Wafer adalah bahan mentah utama untuk produksi sirkuit terpadu, perangkat semikonduktor diskrit, dan perangkat daya. Lebih dari 90% sirkuit terpadu dibuat dari wafer dengan kemurnian tinggi dan berkualitas tinggi.
Peralatan persiapan wafer mengacu pada proses pembuatan bahan silikon polikristalin murni menjadi bahan batang kristal tunggal silikon dengan diameter dan panjang tertentu, dan kemudian bahan batang kristal tunggal silikon tersebut menjalani serangkaian pemrosesan mekanis, perlakuan kimia, dan proses lainnya.
Peralatan yang memproduksi wafer silikon atau wafer silikon epitaksi yang memenuhi persyaratan akurasi geometris dan kualitas permukaan tertentu serta menyediakan substrat silikon yang diperlukan untuk pembuatan chip.
Alur proses yang umum untuk pembuatan wafer silikon dengan diameter kurang dari 200 mm adalah:
Pertumbuhan kristal tunggal → pemotongan → penggulungan diameter luar → pengirisan → chamfering → penggilingan → etsa → pengambilan → pemolesan → pembersihan → epitaksi → pengemasan, dll.
Alur proses utama pembuatan wafer silikon dengan diameter 300 mm adalah sebagai berikut:
Pertumbuhan kristal tunggal → pemotongan → penggulungan diameter luar → pengirisan → chamfering → penggilingan permukaan → etsa → pemolesan tepi → pemolesan dua sisi → pemolesan satu sisi → pembersihan akhir → epitaksi/anil → pengemasan, dll.
1. Bahan silikon
Silikon merupakan bahan semikonduktor karena memiliki 4 elektron valensi dan berada pada golongan IVA tabel periodik bersama dengan unsur lainnya.
Jumlah elektron valensi pada silikon menempatkannya tepat di antara konduktor yang baik (1 elektron valensi) dan isolator (8 elektron valensi).
Silikon murni tidak ditemukan di alam dan harus diekstraksi dan dimurnikan agar cukup murni untuk pembuatannya. Biasanya ditemukan dalam silika (silikon oksida atau SiO2) dan silikat lainnya.
Bentuk lain dari SiO2 termasuk kaca, kristal tak berwarna, kuarsa, batu akik, dan mata kucing.
Bahan pertama yang digunakan sebagai semikonduktor adalah germanium pada tahun 1940an dan awal 1950an, namun dengan cepat digantikan oleh silikon.
Silikon dipilih sebagai bahan semikonduktor utama karena empat alasan utama:
Kelimpahan Bahan Silikon: Silikon adalah unsur paling melimpah kedua di Bumi, mencakup 25% kerak bumi.
Titik leleh bahan silikon yang lebih tinggi memungkinkan toleransi proses yang lebih luas: titik leleh silikon pada 1412°C jauh lebih tinggi dibandingkan titik leleh germanium pada 937°C. Titik leleh yang lebih tinggi memungkinkan silikon tahan terhadap proses suhu tinggi.
Bahan silikon memiliki kisaran suhu pengoperasian yang lebih luas;
Pertumbuhan alami silikon oksida (SiO2): SiO2 adalah bahan isolasi listrik berkualitas tinggi dan stabil serta bertindak sebagai penghalang kimia yang sangat baik untuk melindungi silikon dari kontaminasi eksternal. Stabilitas kelistrikan penting untuk menghindari kebocoran antar konduktor yang berdekatan pada sirkuit terpadu. Kemampuan untuk menumbuhkan lapisan tipis material SiO2 yang stabil merupakan hal mendasar dalam pembuatan perangkat semikonduktor oksida logam (MOS-FET) berkinerja tinggi. SiO2 memiliki sifat mekanik yang mirip dengan silikon, memungkinkan pemrosesan suhu tinggi tanpa lengkungan wafer silikon yang berlebihan.
2. Persiapan wafer
Wafer semikonduktor dipotong dari bahan semikonduktor curah. Bahan semikonduktor ini disebut batang kristal, yang ditumbuhkan dari blok besar bahan intrinsik polikristalin dan tidak didoping.
Mengubah blok polikristalin menjadi kristal tunggal yang besar dan memberinya orientasi kristal yang benar serta jumlah doping tipe-N atau tipe-P yang sesuai disebut pertumbuhan kristal.
Teknologi yang paling umum untuk memproduksi ingot silikon kristal tunggal untuk pembuatan wafer silikon adalah metode Czochralski dan metode peleburan zona.
2.1 Metode Czochralski dan tungku kristal tunggal Czochralski
Metode Czochralski (CZ), juga dikenal sebagai metode Czochralski (CZ), mengacu pada proses mengubah cairan silikon tingkat semikonduktor cair menjadi ingot silikon kristal tunggal padat dengan orientasi kristal yang benar dan diolah menjadi tipe-N atau P- jenis.
Saat ini, lebih dari 85% silikon kristal tunggal ditanam menggunakan metode Czochralski.
