Las obleas son la principal materia prima para la producción de circuitos integrados, dispositivos semiconductores discretos y dispositivos de potencia. Más del 90% de los circuitos integrados se fabrican con obleas de alta pureza y calidad.
El equipo de preparación de obleas se refiere al proceso de convertir materiales de silicio policristalino puro en materiales de varilla de cristal único de silicio de cierto diámetro y longitud, y luego someter los materiales de varilla de cristal único de silicio a una serie de procesamiento mecánico, tratamiento químico y otros procesos.
Equipo que fabrica obleas de silicio u obleas de silicio epitaxiales que cumplen con ciertos requisitos de precisión geométrica y calidad de superficie y proporciona el sustrato de silicio requerido para la fabricación de chips.
El flujo de proceso típico para preparar obleas de silicio con un diámetro inferior a 200 mm es:
Crecimiento de monocristal → truncamiento → laminado del diámetro exterior → corte → biselado → rectificado → grabado → gettering → pulido → limpieza → epitaxia → embalaje, etc.
El principal flujo del proceso para preparar obleas de silicio con un diámetro de 300 mm es el siguiente:
Crecimiento de monocristal → truncamiento → laminado del diámetro exterior → corte → biselado → rectificado de superficies → grabado → pulido de bordes → pulido de doble cara → pulido de una cara → limpieza final → epitaxia/recocido → embalaje, etc.
1. material de silicona
El silicio es un material semiconductor porque tiene 4 electrones de valencia y se encuentra en el grupo IVA de la tabla periódica junto con otros elementos.
El número de electrones de valencia del silicio lo sitúa justo entre un buen conductor (1 electrón de valencia) y un aislante (8 electrones de valencia).
El silicio puro no se encuentra en la naturaleza y debe extraerse y purificarse para que sea lo suficientemente puro para su fabricación. Suele encontrarse en sílice (óxido de silicio o SiO2) y otros silicatos.
Otras formas de SiO2 incluyen el vidrio, el cristal incoloro, el cuarzo, el ágata y el ojo de gato.
El primer material utilizado como semiconductor fue el germanio en los años 1940 y principios de los 1950, pero fue rápidamente reemplazado por el silicio.
Se eligió el silicio como principal material semiconductor por cuatro razones principales:
Abundancia de materiales de silicio: El silicio es el segundo elemento más abundante en la Tierra y representa el 25% de la corteza terrestre.
El mayor punto de fusión del material de silicio permite una tolerancia de proceso más amplia.: el punto de fusión del silicio a 1412°C es mucho más alto que el punto de fusión del germanio a 937°C. El punto de fusión más alto permite que el silicio resista procesos de alta temperatura.
Los materiales de silicona tienen un rango de temperatura de funcionamiento más amplio.;
Crecimiento natural del óxido de silicio (SiO2): SiO2 es un material aislante eléctrico estable y de alta calidad y actúa como una excelente barrera química para proteger el silicio de la contaminación externa. La estabilidad eléctrica es importante para evitar fugas entre conductores adyacentes en circuitos integrados. La capacidad de desarrollar capas delgadas estables de material SiO2 es fundamental para la fabricación de dispositivos semiconductores de óxido metálico (MOS-FET) de alto rendimiento. El SiO2 tiene propiedades mecánicas similares al silicio, lo que permite el procesamiento a alta temperatura sin deformación excesiva de la oblea de silicio.
2.Preparación de oblea
Las obleas semiconductoras se cortan a partir de materiales semiconductores a granel. Este material semiconductor se llama varilla de cristal y se desarrolla a partir de un gran bloque de material intrínseco policristalino y sin dopar.
Transformar un bloque policristalino en un monocristal grande y darle la orientación cristalina correcta y la cantidad adecuada de dopaje tipo N o tipo P se denomina crecimiento cristalino.
Las tecnologías más comunes para producir lingotes de silicio monocristalino para la preparación de obleas de silicio son el método de Czochralski y el método de fusión por zonas.
2.1 Método Czochralski y horno monocristalino Czochralski
El método Czochralski (CZ), también conocido como método Czochralski (CZ), se refiere al proceso de convertir silicio líquido fundido de grado semiconductor en lingotes sólidos de silicio monocristalino con la orientación cristalina correcta y dopados en tipo N o P-. tipo.
Actualmente, más del 85% del silicio monocristalino se cultiva mediante el método Czochralski.
