Puolijohdekiekot ovat ohuita kideviipaleita, jotka muodostavat nykyaikaisten sirujen perustan. Niiden materiaali, koko, kiteiden suunta ja pinnan laatu vaikuttavat nopeuteen, virrankulutukseen, tuottoon ja hintaan. Tässä artikkelissa selitetään waferin perusteet, päämateriaalit, prosessivaiheet, koot, pintapuhdistus, laaduntarkastukset ja valintasäännöt yksityiskohtaisissa osioissa.
Puolijohdewaferin perusteet
Puolijohdekiekot ovat ohuita, pyöreitä kidemateriaalin viipaleita, jotka toimivat monien nykyaikaisten sirujen pohjana. Pieniä elektronisia osia rakennetaan waferin päälle kerroksittain esimerkiksi kuvioinnilla, puhdistuksella ja lämmityksellä.
Useimmat waferit valmistetaan erittäin puhtaasta piistä, kun taas jotkut erikoissirut käyttävät muita edistyneitä materiaaleja nopeampiin, tehokkaisiin tai valoon perustuviin toimintoihin. Waferin materiaali, koko, kiteen laatu ja pinnan sileys vaikuttavat vahvasti siihen, kuinka hyvin lastut toimivat, kuinka monta hyvää lastua valmistetaan (saanto) ja kuinka paljon ne maksavat.
Puolijohdekiekkojen valmistuksen vaiheet
Raaka-aineiden puhdistus
Pii kiekkoihin saadaan kvartsihiekasta. Se muunnetaan ensin metallurgialaatuiseksi piiksi, minkä jälkeen jalostetaan uudelleen erittäin puhtaaksi elektroniikkatason piiksi.
Yhdistekiekoissa aineet kuten gallium, arseeni, indium ja fosfori puhdistetaan ja yhdistetään tarkasti suhteissa saadakseen tarvittavan puolijohdemateriaalin.
Kiteiden kasvu
Pieni siemenkide upotetaan sulatettuun puolijohdemateriaaliin. Siemen nostetaan hitaasti ylös ja käännetään niin, että atomit asettuvat yhteen suuntaan.
Tämä prosessi muodostaa pitkän, kiinteän, yksikiteisen harkon, jolla on tasainen kidesuuntaus ja hyvin vähän vikoja.
Ingottin muotoilu ja viipalointi
Pyöreä hartti jauhetaan tarkasti halkaisijaan, joten jokaisella kiekolla on sama koko.
Erityinen saha leikkaa sitten harton ohuiksi, litteiksi levyiksi, jotka muuttuvat yksittäisiksi waferiksi.
Wafer-pinnan valmistelu
Leikkaamisen jälkeen waferin pinnat ovat karheat ja vaurioituneet. Lappu ja etsaus poistavat tämän vaurioituneen kerroksen ja parantavat litteyttä.
Kiillotuksella luodaan erittäin sileä, peilimäinen pinta, jotta myöhemmät lastukuviot voidaan tulostaa tarkasti.
Tarkastus ja lajittelu
Valmiit waferit tarkistetaan paksuuden, litteyden, pintavirheiden ja kiteiden laadun osalta.
Vain tiukat vaatimukset täyttävät waferit siirtyvät laitteiden valmistukseen, jossa piirit ja rakenteet rakennetaan waferin pinnan päälle.
Puolijohdekiekkojen koot ja paksuusvaihtelut
| Waferin halkaisija | Pääsovellukset | Tyypillinen paksuusalue (μm) |
|---|---|---|
| 100 mm (4") | Vanhemmat sirut, erilliset osat, pienet tutkimus- ja kehityslinjat | ~500–650 |
| 150 mm (6") | Analogiset, teho- ja erikoispuolijohdekiekot | ~600–700 |
| 200 mm (8") | Sekasignaali-, virta- ja kypsät CMOS-kiekot | ~700–800 |
| 300 mm (12") | Edistynyt logiikka, muisti ja suurivolyymilevyt | ~750–900 |
Waferin suuntaus, tasot ja lovit
Puolijohdekiekon sisällä atomit noudattavat kiinteää kidekuviota. Wafer leikataan tasojen kuten (100) tai (111) suuntaisesti, mikä vaikuttaa siihen, miten laitteet rakentuvat ja miten pinta reagoi käsittelyn aikana. Kiteiden orientaatio vaikuttaa:
• Miten transistorirakenteet muodostuvat
• Kuinka pinta kaivertaa ja kiillottaa
• Kuinka stressi kertyy ja leviää waferissa
Työkalujen kohdistusta:
• Flatsit ovat pitkiä, suoria reunoja pääasiassa pienemmillä kiekoilla, ja ne voivat osoittaa suuntaa ja tyyppiä.
• Lovit ovat pieniä leikkauksia useimmissa 200 mm ja 300 mm wafereissa ja antavat tarkan viitteen automaattiselle kohdistukselle.
