Кіріспе

тағамның әртүрлілігі Интегралды схемаларды жасауға қолданылатын жартылай өткізгіштің жұқа кесегі. Электроникада пластина (немесе кесінді, субстрат) – интегралды схемаларды жасау және фотовольтаикада күн батареяларын өндіру үшін қолданылатын кристалдық кремний (c Si, кремний) сияқты жартылай өткізгіштің жұқа кесегі. Пластина пластинаның ішіне және бетіне орналастырылған микроэлектрондық құрылғылар үшін негіз ретінде қызмет етеді. Ол допингтеу, иондық имплантация, тегістеу, әртүрлі материалдардың жұқа пленкаларын жағу және фотолитографиялық бейнелеу сияқты көптеген микроөндіріс процестерінен өтеді. Ақырында, жеке микросхемалар пластинаны бөліп, интегралды схема ретінде жинақталады.

Тарих

Жартылай өткізгіш өнеркәсібінде "вафер" термині 1950 жылдары пайда болды, ол әдетте германий немесе кремнийден тұратын жартылай өткізгіш материалдың жұқа, дөңгелек кесіндісін сипаттайды. Осы ваферлердің дөңгелек пішіні әдетте Цохральски әдісімен өндірілетін бір кристаллды слиткалардан туындайды. Кремнийлі ваферлер алғаш рет 1940 жылдары енгізілді. 1960 жылы АҚШ-та MEMC/SunEdison сияқты компаниялар кремнийлі ваферлерді өндіре бастады. 1965 жылы американдық инженерлер Эрик О. Эрнст, Дональд Дж. Хёрд және Джерард Сили IBM компаниясында жұмыс істеп жүргенде, алғашқы жоғары сыйымдылықтағы эпитаксиалды аппаратқа US3423629A патентін тіркеді. Кремнийлі ваферлерді Sumco, Shin Etsu Chemical, Hemlock Semiconductor Corporation және Siltronic сияқты компаниялар шығарады.

Тазалау, текстуралау және эфирлеу

Кестені қажетсіз бөлшектерді жою үшін әлсіз қышқылдармен тазалайды. Кремнийлі пластинка бетінде ластанудың болмауын қамтамасыз ету үшін бірнеше стандартты тазалау процедуралары бар. Ең тиімді әдістердің бірі – RCA тазалауы. Күн батареялары үшін қолданылған кезде пластинкалар беттік ауданын және тиімділігін арттыру үшін дөрекі бет жасау үшін текстураланады. Дамыған ПГС (фосфосиликатты шыны) пластинка шетінен гравировкалау арқылы алынады.

Кремний

Кремнийлі пластиналар 25,4 мм (1 дюйм) бастап 300 мм (11,8 дюйм) дейінгі әртүрлі диаметрлерде қол жетімді. Жартылай өткізгіштерді өндіру заводтары, көбінесе "фаб" деп аталады, олар өндірілетін пластиналардың диаметрімен анықталады. Өнімділікті арттыру және шығындарды төмендету үшін диаметр біртіндеп ұлғайтылды, қазіргі заманауи фаб 300 мм қолданады, ал 450 мм қабылдау ұсынылып отыр. Intel, TSMC және Samsung компаниялары 450 мм "прототиптік" (зерттеу) фабтарды құру бойынша жеке зерттеулер жүргізді, бірақ маңызды қиындықтар әлі де бар. Пластинаның мөлшері Типтік қалыңдығы Енгізілген жылы 56 4,9 дюйм (125 мм) 625 мкм 198195 150 мм (5,9 дюйм, көбінесе "6 дюйм" деп аталады) 675 мкм 1983144 200 мм (7,9 дюйм, көбінесе "8 дюйм" деп аталады) 725 мкм 1992 53 грамм 925 мкм – 342 грамм белгісіз – белгісіз 3427 Кремнийден басқа материалдардан өсірілген пластиналардың қалыңдығы, бірдей диаметрлі кремний пластинасынан өзгеше болады. Пластинаның қалыңдығы қолданылатын материалдың механикалық күшімен анықталады; пластина өз салмағын ұстап тұру үшін жеткілікті қалың болуы керек, оны ұстағанда жарылмауы тиіс. Кестеде көрсетілген қалыңдықтар сол процестің енгізілген кезіне қатысты, және қазіргі уақытта міндетті түрде дұрыс болмауы мүмкін, мысалы, IBM BiCMOS7WL процесі 8 дюймдік пластиналарда жүзеге асырылады, бірақ олардың қалыңдығы 200 мкм ғана. Пластинаның салмағы оның қалыңдығы мен диаметрімен бірге артады.