Un horno monocristalino Czochralski se refiere a un equipo de proceso que funde materiales de polisilicio de alta pureza en líquido calentándolos en un ambiente cerrado de alto vacío o de protección de gas raro (o gas inerte), y luego los recristaliza para formar materiales de silicio monocristalino con ciertas características externas. dimensiones.
El principio de funcionamiento del horno monocristalino es el proceso físico de recristalización del material de silicio policristalino en material de silicio monocristalino en estado líquido.
El horno monocristalino CZ se puede dividir en cuatro partes: cuerpo del horno, sistema de transmisión mecánica, sistema de control de temperatura y calefacción y sistema de transmisión de gas.
El cuerpo del horno incluye una cavidad del horno, un eje del cristal semilla, un crisol de cuarzo, una cuchara dopante, una cubierta del cristal semilla y una ventana de observación.
La cavidad del horno debe garantizar que la temperatura en el horno se distribuya uniformemente y pueda disipar bien el calor; el eje del cristal semilla se utiliza para impulsar el cristal semilla para que se mueva hacia arriba y hacia abajo y gire; las impurezas que deben ser dopadas se colocan en la cuchara dopante;
La cubierta del cristal semilla sirve para proteger el cristal semilla de la contaminación. El sistema de transmisión mecánica se utiliza principalmente para controlar el movimiento del cristal semilla y el crisol.
Para garantizar que la solución de silicio no se oxide, se requiere que el grado de vacío en el horno sea muy alto, generalmente inferior a 5 Torr, y la pureza del gas inerte añadido debe ser superior al 99,9999%.
Un trozo de silicio monocristalino con la orientación cristalina deseada se utiliza como cristal semilla para hacer crecer un lingote de silicio, y el lingote de silicio crecido es como una réplica del cristal semilla.
Las condiciones en la interfaz entre el silicio fundido y el cristal semilla de silicio monocristalino deben controlarse con precisión. Estas condiciones garantizan que la fina capa de silicio pueda replicar con precisión la estructura del cristal semilla y eventualmente convertirse en un gran lingote de silicio monocristalino.
2.2 Método de fusión por zonas y horno monocristalino de fusión por zonas
El método de zona de flotación (FZ) produce lingotes de silicio monocristalino con un contenido de oxígeno muy bajo. El método de la zona de flotación se desarrolló en la década de 1950 y puede producir el silicio monocristalino más puro hasta la fecha.
El horno monocristalino de fusión por zonas se refiere a un horno que utiliza el principio de fusión por zonas para producir una zona de fusión estrecha en la varilla policristalina a través de un área estrecha y cerrada de alta temperatura del cuerpo del horno de varilla policristalina en un alto vacío o con un gas de tubo de cuarzo raro. entorno de protección.
Un equipo de proceso que mueve una varilla policristalina o un cuerpo calentador de horno para mover la zona de fusión y cristalizarla gradualmente en una varilla de cristal único.
La característica de preparar varillas monocristalinas mediante el método de fusión por zonas es que la pureza de las varillas policristalinas se puede mejorar en el proceso de cristalización en varillas monocristalinas y el crecimiento del dopaje de los materiales de las varillas es más uniforme.
Los tipos de hornos monocristalinos de fusión por zonas se pueden dividir en dos tipos: hornos monocristalinos de fusión por zonas flotantes que dependen de la tensión superficial y hornos monocristalinos de fusión por zonas horizontales. En aplicaciones prácticas, los hornos monocristalinos de fusión por zonas generalmente adoptan la fusión por zona flotante.
El horno monocristalino de fusión por zonas puede preparar silicio monocristalino de alta pureza y bajo contenido de oxígeno sin necesidad de crisol. Se utiliza principalmente para preparar silicio monocristalino de alta resistividad (>20kΩ·cm) y purificar el silicio de fusión de la zona. Estos productos se utilizan principalmente en la fabricación de dispositivos de potencia discretos.
El horno monocristalino de fusión por zonas consta de una cámara de horno, un eje superior y un eje inferior (parte de transmisión mecánica), un mandril de varilla de cristal, un mandril de cristal semilla, una bobina de calentamiento (generador de alta frecuencia), puertos de gas (puerto de vacío, entrada de gas, salida de gas superior), etc.
En la estructura de la cámara del horno está dispuesta la circulación del agua de refrigeración. El extremo inferior del eje superior del horno monocristal es un mandril de varilla de cristal, que se utiliza para sujetar una varilla policristalina; el extremo superior del eje inferior es un portabrocas de cristal semilla, que se utiliza para sujetar el cristal semilla.