Puolijohdekiekkojen sähköiset ominaisuudet
| Parametri | Mitä se tarkoittaa | Syyt, miksi waferit ovat tärkeitä |
|---|---|---|
| Johtavuustyyppi | N- tai P-tyyppinen taustadoping | Muuttaa sitä, miten liitokset muodostuvat ja miten laitteet on sijoittunut |
| Dopanttilajit | Atomit kuten B, P, As, Sb (pii) tai muut | Vaikuttaa siihen, miten dopantit leviävät, aktivoituvat ja aiheuttavat virheitä |
| Resistiivisyys | Kuinka voimakkaasti wafer vastustaa virtaa (Ω·cm) | Määrittää vuototasot, eristyksen ja virran menetyksen |
| Lentotukialuksen liikkuvuus | Kuinka nopeasti elektronit tai aukot liikkuvat sähkökentässä | Rajoittaa kytkentänopeutta ja virran tehokkuutta |
| Elinikä | Kuinka kauan kantajat pysyvät aktiivisina ennen uudelleenyhdistymistä | Vaaditaan virtakiekkoille, ilmaisimille ja aurinkokiekkoille |
Tärkeimmät puolijohdekiekkojen materiaalit ja niiden käyttötarkoitukset
Piipuolijohdelevyt
Piipuolijohdekiekot ovat monien nykyaikaisten piirien pääasiallinen pohjamateriaali. Piillä on sopiva kaistaväli, vakaa kiderakenne ja se kestää korkeita lämpötiloja, joten se toimii hyvin monimutkaisissa sirusuunnitteluissa ja pitkissä prosessivirroissa tehtaalla. Piikiekoissa rakennetaan monenlaisia integroituja piirejä, mukaan lukien:
• Suorittimet, GPU:t ja SoC:t tietojenkäsittelyyn ja mobiilijärjestelmiin
• DRAM ja NAND-flash muistiin ja datan tallennukseen
• Analogiset, sekasignaali- ja virranhallinta-IC:t
• Monia MEMS-pohjaisia antureita ja toimilaitteita
Piikiekoja tukee myös laaja, hyvin kehittynyt valmistusekosysteemi. Työkalut, prosessivaiheet ja materiaalit ovat erittäin hienostuneita, mikä auttaa alentamaan sirukohtaisia kustannuksia ja tukee suuren volyymin puolijohdetuotantoa.
Gallium-arsenidipuolijohdelevyt
Gallium-arsenidi- (GaAs) -puolijohdekiekot valitaan, kun tarvitaan erittäin nopeita signaaleja tai vahvaa valonlähdettä. Ne maksavat enemmän kuin piikiekat, mutta niiden erityiset sähköiset ja optiset ominaisuudet tekevät niistä arvokkaita monissa RF- ja fotonisissa sovelluksissa.
GaAs-wafer-sovellukset
• RF-etupään laitteet
• Tehovahvistimet ja matalakohinaiset vahvistimet langattomissa järjestelmissä
• Mikroaalto-IC:t tutka- ja satelliittiyhteyksille
• Optoelektroniset laitteet
• Korkeakirkkaat LEDit
• Laserdiodit varastointiin, aistimiseen ja viestintään
Pääasialliset syyt käyttää GaAs:a piin sijaan
• Suurempi elektronien liikkuvuus nopeampaa transistorikytkentää varten
• Suora kaistaväli tehokkaaseen valonpäästöön
• Vahva suorituskyky korkeilla taajuuksilla ja kohtuullisilla tehotasoilla
Piikarbidipuolijohdelevyt
Piikarbide (SiC) -puolijohdekiekkoja käytetään, kun piirien on kestettävä korkea jännite, korkea lämpötila ja nopea kytkentä. Ne tukevat teholaitteita, jotka pysyvät tehokkaina, kun taas tavalliset piilaitteet alkavat kamppailla.
Miksi SiC-kiekot ovat tärkeitä
• Laaja kaistaväli: Tukee korkeampia läpäisyjännitteitä ja matalaa vuotovirtaa. Mahdollistaa pienemmät, tehokkaammat virtalähteet korkeilla jännitteillä.
• Korkea lämmönjohtavuus: Siirtää lämpöä pois virta-MOSFETeista ja diodeista nopeammin. Auttaa pitämään tehoelektroniikan vakaana sähköautoissa, uusiutuvassa energiassa ja teollisuusjärjestelmissä.
• Lujuus korkeissa lämpötiloissa: Mahdollistaa toiminnan vaativissa olosuhteissa, joissa jäähdytys on vähäisempää. Pitää suorituskyvyn vakaampana laajalla lämpötila-alueella.
Indiumfosfidipuolijohdelevyt
Indiumfosfidi (InP) -puolijohdekiekkoja käytetään pääasiassa nopeissa optisissa yhteyksissä ja kehittyneissä fotonisissa piireissä. Ne valitaan, kun valoon perustuvat signaalit ja erittäin nopeat tiedonsiirtonopeudet ovat yksinkertaisempia kuin alhaiset materiaalikustannukset tai suuri wafer-koko.
