Os wafers são as principais matérias-primas para a produção de circuitos integrados, dispositivos semicondutores discretos e dispositivos de potência. Mais de 90% dos circuitos integrados são feitos em wafers de alta pureza e alta qualidade.
Equipamento de preparação de wafer refere-se ao processo de transformar materiais de silício policristalino puro em materiais de haste de cristal único de silício de um determinado diâmetro e comprimento e, em seguida, submeter os materiais de haste de cristal único de silício a uma série de processamento mecânico, tratamento químico e outros processos.
Equipamento que fabrica wafers de silício ou wafers de silício epitaxiais que atendem a determinados requisitos de precisão geométrica e qualidade de superfície e fornecem o substrato de silício necessário para a fabricação de chips.
O fluxo de processo típico para a preparação de wafers de silício com diâmetro inferior a 200 mm é:
Crescimento de cristal único → truncamento → laminação do diâmetro externo → fatiamento → chanframento → retificação → gravação → obtenção → polimento → limpeza → epitaxia → embalagem, etc.
O principal fluxo do processo para preparação de wafers de silício com diâmetro de 300 mm é o seguinte:
Crescimento de cristal único → truncamento → laminação de diâmetro externo → fatiamento → chanframento → retificação de superfície → gravação → polimento de borda → polimento dupla face → polimento unilateral → limpeza final → epitaxia/recozimento → embalagem, etc.
1.Material de silício
O silício é um material semicondutor porque possui 4 elétrons de valência e está no grupo IVA da tabela periódica junto com outros elementos.
O número de elétrons de valência no silício o coloca entre um bom condutor (1 elétron de valência) e um isolante (8 elétrons de valência).
O silício puro não é encontrado na natureza e deve ser extraído e purificado para torná-lo suficientemente puro para a fabricação. Geralmente é encontrado em sílica (óxido de silício ou SiO2) e outros silicatos.
Outras formas de SiO2 incluem vidro, cristal incolor, quartzo, ágata e olho de gato.
O primeiro material usado como semicondutor foi o germânio na década de 1940 e início da década de 1950, mas foi rapidamente substituído pelo silício.
O silício foi escolhido como principal material semicondutor por quatro razões principais:
Abundância de materiais de silício: O silício é o segundo elemento mais abundante na Terra, representando 25% da crosta terrestre.
O ponto de fusão mais alto do material de silício permite uma tolerância de processo mais ampla: o ponto de fusão do silício a 1412°C é muito superior ao ponto de fusão do germânio a 937°C. O ponto de fusão mais alto permite que o silício resista a processos de alta temperatura.
Os materiais de silício têm uma faixa de temperatura operacional mais ampla;
Crescimento natural de óxido de silício (SiO2): SiO2 é um material isolante elétrico estável e de alta qualidade e atua como uma excelente barreira química para proteger o silício de contaminação externa. A estabilidade elétrica é importante para evitar vazamentos entre condutores adjacentes em circuitos integrados. A capacidade de cultivar camadas finas estáveis de material SiO2 é fundamental para a fabricação de dispositivos semicondutores de óxido metálico de alto desempenho (MOS-FET). O SiO2 possui propriedades mecânicas semelhantes às do silício, permitindo processamento em alta temperatura sem deformação excessiva do wafer de silício.
2.Preparação de wafer
Os wafers semicondutores são cortados de materiais semicondutores a granel. Este material semicondutor é chamado de bastão de cristal, que cresce a partir de um grande bloco de material intrínseco policristalino e não dopado.
Transformar um bloco policristalino em um grande cristal único e dar-lhe a orientação cristalina correta e a quantidade apropriada de dopagem tipo N ou tipo P é chamado de crescimento de cristal.
As tecnologias mais comuns para a produção de lingotes de silício de cristal único para preparação de pastilhas de silício são o método Czochralski e o método de fusão por zona.
2.1 Método Czochralski e forno de cristal único Czochralski
O método Czochralski (CZ), também conhecido como método Czochralski (CZ), refere-se ao processo de conversão de líquido de silício de grau semicondutor fundido em lingotes de silício sólido de cristal único com a orientação de cristal correta e dopados em tipo N ou P- tipo.
Atualmente, mais de 85% do silício monocristalino é cultivado usando o método Czochralski.