Уэффер өлшеміне қатысты тарихи өсім

Жаңқаны жасау кезегінің бір бөлігі, мысалы, жару кезегі, жаңқа ауданының артуына пропорционалды түрде көбірек чиптерді өндіре алады, ал бірлік жасау кезегінің құны жаңқа ауданынан баяу өседі. Осы себеппен жаңқаның мөлшерін арттыру экономикалық тұрғыдан тиімді болды. 2000 жылдың басында 200 мм-ден 300 мм-ге көшу басталды, бұл әр чиптің бағасын шамамен 30-40%-ға төмендетті. Үлкен диаметрлі жаңқалар бір жаңқаға көбірек чип орналастыруға мүмкіндік береді.

Фотоэлектрлік

M1 пластинкасының мөлшері (156,75 мм) 2020 жылдан бастап Қытайда қолданыстан шығарылу үстінде. Әртүрлі стандартқа келмейтін пластинкалар пайда болғандықтан, M10 стандартын (182 мм) толыққанды енгізу жұмыстары жалғасуда. Басқа жартылай өткізгіш өндіріс процестері сияқты, әртүрлі типтегі құрылғылардың өндіріс процестерінің өзгешеліктеріне қарамастан, бұл мөлшерді ұлғайтуға басты себеп – өндіріс шығындарын төмендету болды.

Кристалдық бағыт

Вефлерлер тұрақты кристаллдық құрылымы бар кристалдан өсіріледі, кремний 5,430710 Å (0,5430710 нм) тор арақашықтығымен алмаз тәрізді кубикалық құрылымға ие. Вефлерлер кесілген кезде, беті кристалл бағыттары деп аталатын бірнеше салыстырмалы бағыттардың бірімен сәйкестендіріледі. Бағыт Миллер индексімен анықталады, кремний үшін (100) немесе (111) жазықтықтары ең көп қолданылады. Вефлердің жарылуы әдетте бірнеше анықталған бағыттарда ғана жүзеге асады. Вефлерді жарылу жазықтықтары бойынша кесу оны жеке микросхемаларға ("кристаллдарға") оңай бөлуге мүмкіндік береді, соның арқасында орташа вефлердегі миллиардтаған жеке схема элементтерін көптеген жеке схемаларға бөлуге болады.

Кристаллографиялық бағдарлау ойықтары

200 мм-ден кіші диаметрлі пластиналардың бір немесе бірнеше жағында пластинаның кристаллографиялық жазықтығын (әдетте {110} жазықтығы) көрсететін ойыстар жасалады. Ескі буын пластиналарындағы екі ойыс әртүрлі бұрыштарда орналасып, допинг түрін де көрсететін (ережелер үшін суретті қараңыз). 200 мм және одан жоғары диаметрлі пластиналар допинг түрін көрсетпей, пластинаның бағытын көрсету үшін бір кішкентай ойық қолданады. 450 мм пластиналарда ойықтар жоқ, олар бағытталғандық үшін пластина бетіне лазермен салынған құрылымға сүйенеді.

Ластанған допинг

Кремний пластинкалары әдетте 100% таза кремний емес, керісінше, балқытуға қосылатын және пластинканы ірі n немесе p типті деп анықтайтын бор, фосфор, мырыш немесе сурьманың 1013 және 1016 атом/см3 арасындағы бастапқы қоспалық допинг концентрациясымен жасалады. Дегенмен, бір кристалды кремнийдің атомдық тығыздығы – 5×1022 атом/см3 екенін ескерсек, бұл әлі де 99,9999% тазалықты қамтамасыз етеді. Пластинкалар бастапқыда белгілі бір мөлшерде интерстициалды оттегімен де қамтамасыз етілуі мүмкін. Көміртегі және металл қоспалары ең төмен деңгейде ұсталады. Электрондық қолдану үшін, әсіресе, өтпелі металдардың концентрациясы миллиардтың бір бөлігінен (ppb) төмен болуы керек.

