Wafer sind die wichtigsten Rohstoffe für die Herstellung integrierter Schaltkreise, diskreter Halbleiterbauelemente und Leistungsbauelemente. Mehr als 90 % der integrierten Schaltkreise werden auf hochreinen und hochwertigen Wafern hergestellt.
Unter Wafervorbereitungsgeräten versteht man den Prozess der Herstellung reiner polykristalliner Siliziummaterialien zu Silizium-Einkristall-Stabmaterialien mit einem bestimmten Durchmesser und einer bestimmten Länge und der anschließenden Unterwerfung der Silizium-Einkristall-Stabmaterialien einer Reihe mechanischer Bearbeitung, chemischer Behandlung und anderer Prozesse.
Ausrüstung, die Siliziumwafer oder epitaktische Siliziumwafer herstellt, die bestimmte Anforderungen an geometrische Genauigkeit und Oberflächenqualität erfüllen und das erforderliche Siliziumsubstrat für die Chipherstellung bereitstellen.
Der typische Prozessablauf zur Herstellung von Siliziumwafern mit einem Durchmesser von weniger als 200 mm ist:
Einkristallwachstum → Abschneiden → Walzen des Außendurchmessers → Schneiden → Anfasen → Schleifen → Ätzen → Gettern → Polieren → Reinigen → Epitaxie → Verpacken usw.
Der Hauptprozessablauf zur Herstellung von Siliziumwafern mit einem Durchmesser von 300 mm ist wie folgt:
Einkristallwachstum → Abschneiden → Walzen des Außendurchmessers → Schneiden → Anfasen → Oberflächenschleifen → Ätzen → Kantenpolieren → doppelseitiges Polieren → einseitiges Polieren → Endreinigung → Epitaxie/Glühen → Verpackung usw.
1.Silikonmaterial
Silizium ist ein Halbleitermaterial, da es über 4 Valenzelektronen verfügt und zusammen mit anderen Elementen zur Gruppe IVA des Periodensystems gehört.
Aufgrund der Anzahl der Valenzelektronen liegt Silizium genau zwischen einem guten Leiter (1 Valenzelektron) und einem Isolator (8 Valenzelektronen).
Reines Silizium kommt in der Natur nicht vor und muss extrahiert und gereinigt werden, um es rein genug für die Herstellung zu machen. Es kommt normalerweise in Kieselsäure (Siliziumoxid oder SiO2) und anderen Silikaten vor.
Andere Formen von SiO2 sind Glas, farblose Kristalle, Quarz, Achat und Katzenauge.
Das erste als Halbleiter verwendete Material war Germanium in den 1940er und frühen 1950er Jahren, wurde jedoch schnell durch Silizium ersetzt.
Silizium wurde aus vier Hauptgründen als Haupthalbleitermaterial ausgewählt:
Fülle an Siliziummaterialien: Silizium ist das zweithäufigste Element auf der Erde und macht 25 % der Erdkruste aus.
Der höhere Schmelzpunkt des Siliziummaterials ermöglicht eine größere Prozesstoleranz: Der Schmelzpunkt von Silizium liegt mit 1412 °C viel höher als der Schmelzpunkt von Germanium mit 937 °C. Der höhere Schmelzpunkt ermöglicht es Silizium, Hochtemperaturprozessen standzuhalten.
Siliziummaterialien haben einen größeren Betriebstemperaturbereich;
Natürliches Wachstum von Siliziumoxid (SiO2): SiO2 ist ein hochwertiges, stabiles elektrisches Isoliermaterial und fungiert als hervorragende chemische Barriere, um Silizium vor äußeren Verunreinigungen zu schützen. Elektrische Stabilität ist wichtig, um Leckagen zwischen benachbarten Leitern in integrierten Schaltkreisen zu vermeiden. Die Fähigkeit, stabile dünne Schichten aus SiO2-Material aufwachsen zu lassen, ist für die Herstellung von Hochleistungs-Metalloxid-Halbleiterbauelementen (MOS-FET) von grundlegender Bedeutung. SiO2 hat ähnliche mechanische Eigenschaften wie Silizium und ermöglicht eine Hochtemperaturverarbeitung ohne übermäßige Verformung des Siliziumwafers.