InP-kiekkojen edut
• Tue lasereita, modulaattoreita ja valodetektoreita, jotka toimivat yleisillä telekommunikaatioaallonpituuksilla
• Ottaa käyttöön fotoniset integroidut piirit (PIC), jotka yhdistävät monia optisia toimintoja yhdelle sirulle
• Tarjota korkea elektronien liikkuvuus laitteille, jotka yhdistävät optisia toimintoja korkeataajuisiin elektroniikkaan
InP-puolijohdekiekot ovat hauraampia ja kalliimpia kuin piikiekat, ja niitä on usein pienempiä halkaisijaltaan. Siitä huolimatta niiden kyky sijoittaa aktiiviset optiset osat suoraan sirulle tekee niistä välttämättömiä pitkän matkan kuituyhteyksissä, datakeskusyhteyksissä ja uudemmissa fotonisissa laskentajärjestelmissä.
Suunnitellut puolijohdekiekonrakenteet
| Waferin halkaisija | Yleinen puolijohdekiekkojen käyttö | Likimääräinen paksuusalue (μm) | Huomautuksia |
|---|---|---|---|
| 100 mm (4") | Perinnölliset IC:t, erilliset laitteet ja pienet tuotantolinjat | ~500–650 | Usein käytetty vanhemmissa tai erikoistuneissa tehtaissa |
| 150 mm (6") | Analogiset, sähkö- ja erikoisprosessit | ~600–700 | Yleistä SiC-, GaAs- ja InP-wafer-linjoille |
| 200 mm (8") | Sekasignaali-, teho-, kypsät CMOS-solmut | ~700–800 | Tasapainotettu kustannusten ja tuotannon osalta |
| 300 mm (12") | Edistynyt logiikka, muisti ja suuren volyymin valmistus | ~750–900 | Päästandardi huippuluokan pii-CMOS:lle |
Puolijohdelevyjen valinta sovelluksiin
| Sovellusalue | Suosittu wafer-materiaali / rakenne |
|---|---|
| Yleinen logiikka ja prosessorit | Pii, 300 mm |
| Mobiili- ja RF-etupäät | GaAs, SOI, joskus pii |
| Tehomuunnos ja sähköautot | SiC, epitaksiaalinen pii |
| Optinen viestintä ja PIC:t | InP, piifotoniikka SOI:ssa |
| Analoginen ja sekasignaali | Pii, SOI, epitaksiaaliset waferit |
| Anturit ja MEMS | Pii (eri halkaisijoilla), erikoispinot |
Yhteenveto
Puolijohdekiekot käyvät läpi monia huolellisia vaiheita, kuten puhdistetusta raaka-aineesta ja kiteiden kasvusta viipalointiin, kiillotukseen, puhdistukseen ja lopputarkastuksiin. Hallittu koko, paksuus, suunta ja pintaviimeistely auttavat kuvioita pysymään terävinä ja viat pieninä. Eri materiaalit, kuten pii, GaAs, SiC ja InP, palvelevat eri tehtäviä, kun taas vahva metrologia, vikasuojaus, varastointi ja uudelleenotto pitävät syöntövoiman ja luotettavuuden korkealla.
Usein kysytyt kysymykset [UKK]
Mikä on primaaripuolijohdekiekon?
Prime-wafer on korkealaatuinen kieko, jonka paksuus, tasaisuus, karheus ja virhetasot ovat tarkasti hallituja, ja jota käytetään varsinaisessa lastutuotannossa.
Mikä on testi- tai dummy-wafer?
Testikiekko tai näennäinen wafer on matalalaatuinen wafer, jota käytetään työkalujen asentamiseen, prosessien viritykseen ja saastumisen seurantaan, ei lopputuotteiden osalta.
Mikä on SOI-puolijohdewafer?
SOI-kiekko on piikieko, jossa on ohut piikerros eristävän kerroksen päällä ja piipohja, jota käytetään parantamaan eristystä ja vähentämään loisvaikutuksia.
Miten puolijohdekiekot säilytetään ja siirretään tehtaassa?
Waferit säilytetään ja siirretään suljetuissa kantamoissa tai kapseleissa, jotka suojaavat niitä hiukkasilta ja vaurioilta, ja nämä podit telakoituvat suoraan prosessointityökaluihin.
Mitä on waferin takaisinotto?
Waferin reclaiming tarkoittaa kalvojen poistamista, pinnan uudelleentyöstöä ja kiekkojen uudelleenkäyttöä testi- tai valvontakiekkoina niiden romuttamisen sijaan.
Kuinka monta prosessivaihetta puolijohdekiekko käy läpi?
Puolijohdekiekko käy tyypillisesti läpi useita satoja tai yli tuhat prosessivaihetta raakakiekosta valmiisiin siruihin.
