Как изготавливается кремниевая пластина?
Кремниевые пластины являются основой полупроводниковой промышленности — они являются строительными блоками микрочипов, датчиков и интегральных схем, используемых повсюду: от смартфонов до солнечных панелей. Процесс изготовления кремниевой пластины высокотехнологичен и требует исключительной чистоты, точности и контроля на каждом этапе. Каждая пластина проходит сложный путь от необработанного кварца до идеально отполированного диска кристаллического кремния, готового к изготовлению чипа.
от кварца до чистого кремния
производство кремниевых пластин начинается с кремний (sio₂) — природное соединение, встречающееся в песке и кварце. Для извлечения чистого кремния сырой кремний нагревают с углеродом в электрической печи при температурах, превышающих 1800°С. эта химическая реакция отделяет кислород от кремния, производя металлургический кремний с содержанием около чистота 98–99%.
Однако для полупроводниковых применений требуется чрезвычайно чистая форма — известная как кремний электронного качества (eg) — с уровнем примесей ниже одной части на миллиард. Достижение такого уровня чистоты требует химического процесса, известного как процесс Сименс, где металлургический кремний преобразуется в газ трихлорсилан, очищается путем дистилляции, а затем восстанавливается водородом для формирования сверхчистых поликристаллических кремниевых стержней.
рост кристаллов
Для преобразования очищенного кремния в монокристаллическую структуру используются две основные технологии выращивания кристаллов:
| method | description | common application |
|---|---|---|
| Процесс Чохральского (cz) | затравочный кристалл погружают в расплавленный кремний и медленно вытягивают вверх, вращая его, в результате чего образуется цилиндрический монокристаллический слиток. | широко используется для стандартных полупроводниковых пластин |
| процесс плавающей зоны (fz) | высокочастотная катушка плавит узкую область кремниевого стержня, перемещая ее вперед для дальнейшей очистки материала и создания кристалла без загрязнения тигля. | используется для пластин высокоомных и мощных полупроводников |
полученные монокристаллические слитки обычно 150–300 мм в диаметре и может достигать 1–2 метра по длине. Температурные градиенты, скорости вытягивания и вращения тщательно контролируются, чтобы обеспечить однородную структуру кристалла и свести к минимуму дефекты.
формовка и нарезка слитков
После формирования монокристаллического слитка он подвергается нескольким механическим процессам для подготовки к разрезанию на пластины:
шлифование и формование – цилиндрический слиток шлифуют до однородного диаметра. Концы обрезают и добавляют ориентировочную лыску или выемку, указывающую направление кристалла.
нарезка – с помощью прецизионных алмазных проволочных пил слиток нарезается на тонкие диски, обычно размером от 100 мкм до 1 мм толстые. Современные многопроволочные пилы могут резать десятки пластин одновременно с точностью до микрона.
закругление краев – острые края каждой пластины сглажены, чтобы уменьшить поломку при транспортировке.
На этом этапе особое внимание уделяется механической точности, поскольку даже незначительные изменения толщины могут повлиять на производительность микроэлектронных устройств.
шлифовка, травление и полировка
После нарезки на поверхности пластины остаются микроскопические следы пилы и поврежденные слои. Следующие этапы доводят ее до ровности и гладкости, до почти идеального зеркального блеска:
притирка устраняет неровности поверхности и обеспечивает равномерную толщину.
химическое травление устраняет повреждения, возникающие при распиловке и шлифовке.
полировка создает безупречную зеркальную поверхность с помощью ультратонких абразивов и химико-механической планаризации (ХМП).
Технология cmp сочетает механическое истирание и химическое воздействие для достижения плоскостности поверхности, измеряемой в нанометрах. Конечная поверхность должна быть полностью свободна от царапин, частиц и загрязнений, чтобы соответствовать стандартам, требуемым для литографии полупроводников.
очистка и осмотр
Очищенные пластины проходят несколько стадий промывки и сушки с использованием сверхчистой деионизированной воды. Затем следует прецизионный контроль, в ходе которого оптические и атомно-силовые микроскопы высокого разрешения выявляют любые микродефекты или примеси. Также проверяются плоскостность поверхности, однородность толщины и удельное сопротивление, чтобы гарантировать полное соответствие спецификациям полупроводникового класса.
Дефектные пластины немедленно отбраковываются, поскольку даже самый незначительный дефект может поставить под угрозу производительность тысяч интегральных схем.
полированные типы пластин
В зависимости от требований конечного использования изготавливаются различные марки пластин:
| wafer type | surface finish | typical use |
|---|---|---|
| односторонняя полировка (ssp) | одна поверхность отполирована до зеркального блеска | силовые устройства, мемы |
| двухсторонняя полировка (ДСП) | обе поверхности зеркально отполированы | прецизионные оптические и сенсорные приложения |
| эпитаксиальный (эпи) | тонкий слой кремния, выращенный на полированной пластине | современные интегральные схемы и КМОП-устройства |
Каждый тип пластины требует различных спецификаций с точки зрения сопротивления, ориентации кристалла и допуска толщины, поэтому возможности поставщика имеют решающее значение для успеха производства.
передовое производство и автоматизация
современные предприятия по производству пластин используют автоматизированные системы обработки, роботизированные руки и чистые помещения для поддержания условий, свободных от загрязнений. Температура, влажность и чистота воздуха строго контролируются. Интеграция цифрового управления технологическим процессом позволяет точно отслеживать перемещение каждой пластины в процессе производства, обеспечивая прослеживаемость и единообразие.
плутоний— профессиональный поставщик материалов для кремниевых пластин и полупроводниковых подложек, поставляет высокоточные пластины, изготовленные с использованием таких передовых систем. Их продукция разработана для удовлетворения жестких требований интегральных схем и фотоэлектрических приложений, гарантируя надежную работу и однородное качество кристаллов.
заключение
Изготовление кремниевой пластины – это сочетание науки, инженерии и точного мастерства. От добычи сырого кремния до выращивания бездефектных кристаллов и ультратонкой полировки – каждый этап определяет качество конечного полупроводникового прибора. Благодаря постоянным инновациям и автоматизации такие производители, как плутоний гарантировать, что каждая пластина будет способствовать будущему микроэлектроники — чище, быстрее и эффективнее, чем когда-либо прежде.