Um forno de cristal único Czochralski refere-se a um equipamento de processo que derrete materiais de polissilício de alta pureza em líquido, aquecendo em um ambiente fechado de alto vácuo ou gás raro (ou gás inerte) e, em seguida, recristaliza-os para formar materiais de silício de cristal único com certos externos dimensões.
O princípio de funcionamento do forno de cristal único é o processo físico de recristalização do material de silício policristalino em material de silício de cristal único no estado líquido.
O forno de cristal único CZ pode ser dividido em quatro partes: corpo do forno, sistema de transmissão mecânica, sistema de aquecimento e controle de temperatura e sistema de transmissão de gás.
O corpo do forno inclui uma cavidade do forno, um eixo de cristal semente, um cadinho de quartzo, uma colher de dopagem, uma tampa de cristal semente e uma janela de observação.
A cavidade do forno serve para garantir que a temperatura no forno seja distribuída uniformemente e possa dissipar bem o calor; o eixo do cristal semente é usado para fazer com que o cristal semente se mova para cima e para baixo e gire; as impurezas que precisam ser dopadas são colocadas na colher de dopagem;
A cobertura do cristal semente serve para proteger o cristal semente contra contaminação. O sistema de transmissão mecânica é usado principalmente para controlar o movimento do cristal semente e do cadinho.
Para garantir que a solução de silício não seja oxidada, o grau de vácuo no forno deve ser muito alto, geralmente abaixo de 5 Torr, e a pureza do gás inerte adicionado deve estar acima de 99,9999%.
Um pedaço de silício monocristalino com a orientação cristalina desejada é usado como cristal semente para fazer crescer um lingote de silício, e o lingote de silício cultivado é como uma réplica do cristal semente.
As condições na interface entre o silício fundido e o cristal semente de silício monocristalino precisam ser controladas com precisão. Essas condições garantem que a fina camada de silício possa replicar com precisão a estrutura do cristal semente e, eventualmente, crescer em um grande lingote de silício de cristal único.
2.2 Método de fusão por zona e forno de cristal único de fusão por zona
O método da zona flutuante (FZ) produz lingotes de silício monocristalino com teor de oxigênio muito baixo. O método da zona flutuante foi desenvolvido na década de 1950 e pode produzir o silício monocristalino mais puro até hoje.
O forno de fusão de zona de cristal único refere-se a um forno que usa o princípio de fusão de zona para produzir uma zona de fusão estreita na haste policristalina através de uma área fechada estreita de alta temperatura do corpo do forno de haste policristalina em alto vácuo ou gás de tubo de quartzo raro ambiente de proteção.
Um equipamento de processo que move uma haste policristalina ou um corpo de aquecimento de forno para mover a zona de fusão e cristalizá-la gradualmente em uma única haste de cristal.
A característica da preparação de bastões de cristal único pelo método de fusão por zona é que a pureza dos bastões policristalinos pode ser melhorada no processo de cristalização em bastões de cristal único, e o crescimento de dopagem dos materiais dos bastões é mais uniforme.
Os tipos de fornos de monocristalino de fusão por zona podem ser divididos em dois tipos: fornos de monocristalino de fusão por zona flutuante que dependem da tensão superficial e fornos de monocristalino de fusão por zona horizontal. Em aplicações práticas, os fornos de fusão por zona de cristal único geralmente adotam a fusão por zona flutuante.
O forno de cristal único de fusão por zona pode preparar silício monocristalino de alta pureza e baixo oxigênio sem a necessidade de um cadinho. É usado principalmente para preparar silício monocristalino de alta resistividade (>20kΩ·cm) e purificar silício de fusão por zona. Esses produtos são usados principalmente na fabricação de dispositivos de energia discretos.
O forno de fusão de zona de cristal único consiste em uma câmara de forno, um eixo superior e um eixo inferior (parte de transmissão mecânica), um mandril de haste de cristal, um mandril de cristal de semente, uma bobina de aquecimento (gerador de alta frequência), portas de gás (porta de vácuo, entrada de gás, saída superior de gás), etc.
Na estrutura da câmara do forno, é organizada a circulação da água de resfriamento. A extremidade inferior do eixo superior do forno de cristal único é um mandril de haste de cristal, que é usado para fixar uma haste policristalina; a extremidade superior do eixo inferior é um mandril de cristal semente, que é usado para fixar o cristal semente.