Қиындықтар

Өнімділіктің жақсаруы мүмкін болғанына қарамастан, инвестициялардың жеткілікті қайтарымына қатысты алаңдаушылықтардың салдарынан 450 мм-ге көшуге елеулі қарсылық бар. Үлкен пластиналарға арналған жартылай өткізгіштік құрылғыларды жасау жабдықтарының жоғары құны 450 мм зауыттарының (жартылай өткізгіштік құрылғыларды жасау орналастырулары немесе зауыттары) құнын арттырады. 2012 жылы литограф Крис Мак 450 мм пластиналар үшін бір дананың жалпы бағасы 300 мм пластиналармен салыстырғанда тек 10–20% ғана төмендейді деп мәлімдеді, себебі пластиналарды өңдеудің жалпы құнының 50% астамы литографиямен байланысты. 450 мм үлкен пластиналарға көшу пластина санына байланысты болатын, пластина ауданына емес, гравировка сияқты процестер үшін ғана бір дана бағасын төмендетеді. Литография сияқты процестердің құны пластина ауданына пропорционалды, сондықтан үлкен пластиналар литографияның бір дана құнына тигізетін үлесін азайта алмайды. Nikon компаниясы 2015 жылы 450 мм литографиялық жабдықты жеткізуді, ал 2017 жылы көлемді өндірісті жоспарлаған. 2013 жылдың қараша айында ASML чип өндірушілердің сұранысының нақты уақытын анықтамағандықтан 450 мм литографиялық жабдықты әзірлеуді тоқтатты. 2012 жылы Нью-Йорк штаты (SUNY Poly/College of Nanoscale Science and Engineering (CNSE)), Intel, TSMC, Samsung, IBM, Globalfoundries және Nikon компанияларынан құралған консорциум Global 450mm Consortium (G450C, SEMATECH сияқты) деп аталатын мемлекеттік-жекешелік серіктестік құрды. Олар 450 мм пластина деңгейіне өнеркәсіптік көшуді үйлестіруге мүмкіндік беретін «тиімді пластина жасау инфрақұрылымын, жабдық прототиптерін және құралдарды әзірлеу» үшін 5 жылдық жоспар жасады (2016 жылы аяқталады). 2014 жылдың ортасында CNSE SEMICON West-те алғашқы толық өрнектелген 450 мм пластиналарын көрсететінін жариялады. 2017 жылдың басында G450C 450 мм пластиналарға қатысты зерттеулерді тоқтата бастады, себебі себептері жарияланбады. 300 мм өндірісті оңтайландырудың қымбат 450 мм көшуден арзан екенін индустрия түсінуі де рөл атқарған болуы мүмкін. 2014 жылдың ақпанында Micron Technology компаниясының бас директоры Марк Дюркан 450 мм енгізілуінің белгісіз мерзімге кейінге шегерілуін немесе тоқтатылуын күтетінін айтты. «Мен 450 мм-ге қол жеткізілетініне сенімді емеспін, бірақ егер олай болса, онда ол болашақта алыс болады. Микрон үшін, кем дегенде, келесі бес жылда 450 мм-ге көп ақша жұмсаудың қажеті жоқ». «Осыны іске асыру үшін жабдық саласына көп инвестиция салу қажет. Ал соңындағы құны – яғни клиенттер сол жабдықты сатып алатындай болуы – менің ойымша күмәнді». 2014 жылдың наурызында Intel Corporation 450 мм енгізілуін 2020 жылға дейін (осы онжылдықтың соңына дейін) күтті. semiengineering.com сайтының журналисі Марк Лапедус 2014 жылдың ортасында чип өндірушілердің 450 мм енгізілуін «көрінетін болашақта» кейінге шегергенін хабарлады. Осы есепке сәйкес, кейбір сарапшылар 2018–2020 жылдарды күтсе, VLSI Research компаниясының бас директоры Г. Дэн Хатчесон 450 мм зауыттарының өндіріске 2020–2025 жылдарға дейін кірмейтінін болжады. 300 мм-ге көшу үлкен өзгерістерді қажет етті, 300 мм пластиналарды пайдаланатын толық автоматтандырылған зауыттар 200 мм пластиналар үшін жартылай автоматтандырылған зауыттардан өзгеше болды. Бұл ішінара 300 мм пластиналарға арналған FOUP 25 300 мм пластиналармен толтырылғанда шамамен 7,5 килограмм салмақ алса, ал SMIF 25 450 мм пластиналармен толтырылғанда шамамен 4,8 килограмм салмақ алады, сондықтан FOUP-ты қолмен тасымалдау үшін крандар қажет, ал FOUP-та тұтқалар болмайды. FOUP-тар Muratec немесе Daifuku материалдарды тасымалдау жүйелерін пайдалана отырып жылжытылады. Бұл ірі инвестициялар «Dot Com» көпіршігінен кейінгі экономикалық төмендеу кезінде жасалды, нәтижесінде бастапқы мерзімде 450 мм-ге жаңартуға қарсылық күшті болды. 450 мм-ге көшуге дайындалу кезінде кристалдық слиткалар 3 есе ауыр болады (жалпы салмағы 1 тонна) және салқындатуға 2–4 есе көп уақыт кетеді, ал өңдеу уақыты екі есе ұзарады. Барлығын есептегенде, 450 мм пластиналарды әзірлеу үшін маңызды инженерлік еңбек, уақыт және шығындар қажет.