Se suministra una fuente de alimentación de alta frecuencia a la bobina calefactora y se forma una zona de fusión estrecha en la varilla policristalina comenzando desde el extremo inferior. Al mismo tiempo, los ejes superior e inferior giran y descienden, de modo que la zona de fusión cristaliza en un solo cristal.
Las ventajas del horno de fusión por zonas de monocristal son que no solo puede mejorar la pureza del monocristal preparado, sino que también hace que el crecimiento del dopaje de la varilla sea más uniforme y la varilla de monocristal se puede purificar mediante múltiples procesos.
Las desventajas del horno monocristalino de fusión por zonas son los altos costes del proceso y el pequeño diámetro del monocristal preparado. Actualmente, el diámetro máximo del monocristal que se puede preparar es de 200 mm.
La altura total del equipo del horno monocristalino de fusión de zona es relativamente alta, y la carrera de los ejes superior e inferior es relativamente larga, por lo que se pueden cultivar varillas monocristalinas más largas.
3. Procesamiento y equipos de obleas.
La varilla de cristal debe pasar por una serie de procesos para formar un sustrato de silicio que cumpla con los requisitos de la fabricación de semiconductores, es decir, una oblea. El proceso básico de procesamiento es:
Girar, cortar, rebanar, recocer obleas, biselar, esmerilar, pulir, limpiar y empaquetar, etc.
3.1 Recocido de obleas
En el proceso de fabricación de silicio policristalino y silicio Czochralski, el silicio monocristalino contiene oxígeno. A una determinada temperatura, el oxígeno del silicio monocristalino donará electrones y el oxígeno se convertirá en donadores de oxígeno. Estos electrones se combinarán con las impurezas de la oblea de silicio y afectarán la resistividad de la oblea de silicio.
Horno de recocido: se refiere a un horno que eleva la temperatura en el horno a 1000-1200°C en un ambiente de hidrógeno o argón. Al mantenerse caliente y enfriado, el oxígeno cerca de la superficie de la oblea de silicio pulida se volatiliza y se elimina de su superficie, lo que hace que el oxígeno precipite y forme capas.
Equipo de proceso que disuelve microdefectos en la superficie de las obleas de silicio, reduce la cantidad de impurezas cerca de la superficie de las obleas de silicio, reduce los defectos y forma un área relativamente limpia en la superficie de las obleas de silicio.
El horno de recocido también se denomina horno de alta temperatura debido a su alta temperatura. La industria también llama gettering al proceso de recocido de obleas de silicio.
El horno de recocido de obleas de silicio se divide en:
-Horno de recocido horizontal;
-Horno de recocido vertical;
-Horno de recocido rápido.
La principal diferencia entre un horno de recocido horizontal y un horno de recocido vertical es la dirección de disposición de la cámara de reacción.
La cámara de reacción del horno de recocido horizontal tiene una estructura horizontal y se puede cargar un lote de obleas de silicio en la cámara de reacción del horno de recocido para el recocido al mismo tiempo. El tiempo de recocido suele ser de 20 a 30 minutos, pero la cámara de reacción necesita un tiempo de calentamiento más largo para alcanzar la temperatura requerida por el proceso de recocido.
El proceso del horno de recocido vertical también adopta el método de cargar simultáneamente un lote de obleas de silicio en la cámara de reacción del horno de recocido para el tratamiento de recocido. La cámara de reacción tiene una disposición de estructura vertical, lo que permite colocar las obleas de silicio en un recipiente de cuarzo en estado horizontal.
Al mismo tiempo, dado que el recipiente de cuarzo puede girar como un todo en la cámara de reacción, la temperatura de recocido de la cámara de reacción es uniforme, la distribución de temperatura en la oblea de silicio es uniforme y tiene excelentes características de uniformidad de recocido. Sin embargo, el costo del proceso del horno de recocido vertical es mayor que el del horno de recocido horizontal.
El horno de recocido rápido utiliza una lámpara halógena de tungsteno para calentar directamente la oblea de silicio, lo que puede lograr un calentamiento o enfriamiento rápido en un amplio rango de 1 a 250 °C/s. La velocidad de calentamiento o enfriamiento es más rápida que la de un horno de recocido tradicional. Sólo se necesitan unos segundos para calentar la temperatura de la cámara de reacción por encima de los 1100°C.
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Hora de publicación: 26 de agosto de 2024