2. Wafer-Vorbereitung
Halbleiterwafer werden aus massiven Halbleitermaterialien geschnitten. Dieses Halbleitermaterial wird Kristallstab genannt, der aus einem großen Block polykristallinen und undotierten intrinsischen Materials gezüchtet wird.
Das Umwandeln eines polykristallinen Blocks in einen großen Einkristall und das Verleihen der richtigen Kristallorientierung und der entsprechenden Dotierung vom N-Typ oder P-Typ wird als Kristallwachstum bezeichnet.
Die gebräuchlichsten Technologien zur Herstellung einkristalliner Siliziumbarren zur Herstellung von Siliziumwafern sind das Czochralski-Verfahren und das Zonenschmelzverfahren.
2.1 Czochralski-Methode und Czochralski-Einkristallofen
Die Czochralski (CZ)-Methode, auch bekannt als Czochralski (CZ)-Methode, bezieht sich auf den Prozess der Umwandlung geschmolzener Siliziumflüssigkeit in Halbleiterqualität in feste einkristalline Siliziumbarren mit der richtigen Kristallorientierung und Dotierung in N- oder P-Typ. Typ.
Derzeit werden mehr als 85 % des einkristallinen Siliziums mit der Czochralski-Methode gezüchtet.
Ein Czochralski-Einkristallofen bezieht sich auf eine Prozessausrüstung, die hochreine Polysiliciummaterialien durch Erhitzen in einer geschlossenen Hochvakuum- oder Edelgas- (oder Inertgas-)Schutzumgebung zu einer Flüssigkeit schmilzt und sie dann mit bestimmten externen Bedingungen rekristallisiert, um einkristalline Siliciummaterialien zu bilden Abmessungen.
Das Funktionsprinzip des Einkristallofens ist der physikalische Prozess, bei dem polykristallines Siliziummaterial im flüssigen Zustand in einkristallines Siliziummaterial umkristallisiert.
Der CZ-Einkristallofen kann in vier Teile unterteilt werden: Ofenkörper, mechanisches Übertragungssystem, Heiz- und Temperaturkontrollsystem und Gasübertragungssystem.
Der Ofenkörper umfasst einen Ofenhohlraum, eine Impfkristallachse, einen Quarztiegel, einen Dotierlöffel, eine Impfkristallabdeckung und ein Beobachtungsfenster.
Der Ofenraum soll dafür sorgen, dass die Temperatur im Ofen gleichmäßig verteilt ist und die Wärme gut abgeführt werden kann; Die Impfkristallwelle wird verwendet, um den Impfkristall anzutreiben, sich auf und ab zu bewegen und zu drehen. die zu dotierenden Verunreinigungen werden in den Dotierlöffel gegeben;
Die Impfkristallabdeckung soll den Impfkristall vor Verunreinigungen schützen. Das mechanische Übertragungssystem wird hauptsächlich zur Steuerung der Bewegung des Impfkristalls und des Tiegels verwendet.
Um sicherzustellen, dass die Siliziumlösung nicht oxidiert, muss der Vakuumgrad im Ofen sehr hoch sein, im Allgemeinen unter 5 Torr, und die Reinheit des hinzugefügten Inertgases muss über 99,9999 % liegen.
Ein Stück einkristallines Silizium mit der gewünschten Kristallorientierung wird als Impfkristall zum Züchten eines Siliziumbarrens verwendet, und der gezüchtete Siliziumbarren ist wie eine Nachbildung des Impfkristalls.
Die Bedingungen an der Grenzfläche zwischen dem geschmolzenen Silizium und dem einkristallinen Siliziumkeimkristall müssen genau kontrolliert werden. Diese Bedingungen stellen sicher, dass die dünne Siliziumschicht die Struktur des Impfkristalls genau nachbilden und schließlich zu einem großen einkristallinen Siliziumbarren heranwachsen kann.
