Les plaquettes sont les principales matières premières pour la production de circuits intégrés, de dispositifs semi-conducteurs discrets et de dispositifs de puissance. Plus de 90 % des circuits intégrés sont fabriqués sur des tranches de haute pureté et de haute qualité.
L'équipement de préparation de plaquettes fait référence au processus de transformation de matériaux de silicium polycristallin pur en matériaux de tiges monocristallines de silicium d'un certain diamètre et d'une certaine longueur, puis de soumission des matériaux de tiges monocristallines de silicium à une série de traitements mécaniques, de traitements chimiques et d'autres processus.
Équipement qui fabrique des tranches de silicium ou des tranches de silicium épitaxiales qui répondent à certaines exigences de précision géométrique et de qualité de surface et fournissent le substrat de silicium requis pour la fabrication de puces.
Le flux de processus typique pour la préparation de tranches de silicium d'un diamètre inférieur à 200 mm est le suivant :
Croissance monocristalline → troncature → laminage du diamètre extérieur → tranchage → chanfreinage → meulage → gravure → gettering → polissage → nettoyage → épitaxie → emballage, etc.
Le flux principal du processus de préparation de tranches de silicium d'un diamètre de 300 mm est le suivant :
Croissance monocristalline → troncature → laminage du diamètre extérieur → tranchage → chanfreinage → meulage de surface → gravure → polissage des bords → polissage double face → polissage simple face → nettoyage final → épitaxie/recuit → emballage, etc.
1. Matériau en silicium
Le silicium est un matériau semi-conducteur car il possède 4 électrons de valence et appartient au groupe IVA du tableau périodique avec d’autres éléments.
Le nombre d'électrons de valence dans le silicium le place entre un bon conducteur (1 électron de valence) et un isolant (8 électrons de valence).
Le silicium pur ne se trouve pas dans la nature et doit être extrait et purifié pour le rendre suffisamment pur pour la fabrication. On le trouve généralement dans la silice (oxyde de silicium ou SiO2) et d'autres silicates.
D'autres formes de SiO2 comprennent le verre, les cristaux incolores, le quartz, l'agate et l'oeil de chat.
Le premier matériau utilisé comme semi-conducteur fut le germanium dans les années 40 et au début des années 50, mais il fut rapidement remplacé par le silicium.
Le silicium a été choisi comme principal matériau semi-conducteur pour quatre raisons principales :
Abondance de matériaux en silicium: Le silicium est le deuxième élément le plus abondant sur Terre, représentant 25 % de la croûte terrestre.
Le point de fusion plus élevé du matériau silicium permet une tolérance de processus plus large: le point de fusion du silicium à 1412°C est bien supérieur au point de fusion du germanium à 937°C. Le point de fusion plus élevé permet au silicium de résister aux processus à haute température.
Les matériaux en silicone ont une plage de températures de fonctionnement plus large;
Croissance naturelle d'oxyde de silicium (SiO2): Le SiO2 est un matériau isolant électrique stable et de haute qualité et agit comme une excellente barrière chimique pour protéger le silicium de la contamination externe. La stabilité électrique est importante pour éviter les fuites entre conducteurs adjacents dans les circuits intégrés. La capacité de faire croître de fines couches stables de matériau SiO2 est fondamentale pour la fabrication de dispositifs à semi-conducteurs à oxyde métallique (MOS-FET) hautes performances. Le SiO2 possède des propriétés mécaniques similaires à celles du silicium, permettant un traitement à haute température sans déformation excessive de la plaquette de silicium.
2. Préparation des plaquettes
Les plaquettes semi-conductrices sont découpées dans des matériaux semi-conducteurs en vrac. Ce matériau semi-conducteur est appelé tige de cristal, qui est issue d’un gros bloc de matériau intrinsèque polycristallin et non dopé.
Transformer un bloc polycristallin en un grand monocristal et lui donner l’orientation cristalline correcte et la quantité appropriée de dopage de type N ou P est appelé croissance cristalline.
Les technologies les plus courantes pour produire des lingots de silicium monocristallins pour la préparation de plaquettes de silicium sont la méthode Czochralski et la méthode de fusion de zone.
2.1 Méthode Czochralski et four monocristallin Czochralski
La méthode Czochralski (CZ), également connue sous le nom de méthode Czochralski (CZ), fait référence au processus de conversion de silicium liquide fondu de qualité semi-conducteur en lingots de silicium monocristallin solide avec l'orientation cristalline correcte et dopé en type N ou P-. taper.
