В области полупроводниковой промышленности и современной корпусной промышленности выбор материала подложки играет решающую роль в производительности устройства, интеграции процесса и структуре затрат. Два основных типа подложек — стеклянные и кремниевые пластины. В этой статье мы рассмотрим основные различия между ними, затрагивая свойства материалов, особенности производства, сценарии применения и способы выбора подходящей подложки для конкретных потребностей.

1. материал и структура

кремниевые пластины

Кремниевые пластины представляют собой пластины монокристаллического кремния, обычно отполированные и обработанные до полупроводникового качества. Они служат в качестве базовой подложки для интегральных схем, МЭМ-устройств и широкого спектра полупроводниковых компонентов. Кристаллическая структура обеспечивает высокую однородность, стабильные электрические характеристики и предсказуемые тепловые характеристики.

стеклянные пластины

Стеклянные пластины представляют собой тонкие диски прецизионного изготовления, изготовленные из таких материалов, как плавленый кварц, боросиликатное стекло или кварц. Эти пластины часто используются в качестве подложек-носителей или сменных подложек в современных корпусах или гетерогенной интеграции. Стеклянные пластины по своей природе некристалличны (аморфны) и обладают изолирующими и оптическими свойствами, которых нет у кремния. Такие ключевые характеристики, как чрезвычайно низкая деформация, превосходная плоскостность, высокая диэлектрическая прочность и прозрачность, делают их подходящими для определенных целей.

2. Вопросы производства и обработки

обработка кремниевых пластин

Обработка кремниевых пластин глубоко укоренилась: производственные линии, оборудование, режимы термической обработки (RTP, CVD, травление, ионная имплантация) оптимизированы для кремния. Теплопроводность и механическая прочность кремния позволяют проводить высокотемпературные процессы (например, быстрый подъем температуры до сотен °C/с) без чрезмерной деформации или повреждения. Кроме того, стандартизированы стандартные размеры пластин (150 мм, 200 мм, 300 мм, 450 мм) и их толщина.

обработка стеклянных пластин

Стеклянные пластины требуют специального обращения. Поскольку стеклянные подложки более хрупкие и могут не обладать такой же теплопроводностью или механической прочностью, как кремниевые, традиционные линии по производству кремниевых пластин могут быть с ними несовместимы. Например, стеклянные пластины могут не выдерживать резких перепадов температуры из-за риска разрушения или образования частиц. С другой стороны, стеклянные пластины могут обеспечивать сверхплоские поверхности и меньшую деформацию, что обеспечивает более высокую точность литографии и корпусирования.

основные производственные соображения:

• обработка хрупкости и риска разрушения тонких стеклянных подложек

• согласование КТР (коэффициента теплового расширения) между стеклом и связанными материалами для снижения напряжений и потери текучести

• совместимость с этапами процесса: многие стеклянные пластины служат в качестве подложек-носителей или промежуточных подложек, а не прямых подложек кремниевых устройств

• требования к полировке поверхности, плоскостности (ttv/деформации), скосу кромки/выемки при производстве стекла.

3. преимущества и ограничения производительности

преимущества кремниевых пластин

• проверенная эффективность при изготовлении активных устройств: превосходные тепловые характеристики, хорошо известное поведение легирования и дефектов кристалла

• высокая совместимость с основной инфраструктурой производства полупроводников

• налаженная цепочка поставок и стоимостная основа для крупносерийного производства

преимущества стеклянных пластин

• высокая электроизоляция и прочность диэлектрика на пробой: материалы на основе стеклянных пластин способны выдерживать приложенные электрические поля напряженностью свыше 1000 В/мм, что делает их превосходными для применения в системах высоковольтной или радиочастотной изоляции.

• Превосходная плоскостность и контроль деформации: идеально подходит для современной литографии и мелкошаговых межсоединений в корпусе и интеграции 2.5d/3d.

• оптическая прозрачность: полезна, когда требуется оптическое выравнивание или лазерная обработка через подложку.

• потенциальные преимущества с точки зрения стоимости для больших или тонких подложек, особенно когда ограничения производительности активных устройств ниже.

ограничения и компромиссы

• Стеклянные пластины могут иметь более низкую теплопроводность и более медленное рассеивание тепла по сравнению с кремниевыми; это может ограничивать высокотемпературную обработку или высокомощные устройства.