Tungku kristal tunggal Czochralski mengacu pada peralatan proses yang melelehkan bahan polisilikon dengan kemurnian tinggi menjadi cairan dengan memanaskan dalam lingkungan perlindungan vakum tinggi atau gas langka (atau gas inert), dan kemudian mengkristalkannya kembali untuk membentuk bahan silikon kristal tunggal dengan eksternal tertentu. ukuran.
Prinsip kerja tungku kristal tunggal adalah proses fisik rekristalisasi bahan silikon polikristalin menjadi bahan silikon kristal tunggal dalam keadaan cair.
Tungku kristal tunggal CZ dapat dibagi menjadi empat bagian: badan tungku, sistem transmisi mekanis, sistem pemanas dan kontrol suhu, dan sistem transmisi gas.
Badan tungku mencakup rongga tungku, sumbu kristal benih, wadah kuarsa, sendok doping, penutup kristal benih, dan jendela observasi.
Rongga tungku berfungsi untuk memastikan suhu di dalam tungku merata dan dapat menghilangkan panas dengan baik; poros kristal benih digunakan untuk menggerakkan kristal benih agar bergerak ke atas dan ke bawah serta berputar; kotoran yang perlu diolah ditempatkan di sendok doping;
Penutup kristal benih berfungsi untuk melindungi kristal benih dari kontaminasi. Sistem transmisi mekanis terutama digunakan untuk mengontrol pergerakan kristal benih dan wadah.
Untuk memastikan bahwa larutan silikon tidak teroksidasi, tingkat vakum dalam tungku harus sangat tinggi, umumnya di bawah 5 Torr, dan kemurnian gas inert yang ditambahkan harus di atas 99,9999%.
Sepotong silikon kristal tunggal dengan orientasi kristal yang diinginkan digunakan sebagai kristal benih untuk menumbuhkan ingot silikon, dan ingot silikon yang ditanam seperti replika kristal benih.
Kondisi pada antarmuka antara silikon cair dan kristal benih silikon kristal tunggal perlu dikontrol secara tepat. Kondisi ini memastikan bahwa lapisan tipis silikon dapat secara akurat mereplikasi struktur kristal benih dan akhirnya tumbuh menjadi ingot silikon kristal tunggal yang besar.
2.2 Metode Peleburan Zona dan Tungku Kristal Tunggal Peleburan Zona
Metode zona mengambang (FZ) menghasilkan ingot silikon kristal tunggal dengan kandungan oksigen yang sangat rendah. Metode zona apung dikembangkan pada tahun 1950an dan dapat menghasilkan silikon kristal tunggal paling murni hingga saat ini.
Tungku kristal tunggal peleburan zona mengacu pada tungku yang menggunakan prinsip peleburan zona untuk menghasilkan zona peleburan sempit pada batang polikristalin melalui area tertutup sempit bersuhu tinggi dari badan tungku batang polikristalin dalam vakum tinggi atau gas tabung kuarsa langka lingkungan perlindungan.
Peralatan proses yang menggerakkan batang polikristalin atau badan pemanas tungku untuk memindahkan zona leleh dan secara bertahap mengkristal menjadi batang kristal tunggal.
Ciri-ciri pembuatan batang kristal tunggal dengan metode peleburan zona adalah kemurnian batang polikristalin dapat ditingkatkan dalam proses kristalisasi menjadi batang kristal tunggal, dan pertumbuhan doping bahan batang lebih seragam.
Jenis tungku peleburan kristal tunggal zona dapat dibagi menjadi dua jenis: tungku peleburan kristal tunggal zona mengambang yang mengandalkan tegangan permukaan dan tungku peleburan zona horizontal tunggal. Dalam aplikasi praktis, tungku kristal tunggal peleburan zona umumnya mengadopsi peleburan zona terapung.
Tungku kristal tunggal peleburan zona dapat menyiapkan silikon kristal tunggal rendah oksigen dengan kemurnian tinggi tanpa memerlukan wadah. Hal ini terutama digunakan untuk menyiapkan silikon kristal tunggal dengan resistivitas tinggi (>20kΩ·cm) dan memurnikan silikon peleburan zona. Produk-produk ini terutama digunakan dalam pembuatan perangkat daya diskrit.
Tungku kristal tunggal peleburan zona terdiri dari ruang tungku, poros atas dan poros bawah (bagian transmisi mekanis), pencekam batang kristal, pencekam kristal benih, koil pemanas (generator frekuensi tinggi), lubang gas (pelabuhan vakum, saluran masuk gas, saluran keluar gas atas), dll.
Pada struktur ruang tungku diatur sirkulasi air pendingin. Ujung bawah poros atas tungku kristal tunggal adalah chuck batang kristal, yang digunakan untuk menjepit batang polikristalin; ujung atas poros bawah adalah chuck kristal benih, yang digunakan untuk menjepit kristal benih.