Actuellement, plus de 85 % du silicium monocristallin est cultivé selon la méthode Czochralski.
Un four monocristallin Czochralski fait référence à un équipement de traitement qui fond des matériaux de polysilicium de haute pureté en un liquide en les chauffant dans un environnement fermé de protection contre un vide poussé ou un gaz rare (ou un gaz inerte), puis les recristallise pour former des matériaux de silicium monocristallin avec certains éléments externes. dimensions.
Le principe de fonctionnement du four monocristallin est le processus physique de recristallisation d'un matériau de silicium polycristallin en un matériau de silicium monocristallin à l'état liquide.
Le four monocristallin CZ peut être divisé en quatre parties : corps du four, système de transmission mécanique, système de chauffage et de contrôle de la température et système de transmission de gaz.
Le corps de four comprend une cavité de four, un axe de germe de cristal, un creuset en quartz, une cuillère de dopage, un couvercle de germe de cristal et une fenêtre d'observation.
La cavité du four doit garantir que la température dans le four est uniformément répartie et peut bien dissiper la chaleur ; l'arbre de cristal de germe est utilisé pour entraîner le cristal de germe à se déplacer de haut en bas et à tourner ; les impuretés à doper sont placées dans la cuillère à doper ;
Le couvercle des germes de cristal sert à protéger les germes de cristal de la contamination. Le système de transmission mécanique est principalement utilisé pour contrôler le mouvement du germe cristallin et du creuset.
Afin de garantir que la solution de silicium ne soit pas oxydée, le degré de vide dans le four doit être très élevé, généralement inférieur à 5 Torr, et la pureté du gaz inerte ajouté doit être supérieure à 99,9999 %.
Un morceau de silicium monocristallin avec l’orientation cristalline souhaitée est utilisé comme cristal germe pour faire croître un lingot de silicium, et le lingot de silicium développé est comme une réplique du cristal germe.
Les conditions à l’interface entre le silicium fondu et le germe de silicium monocristallin doivent être contrôlées avec précision. Ces conditions garantissent que la fine couche de silicium peut reproduire avec précision la structure du cristal germe et éventuellement se transformer en un grand lingot de silicium monocristallin.
2.2 Méthode de fusion de zone et four monocristallin de fusion de zone
La méthode de la zone flottante (FZ) produit des lingots de silicium monocristallins à très faible teneur en oxygène. La méthode de la zone flottante a été développée dans les années 1950 et permet de produire le silicium monocristallin le plus pur à ce jour.
Le four monocristallin de fusion de zone fait référence à un four qui utilise le principe de fusion de zone pour produire une zone de fusion étroite dans la tige polycristalline à travers une zone fermée étroite à haute température du corps du four à tige polycristalline dans un vide poussé ou un gaz de tube de quartz rare. environnement de protection.
Équipement de traitement qui déplace une tige polycristalline ou un corps chauffant de four pour déplacer la zone de fusion et la cristalliser progressivement en une tige monocristalline.
La caractéristique de la préparation de tiges monocristallines par la méthode de fusion de zone est que la pureté des tiges polycristallines peut être améliorée dans le processus de cristallisation en tiges monocristallines et que la croissance du dopage des matériaux de tige est plus uniforme.
Les types de fours monocristallins de fusion de zone peuvent être divisés en deux types : les fours monocristallins de fusion de zone flottante qui reposent sur la tension superficielle et les fours monocristallins de fusion de zone horizontale. Dans les applications pratiques, les fours monocristallins à fusion de zone adoptent généralement la fusion à zone flottante.
Le four monocristallin de fusion de zone peut préparer du silicium monocristallin de haute pureté à faible teneur en oxygène sans avoir besoin d'un creuset. Il est principalement utilisé pour préparer du silicium monocristallin à haute résistivité (> 20 kΩ·cm) et purifier le silicium de fusion de zone. Ces produits sont principalement utilisés dans la fabrication de dispositifs d'alimentation discrets.
Le four monocristallin de fusion de zone se compose d'une chambre de four, d'un arbre supérieur et d'un arbre inférieur (partie de transmission mécanique), d'un mandrin de tige de cristal, d'un mandrin de germe de cristal, d'un serpentin de chauffage (générateur haute fréquence), de ports de gaz (port de vide, entrée de gaz, sortie de gaz supérieure), etc.