Uma fonte de alimentação de alta frequência é fornecida à bobina de aquecimento e uma zona de fusão estreita é formada na haste policristalina começando na extremidade inferior. Ao mesmo tempo, os eixos superior e inferior giram e descem, de modo que a zona de fusão é cristalizada em um único cristal.
As vantagens do forno de cristal único de fusão por zona são que ele pode não apenas melhorar a pureza do cristal único preparado, mas também tornar o crescimento do doping da haste mais uniforme, e a haste de cristal único pode ser purificada por meio de vários processos.
As desvantagens do forno de monocristalino de fusão por zona são os altos custos do processo e o pequeno diâmetro do monocristal preparado. Atualmente, o diâmetro máximo do monocristal que pode ser preparado é de 200 mm.
A altura total do equipamento do forno de cristal único de fusão por zona é relativamente alta e o curso dos eixos superior e inferior é relativamente longo, de modo que hastes de cristal único mais longas podem ser cultivadas.
3. Processamento e equipamentos de wafer
A haste de cristal precisa passar por uma série de processos para formar um substrato de silício que atenda aos requisitos da fabricação de semicondutores, ou seja, um wafer. O processo básico de processamento é:
Rolamento, corte, fatiamento, recozimento de wafer, chanframento, retificação, polimento, limpeza e embalagem, etc.
3.1 Recozimento de Wafer
No processo de fabricação de silício policristalino e silício Czochralski, o silício monocristalino contém oxigênio. A uma certa temperatura, o oxigênio no silício monocristalino doará elétrons e o oxigênio será convertido em doadores de oxigênio. Esses elétrons se combinarão com impurezas na pastilha de silício e afetarão a resistividade da pastilha de silício.
Forno de recozimento: refere-se a um forno que aumenta a temperatura do forno para 1000-1200°C em um ambiente de hidrogênio ou argônio. Ao manter-se aquecido e resfriado, o oxigênio próximo à superfície do wafer de silício polido é volatilizado e removido de sua superfície, fazendo com que o oxigênio precipite e se acumule.
Equipamento de processo que dissolve microdefeitos na superfície das pastilhas de silício, reduz a quantidade de impurezas próximas à superfície das pastilhas de silício, reduz defeitos e forma uma área relativamente limpa na superfície das pastilhas de silício.
O forno de recozimento também é chamado de forno de alta temperatura devido à sua alta temperatura. A indústria também chama o processo de recozimento de wafer de silício de obtenção.
O forno de recozimento de wafer de silício é dividido em:
-Forno de recozimento horizontal;
-Forno de recozimento vertical;
-Forno de recozimento rápido.
A principal diferença entre um forno de recozimento horizontal e um forno de recozimento vertical é a direção do layout da câmara de reação.
A câmara de reação do forno de recozimento horizontal é estruturada horizontalmente e um lote de pastilhas de silício pode ser carregado na câmara de reação do forno de recozimento para recozimento ao mesmo tempo. O tempo de recozimento é geralmente de 20 a 30 minutos, mas a câmara de reação necessita de um tempo de aquecimento mais longo para atingir a temperatura exigida pelo processo de recozimento.
O processo do forno de recozimento vertical também adota o método de carregamento simultâneo de um lote de pastilhas de silício na câmara de reação do forno de recozimento para tratamento de recozimento. A câmara de reação possui uma estrutura vertical, que permite que as pastilhas de silício sejam colocadas em um barco de quartzo na horizontal.
Ao mesmo tempo, como o barco de quartzo pode girar como um todo na câmara de reação, a temperatura de recozimento da câmara de reação é uniforme, a distribuição de temperatura na pastilha de silício é uniforme e possui excelentes características de uniformidade de recozimento. No entanto, o custo do processo do forno de recozimento vertical é superior ao do forno de recozimento horizontal.
O forno de recozimento rápido usa uma lâmpada halógena de tungstênio para aquecer diretamente o wafer de silício, o que pode atingir aquecimento ou resfriamento rápido em uma ampla faixa de 1 a 250°C/s. A taxa de aquecimento ou resfriamento é mais rápida do que a de um forno de recozimento tradicional. Leva apenas alguns segundos para aquecer a temperatura da câmara de reação acima de 1100°C.
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Horário da postagem: 26 de agosto de 2024