2.2 Zonenschmelzverfahren und Zonenschmelz-Einkristallofen
Das Float-Zone-Verfahren (FZ) erzeugt einkristalline Siliziumbarren mit sehr niedrigem Sauerstoffgehalt. Das Float-Zone-Verfahren wurde in den 1950er Jahren entwickelt und kann das bislang reinste einkristalline Silizium herstellen.
Der Zonenschmelz-Einkristallofen bezieht sich auf einen Ofen, der das Prinzip des Zonenschmelzens nutzt, um eine schmale Schmelzzone im polykristallinen Stab durch einen schmalen geschlossenen Hochtemperaturbereich des polykristallinen Stabofenkörpers in einem Hochvakuum oder einem seltenen Quarzrohrgas zu erzeugen Schutzumgebung.
Eine Prozessausrüstung, die einen polykristallinen Stab oder einen Ofenheizkörper bewegt, um die Schmelzzone zu bewegen und sie schrittweise zu einem Einkristallstab zu kristallisieren.
Das Merkmal der Herstellung von Einkristallstäben durch das Zonenschmelzverfahren besteht darin, dass die Reinheit polykristalliner Stäbe im Prozess der Kristallisation zu Einkristallstäben verbessert werden kann und das Dotierungswachstum von Stabmaterialien gleichmäßiger ist.
Die Arten von Zonenschmelzöfen für Einkristalle können in zwei Typen unterteilt werden: Schwebezonenschmelzöfen für Einkristalle, die auf der Oberflächenspannung basieren, und Horizontalzonenschmelzöfen für Einkristalle. In praktischen Anwendungen verwenden Zonenschmelzöfen für Einkristalle im Allgemeinen das Schmelzen mit schwebender Zone.
Der Zonenschmelz-Einkristallofen kann hochreines einkristallines Silizium mit niedrigem Sauerstoffgehalt herstellen, ohne dass ein Tiegel erforderlich ist. Es wird hauptsächlich zur Herstellung von einkristallinem Silizium mit hohem spezifischem Widerstand (>20 kΩ·cm) und zur Reinigung von zonenschmelzendem Silizium verwendet. Diese Produkte werden hauptsächlich bei der Herstellung diskreter Leistungsgeräte verwendet.
Der Zonenschmelz-Einkristallofen besteht aus einer Ofenkammer, einem oberen Schacht und einem unteren Schacht (mechanischer Übertragungsteil), einem Kristallstabfutter, einem Impfkristallfutter, einer Heizspule (Hochfrequenzgenerator), Gasanschlüssen (Vakuumanschluss, Gaseinlass, oberer Gasauslass) usw.
In der Ofenkammerstruktur ist eine Kühlwasserzirkulation angeordnet. Das untere Ende des oberen Schachts des Einkristallofens ist ein Kristallstabfutter, mit dem ein polykristalliner Stab festgeklemmt wird. Am oberen Ende des unteren Schafts befindet sich ein Impfkristallfutter, mit dem der Impfkristall festgeklemmt wird.
Die Heizspule wird mit Hochfrequenzstrom versorgt, und im polykristallinen Stab bildet sich vom unteren Ende her eine schmale Schmelzzone. Gleichzeitig drehen und senken sich die obere und untere Achse, sodass die Schmelzzone zu einem Einkristall kristallisiert.
Die Vorteile des Zonenschmelz-Einkristallofens bestehen darin, dass er nicht nur die Reinheit des vorbereiteten Einkristalls verbessern kann, sondern auch das Stäbchendotierungswachstum gleichmäßiger macht und der Einkristallstab durch mehrere Prozesse gereinigt werden kann.
Die Nachteile des Zonenschmelzofens für Einkristalle sind hohe Prozesskosten und ein kleiner Durchmesser des hergestellten Einkristalls. Derzeit beträgt der maximale Durchmesser des herstellbaren Einkristalls 200 mm.
Die Gesamthöhe der Zonenschmelzofenausrüstung für Einkristalle ist relativ hoch und der Hub der oberen und unteren Achsen ist relativ lang, sodass längere Einkristallstäbe gezüchtet werden können.