Dans la structure de la chambre du four, une circulation d'eau de refroidissement est organisée. L'extrémité inférieure de l'arbre supérieur du four monocristallin est un mandrin de tige de cristal, qui est utilisé pour serrer une tige polycristalline ; l'extrémité supérieure de l'arbre inférieur est un mandrin de germe de cristal, qui est utilisé pour serrer le cristal de germe.
Une alimentation haute fréquence est fournie au serpentin chauffant et une zone de fusion étroite est formée dans la tige polycristalline à partir de l'extrémité inférieure. En même temps, les axes supérieur et inférieur tournent et descendent, de sorte que la zone de fusion se cristallise en un seul cristal.
Les avantages du four monocristallin de fusion de zone sont qu'il peut non seulement améliorer la pureté du monocristal préparé, mais également rendre la croissance du dopage de la tige plus uniforme, et la tige monocristalline peut être purifiée par plusieurs processus.
Les inconvénients du four monocristallin de fusion de zone sont les coûts de traitement élevés et le petit diamètre du monocristal préparé. Actuellement, le diamètre maximum du monocristal pouvant être préparé est de 200 mm.
La hauteur totale de l'équipement du four monocristallin de fusion de zone est relativement élevée et la course des axes supérieur et inférieur est relativement longue, de sorte que des tiges monocristallines plus longues peuvent être cultivées.
3. Traitement et équipement des plaquettes
La tige de cristal doit subir une série de processus pour former un substrat de silicium répondant aux exigences de la fabrication des semi-conducteurs, à savoir une tranche. Le processus de base du traitement est le suivant :
Culbutage, découpe, tranchage, recuit de plaquettes, chanfreinage, meulage, polissage, nettoyage et emballage, etc.
3.1 Recuit des plaquettes
Dans le processus de fabrication du silicium polycristallin et du silicium Czochralski, le silicium monocristallin contient de l'oxygène. À une certaine température, l'oxygène contenu dans le silicium monocristallin donnera des électrons et l'oxygène sera converti en donneurs d'oxygène. Ces électrons se combineront aux impuretés de la plaquette de silicium et affecteront la résistivité de la plaquette de silicium.
Four de recuit : désigne un four qui élève la température dans le four à 1 000-1 200°C dans un environnement hydrogène ou argon. En gardant au chaud et en refroidissant, l'oxygène près de la surface de la plaquette de silicium polie est volatilisé et éliminé de sa surface, provoquant la précipitation et la formation d'une couche d'oxygène.
Équipement de traitement qui dissout les micro-défauts à la surface des tranches de silicium, réduit la quantité d'impuretés à proximité de la surface des tranches de silicium, réduit les défauts et forme une zone relativement propre à la surface des tranches de silicium.
Le four de recuit est également appelé four à haute température en raison de sa température élevée. L'industrie appelle également le processus de recuit des plaquettes de silicium getter.
Le four de recuit de plaquettes de silicium est divisé en :
-Four de recuit horizontal ;
-Four de recuit vertical ;
-Four de recuit rapide.
La principale différence entre un four de recuit horizontal et un four de recuit vertical réside dans le sens de disposition de la chambre de réaction.
La chambre de réaction du four de recuit horizontal est structurée horizontalement et un lot de tranches de silicium peut être chargé dans la chambre de réaction du four de recuit pour un recuit en même temps. La durée du recuit est généralement de 20 à 30 minutes, mais la chambre de réaction a besoin d'un temps de chauffage plus long pour atteindre la température requise par le processus de recuit.
Le processus du four de recuit vertical adopte également la méthode de chargement simultané d'un lot de tranches de silicium dans la chambre de réaction du four de recuit pour le traitement de recuit. La chambre de réaction a une structure verticale, ce qui permet aux tranches de silicium d'être placées dans un bateau en quartz dans un état horizontal.
Dans le même temps, étant donné que le bateau en quartz peut tourner dans son ensemble dans la chambre de réaction, la température de recuit de la chambre de réaction est uniforme, la répartition de la température sur la tranche de silicium est uniforme et elle présente d'excellentes caractéristiques d'uniformité de recuit. Cependant, le coût du processus du four de recuit vertical est supérieur à celui du four de recuit horizontal.
Le four de recuit rapide utilise une lampe halogène au tungstène pour chauffer directement la plaquette de silicium, ce qui permet d'obtenir un chauffage ou un refroidissement rapide dans une large plage de 1 à 250°C/s. La vitesse de chauffage ou de refroidissement est plus rapide que celle d'un four de recuit traditionnel. Il ne faut que quelques secondes pour chauffer la température de la chambre de réaction au-dessus de 1 100 °C.
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Heure de publication : 26 août 2024