• Интеграция стеклянных пластин в существующие фабрики по производству кремниевых устройств может потребовать адаптации оборудования или раздельных технологических процессов.

• Кремний остается доминирующей подложкой для изготовления активных устройств; многие устаревшие процессы и наборы инструментов построены на свойствах кремния.

• При производстве стеклянных пластин могут возникнуть проблемы с выходом годного и обработкой из-за их хрупкости, особенно при использовании для больших диаметров или тонких подложек.

4. сценарии применения и варианты использования

когда предпочтительны кремниевые пластины

• изготовление логических, запоминающих, аналоговых и силовых полупроводниковых микросхем, где требуются активное легирование устройств, контроль высокого удельного сопротивления и продуманный технологический процесс

• высокотемпературные процессы и усовершенствованная архитектура устройств с использованием эпитаксии, ионной имплантации, стеков затворов с высоким содержанием диэлектрика/металла

• стандартные производственные среды с существующими наборами инструментов и большими производственными циклами

когда предпочтительны стеклянные пластины

• пластины-носители или промежуточные подложки в усовершенствованной упаковке (например, упаковка на уровне пластины с разветвлением, интеграция 2,5d/3d), где выгодны высокая плоскостность, низкая деформация и оптическая прозрачность

• радиочастотные, микроволновые или высокочастотные приложения, где критически важны низкие диэлектрические потери и отличная изоляция

• МЭМ-устройства или сенсорные устройства, где требуются возможности прозрачной подложки или лазерного сквозного пропускания

• любой сценарий, где требуются сверхтонкая подложка, высокоточное выравнивание или экономически эффективный носитель большой площади, а ограничения активного устройства меньше

5. принципы отбора

При оценке того, следует ли выбрать стеклянную или кремниевую пластину, примите во внимание следующие критерии:

• функциональность устройства: если подложка должна поддерживать изготовление активных полупроводниковых приборов (легирование, формирование транзисторов, высокотемпературные циклы), то кремниевая пластина, скорее всего, будет правильным выбором.

• тепловой бюджет: если процесс включает в себя быстрые термоциклы, высокотемпературные этапы или интенсивное рассеивание тепла, кремниевая пластина, как правило, обеспечивает лучшее соответствие.

• механические/плоскостные требования: если требуются сверхплоскостность, минимальная деформация и мелкошаговая литография или оптическая прозрачность, стеклянная пластина может обеспечить явные преимущества.

• требования к электричеству/изоляции: для приложений, требующих высокого диэлектрического пробоя, изоляции или радиочастотных характеристик, часто предпочтительны стеклянные пластины.

• стоимость и совместимость инструментов: рассмотрите, предназначены ли процесс и инструменты для кремния; если требуются серьезные изменения или отдельные линии, стоимость может увеличиться. Стеклянные пластины могут снизить стоимость при использовании в качестве конкретных упаковок или носителей, но могут повысить сложность при изготовлении устройств.

• цепочка поставок и возможности поставщиков: выберите поставщика, способного предоставить требуемые характеристики (диаметр, толщина, полировка, TTV, плоскостность, соответствие КТР). Например, такие компании, как plutosemi co., ltd. поставляют как высокоточные стеклянные пластины, так и кремниевые пластины, а также индивидуальные услуги для современных приложений корпусирования и полупроводников. Их возможности включают производство сверхтонких, сверхплоских подложек и полный спектр услуг по обработке.

6. резюме

Подводя итог, можно сказать, что стеклянные и кремниевые пластины играют различные, но взаимодополняющие роли в экосистеме полупроводников и корпусов. Кремниевые пластины остаются основой для производства активных устройств благодаря хорошо изученным свойствам материала и развитой инфраструктуре. Стеклянные пластины, напротив, обладают уникальными преимуществами в плане плоскостности, изоляции, оптической прозрачности и современных приложений корпусирования. Выбор правильной подложки требует соответствия сильных сторон материала требованиям технологического процесса и архитектуре устройства.

Для производителей и проектировщиков, оценивающих варианты подложек, важно взвесить совместимость процесса, тепловые и электрические требования, механические допуски и финансовые последствия. Надежный поставщик, способный поставлять оба типа материалов с высокой точностью, еще больше расширит возможности выбора оптимальной подложки для вашего применения.