3. Waferverarbeitung und Ausrüstung
Der Kristallstab muss eine Reihe von Prozessen durchlaufen, um ein Siliziumsubstrat zu bilden, das den Anforderungen der Halbleiterfertigung entspricht, nämlich einen Wafer. Der grundlegende Prozess der Verarbeitung ist:
Trommeln, Schneiden, Hobeln, Wafer-Glühen, Anfasen, Schleifen, Polieren, Reinigen und Verpacken usw.
3.1 Wafer-Glühen
Bei der Herstellung von polykristallinem Silizium und Czochralski-Silizium enthält einkristallines Silizium Sauerstoff. Bei einer bestimmten Temperatur gibt der Sauerstoff im einkristallinen Silizium Elektronen ab und der Sauerstoff wird in Sauerstoffdonatoren umgewandelt. Diese Elektronen verbinden sich mit Verunreinigungen im Siliziumwafer und beeinflussen den spezifischen Widerstand des Siliziumwafers.
Glühofen: Bezieht sich auf einen Ofen, der die Temperatur im Ofen in einer Wasserstoff- oder Argonumgebung auf 1000–1200 °C erhöht. Durch Warmhalten und Abkühlen wird der Sauerstoff in der Nähe der Oberfläche des polierten Siliziumwafers verflüchtigt und von seiner Oberfläche entfernt, wodurch der Sauerstoff ausfällt und sich ablagert.
Prozessausrüstung, die Mikrodefekte auf der Oberfläche von Siliziumwafern auflöst, die Menge an Verunreinigungen in der Nähe der Oberfläche von Siliziumwafern reduziert, Defekte reduziert und einen relativ sauberen Bereich auf der Oberfläche von Siliziumwafern bildet.
Der Glühofen wird aufgrund seiner hohen Temperatur auch Hochtemperaturofen genannt. In der Industrie wird der Siliziumwafer-Annealing-Prozess auch als Getterung bezeichnet.
Der Glühofen für Siliziumwafer ist unterteilt in:
-Horizontaler Glühofen;
-Vertikaler Glühofen;
-Schnellglühofen.
Der Hauptunterschied zwischen einem horizontalen Glühofen und einem vertikalen Glühofen besteht in der Anordnungsrichtung der Reaktionskammer.
Die Reaktionskammer des horizontalen Glühofens ist horizontal strukturiert, und eine Charge von Siliziumwafern kann gleichzeitig zum Glühen in die Reaktionskammer des Glühofens geladen werden. Die Glühzeit beträgt normalerweise 20 bis 30 Minuten, die Reaktionskammer benötigt jedoch eine längere Aufheizzeit, um die für den Glühprozess erforderliche Temperatur zu erreichen.
Der Prozess des vertikalen Glühofens übernimmt auch die Methode, gleichzeitig eine Charge von Siliziumwafern zur Glühbehandlung in die Reaktionskammer des Glühofens zu laden. Die Reaktionskammer verfügt über eine vertikale Strukturanordnung, die es ermöglicht, die Siliziumwafer in einem horizontalen Zustand in einem Quarzschiffchen zu platzieren.
Da sich das Quarzschiffchen als Ganzes in der Reaktionskammer drehen kann, ist gleichzeitig die Glühtemperatur der Reaktionskammer gleichmäßig, die Temperaturverteilung auf dem Siliziumwafer ist gleichmäßig und es weist hervorragende Gleichmäßigkeitseigenschaften beim Glühen auf. Allerdings sind die Prozesskosten des vertikalen Glühofens höher als die des horizontalen Glühofens.
Der Schnellglühofen verwendet eine Halogen-Wolframlampe, um den Siliziumwafer direkt zu erhitzen, wodurch eine schnelle Erwärmung oder Abkühlung in einem weiten Bereich von 1 bis 250 °C/s erreicht werden kann. Die Aufheiz- bzw. Abkühlgeschwindigkeit ist schneller als bei einem herkömmlichen Glühofen. Es dauert nur wenige Sekunden, die Temperatur der Reaktionskammer auf über 1100 °C zu erhitzen.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 26. August 2024