примесей ниже частей на миллиард.

рост кристаллов (формирование слитков)

Имея в распоряжении высокочистый поликремний, следующим шагом является выращивание монокристаллического слитка (также называемого булей). Наиболее распространенным методом является метод Чохральского (ЧЧ):

• Небольшой монокристаллический затравочный кристалл погружают в расплавленный поликремний, находящийся в кварцевом тигле.

• затравку медленно поднимают и вращают, в то время как тигель и затравка вращаются в противоположных направлениях, в результате чего расплав затвердевает вокруг затравки, образуя цилиндрический кристалл с одинаковой ориентацией решетки.

• Скорость вытягивания, температурный градиент и скорость вращения тщательно контролируются для поддержания равномерного диаметра и распределения легирующей примеси.

• В расплав можно добавлять некоторые легирующие элементы (например, бор или фосфор) для получения кремния p-типа или n-типа, в зависимости от спецификации пластины.

В качестве альтернативы, для очень высокого удельного сопротивления или специальных применений метод плавающей зоны (fz) позволяет производить кремний с еще меньшим количеством примесей, но при больших диаметрах это сложнее.

После выращивания слиток закрывают крышкой, а концы обрезают и шлифуют для удаления неровностей. В качестве контрольных меток также могут быть выполнены ориентационные плоскости или выемки.

нарезка и формование вафель

Затем слиток разрезают на тонкие пластины с помощью алмазных проволочных пил или пил внутреннего диаметра. В настоящее время часто используют многопроволочные пилы для повышения производительности и снижения потерь кремния (пропилов).

После нарезки вафли еще не готовы — они имеют механические повреждения, следы от пилы и дефекты поверхности, которые необходимо удалить.

шлифовка, травление и полировка

Для доведения нарезанных вафель до пригодного к употреблению качества применяются следующие этапы:

• притирка / шлифование: пластины шлифуются абразивной суспензией для улучшения однородности толщины, плоскостности и параллельности.

• химическое травление: поврежденные поверхностные слои от резки и шлифовки удаляются путем влажного химического травления (с использованием смесей Hf, HNO₃, уксусной кислоты или KOH), очищающего поврежденный кристалл и остаточные загрязнения.

• химико-механическая полировка (ХМП): этот последний этап полировки позволяет получить зеркальную, ультраплоскую поверхность. cmp использует комбинацию механического истирания и химической суспензии для удаления материала в нанометровом масштабе, создавая гладкие поверхности, необходимые для последующих этапов фотолитографии.

После полировки пластина проходит глубокую очистку для удаления частиц, органических остатков и ионных загрязнений. Для очистки можно использовать RCA-очистку (гидроксид аммония, перекись водорода, соляную кислоту), озон или другие современные методы очистки.

осмотр, измерение и сортировка

Контроль качества имеет решающее значение. Пластины проходят тщательную проверку и метрологическую проверку, включая измерения:

• плоскостность, толщина и параллельность

• обнаружение поверхностных дефектов (царапин, ямок, частиц)

• отражательная способность поверхности

• электрическое сопротивление, время жизни носителей заряда или концентрация легирующей примеси

• ориентация кристаллов и выравнивание пластин (через плоскости или выемки)

Для изготовления устройств принимаются только пластины, соответствующие строгим спецификациям.

шлифовка / утончение пластин (опционально)

Во многих электронных устройствах желательно использовать более тонкие пластины, чтобы уменьшить общую высоту устройства или обеспечить возможность укладки пластин друг на друга. Шлифовка с обратной стороны (или шлифовка с обратной стороны) используется для утончения пластины с обратной стороны. На этом этапе пластину часто защищают клейкой лентой, чтобы избежать повреждений или загрязнения.

После утончения пластины могут быть подвергнуты дальнейшей обработке или фотолитографии.

изготовление пластин в устройства (обзор)

Чистая кремниевая пластина — это всего лишь начальная «подложка». Настоящее волшебство происходит в процессе изготовления пластины (или на начальном этапе), где схемы создаются слой за слоем. Ключевые методы включают в себя:

• фотолитография: покрытие пластины фоторезистом, экспонирование через маски и формирование шаблонов мельчайших элементов схемы.

• травление: выборочное удаление материала на открытых участках с использованием влажных или сухих травителей.

• осаждение (CVD, ALD, PVD): нанесение изолирующих, проводящих или диэлектрических пленок.

• легирование / ионная имплантация: введение примесей для создания областей p-типа или n-типа.

• окисление: формирование изолирующих оксидных слоев путем нагревания в кислороде или паре.

• металлизация: нанесение слоев металла (алюминия, меди, вольфрама) для соединения устройств.

• планаризация (cmp): убедитесь, что каждый слой ровный, прежде чем наносить следующий.

Эти шаги повторяются для многих слоев, чтобы построить полную интегральную схему.

После изготовления пластина проходит электрические испытания, затем разрезается на отдельные чипы, упаковывается и собирается в готовые устройства.

важность качества, чистоты и урожайности

Поскольку современные интегральные схемы чрезвычайно чувствительны, даже дефекты или примеси атомного масштаба могут нарушить функциональность. Поэтому каждый этап в цепочке производства пластин выполняется в сверхчистых, строго контролируемых условиях. Высокий выход годных (доля работоспособных чипов на пластину) имеет решающее значение для экономической эффективности.

Больший диаметр пластин (200 мм, 300 мм и даже 450 мм) позволяет размещать больше чипов на пластине, но также требует более строгого контроля для поддержания однородности по всей пластине.

поставка плутосемии и кремниевых пластин

для тех, кто ищет надежных поставщиков кремниевых пластин, плутоний предлагает различные кремниевые пластины и сопутствующие услуги. Их опыт в поставках пластин делает их полезным партнером в цепочках поставок полупроводников или проектах по созданию прототипов.