Catu daya frekuensi tinggi disuplai ke koil pemanas, dan zona leleh sempit terbentuk di batang polikristalin mulai dari ujung bawah. Pada saat yang sama, sumbu atas dan bawah berputar dan turun, sehingga zona leleh mengkristal menjadi satu kristal.
Keuntungan dari tungku kristal tunggal peleburan zona adalah tidak hanya dapat meningkatkan kemurnian kristal tunggal yang disiapkan, tetapi juga membuat pertumbuhan doping batang lebih seragam, dan batang kristal tunggal dapat dimurnikan melalui berbagai proses.
Kerugian dari tungku kristal tunggal peleburan zona adalah biaya proses yang tinggi dan diameter kristal tunggal yang disiapkan kecil. Saat ini, diameter maksimum kristal tunggal yang dapat dibuat adalah 200 mm.
Ketinggian keseluruhan peralatan tungku kristal tunggal peleburan zona relatif tinggi, dan guratan sumbu atas dan bawah relatif panjang, sehingga batang kristal tunggal yang lebih panjang dapat ditumbuhkan.
3. Pengolahan dan peralatan wafer
Batang kristal tersebut perlu melalui serangkaian proses hingga terbentuk substrat silikon yang memenuhi persyaratan pembuatan semikonduktor yaitu wafer. Proses dasar pengolahannya adalah:
Jatuh, memotong, mengiris, anil wafer, chamfering, penggilingan, pemolesan, pembersihan dan pengemasan, dll.
3.1 Anil Wafer
Dalam proses pembuatan silikon polikristalin dan silikon Czochralski, silikon kristal tunggal mengandung oksigen. Pada suhu tertentu, oksigen dalam silikon kristal tunggal akan menyumbangkan elektron, dan oksigen akan diubah menjadi donor oksigen. Elektron ini akan bergabung dengan pengotor pada wafer silikon dan mempengaruhi resistivitas wafer silikon.
Tungku anil: mengacu pada tungku yang menaikkan suhu dalam tungku hingga 1000-1200°C dalam lingkungan hidrogen atau argon. Dengan menjaga kehangatan dan pendinginan, oksigen di dekat permukaan wafer silikon yang dipoles akan menguap dan dikeluarkan dari permukaannya, menyebabkan oksigen mengendap dan berlapis.
Peralatan proses yang melarutkan cacat mikro pada permukaan wafer silikon, mengurangi jumlah pengotor di dekat permukaan wafer silikon, mengurangi cacat, dan membentuk area yang relatif bersih pada permukaan wafer silikon.
Tungku anil disebut juga tungku suhu tinggi karena suhunya yang tinggi. Industri ini juga menyebut proses anil wafer silikon sebagai gettering.
Tungku anil wafer silikon dibagi menjadi:
-Tungku anil horizontal;
-Tungku anil vertikal;
-Tungku anil cepat.
Perbedaan utama antara tungku anil horizontal dan tungku anil vertikal adalah arah tata letak ruang reaksi.
Ruang reaksi tungku anil horizontal memiliki struktur horizontal, dan sejumlah wafer silikon dapat dimasukkan ke dalam ruang reaksi tungku anil untuk anil pada saat yang bersamaan. Waktu anil biasanya 20 sampai 30 menit, namun ruang reaksi memerlukan waktu pemanasan yang lebih lama untuk mencapai suhu yang dibutuhkan oleh proses anil.
Proses tungku anil vertikal juga mengadopsi metode pemuatan batch wafer silikon secara bersamaan ke dalam ruang reaksi tungku anil untuk perlakuan anil. Ruang reaksi memiliki tata letak struktur vertikal, yang memungkinkan wafer silikon ditempatkan di perahu kuarsa dalam keadaan horizontal.
Pada saat yang sama, karena perahu kuarsa dapat berputar secara keseluruhan di dalam ruang reaksi, suhu anil ruang reaksi seragam, distribusi suhu pada wafer silikon seragam, dan memiliki karakteristik keseragaman anil yang sangat baik. Namun, biaya proses tungku anil vertikal lebih tinggi dibandingkan dengan tungku anil horizontal.
Tungku anil cepat menggunakan lampu tungsten halogen untuk memanaskan wafer silikon secara langsung, yang dapat mencapai pemanasan atau pendinginan cepat dalam kisaran 1 hingga 250°C/s. Laju pemanasan atau pendinginan lebih cepat dibandingkan tungku anil tradisional. Hanya diperlukan waktu beberapa detik untuk memanaskan suhu ruang reaksi hingga di atas 1100°C.
------------------------------------------------------------------------------------------------ ——
Semicera dapat menyediakanbagian grafit,terasa lembut/kaku,bagian silikon karbida, Bagian silikon karbida CVD, DanBagian yang dilapisi SiC/TaCdengan proses semikonduktor penuh dalam 30 hari.
Jika Anda tertarik dengan produk semikonduktor di atas, jangan ragu untuk menghubungi kami pada saat pertama.
Telp: +86-13373889683
WhatsApp: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Waktu posting: 26 Agustus-2024