Кремниевые пластины для микроэлектроники и солнечных элементов

Введение

разнообразие продуктов питания
Тонкий срез полупроводника, используемый для изготовления интегральных схем

В электронике пластина (также называемая подложкой или пластиной) представляет собой тонкий срез полупроводника, например, кристаллический кремний (c Si, кремний), используемый для изготовления интегральных схем и, в фотовольтаике, для производства солнечных элементов. Пластина служит основой для микроэлектронных устройств, создаваемых в ней и на ней. Она подвергается множеству процессов микропроизводства, таких как легирование, ионная имплантация, травление, нанесение тонких пленок различных материалов и фотолитографическое формирование рисунка. В конечном итоге отдельные микросхемы отделяются путем разделения пластины на отдельные кристаллы и упаковываются в виде интегральной схемы.

История

В полупроводниковой промышленности термин "пластина" появился в 1950-х годах для описания тонкого круглого среза полупроводникового материала, обычно германия или кремния. Круглая форма, характерная для этих пластин, обусловлена использованием монокристаллических слитков, как правило, получаемых методом Чохральского. Кремниевые пластины были впервые представлены в 1940-х годах. К 1960 году кремниевые пластины производились в США такими компаниями, как MEMC/SunEdison. В 1965 году американские инженеры Эрик О. Эрнст, Дональд Дж. Хёрд и Джерард Сили, работая в IBM, подали заявку на патент US3423629A на первое эпитаксиальное устройство высокой производительности. Кремниевые пластины производятся такими компаниями, как Sumco, Shin Etsu Chemical, Hemlock Semiconductor Corporation и Siltronic.

Очистка, текстурирование и гравировка

Пластины очищаются слабыми кислотами для удаления нежелательных частиц. Существует несколько стандартных процедур очистки, чтобы гарантировать отсутствие загрязнений на поверхности кремниевой пластины. Один из наиболее эффективных методов – это RCA-очистка. При использовании для солнечных элементов пластины текстурируются для создания шероховатой поверхности, что увеличивает площадь поверхности и, следовательно, их эффективность. Образующееся ПГС (фосфосиликатное стекло) удаляется с края пластины в процессе травления.

Кремний

Кремниевые пластины доступны в различных диаметрах от 25,4 мм (1 дюйм) до 300 мм (11,8 дюйма). Заводы по производству полупроводников, обычно называемые фабами, классифицируются по диаметру пластин, для производства которых они оснащены. Диаметр постепенно увеличивался для повышения производительности и снижения стоимости, и на сегодняшний день передовые фабы используют 300 мм, при этом рассматривается возможность перехода на 450 мм. Компании Intel, TSMC и Samsung независимо проводили исследования в преддверии создания 450-мм "прототипных" (исследовательских) фаб, хотя на этом пути остаются серьезные трудности.

Размер пластины | Типичная толщина | Год выпуска
------- | -------- | --------
56 | 4,9 дюйма (125 мм) | 625 мкм | 1981
95 | 150 мм (5,9 дюйма, обычно называемый "6 дюйма") | 675 мкм | 1983
144 | 200 мм (7,9 дюйма, обычно называемый "8 дюйма") | 725 мкм | 1992
| 53 грамма | 925 мкм | -
| 342 грамма | неизвестно | -
| | | 3427

Пластины, изготовленные из материалов, отличных от кремния, будут иметь иную толщину, чем кремниевые пластины того же диаметра. Толщина пластины определяется механической прочностью используемого материала; пластина должна быть достаточно толстой, чтобы выдерживать собственный вес без образования трещин при обращении. Указанные в таблице значения толщины соответствуют году внедрения соответствующего процесса и не обязательно актуальны в настоящее время. Например, процесс IBM BiCMOS7WL используется на 8-дюймовых пластинах, но их толщина составляет всего 200 мкм. Вес пластины увеличивается с ростом ее толщины и диаметра.

Исторические увеличения размера вафелей

Единица технологического процесса изготовления пластин, например, этап травления, может производить больше чипов пропорционально увеличению площади пластины, при этом стоимость единицы технологического процесса растет медленнее, чем площадь пластины. Это было экономическим обоснованием для увеличения размера пластин. Переход на 300-мм пластины с 200-мм пластин начался в начале 2000-х годов и снизил цену за кристалл примерно на 30–40%. Пластины большего диаметра позволяют размещать больше кристаллов на одной пластине.

Фотоэлектрические

Размер пластин M1 (156,75 мм) постепенно выводится из использования в Китае с 2020 года. Возникло множество нестандартных размеров пластин, поэтому продолжаются усилия по полному переходу на стандарт M10 (182 мм). Как и в других процессах производства полупроводников, основным стимулом для этой попытки увеличения размера является снижение затрат, несмотря на различия в технологических процессах для разных типов устройств.

Кристаллическая ориентация

Пластины выращиваются из кристалла с регулярной кристаллической структурой, при этом кремний имеет алмазную кубическую структуру с межатомным расстоянием 5,430710 Å (0,5430710 нм). При нарезке на пластины поверхность ориентируется в одном из нескольких относительных направлений, известных как кристаллические ориентации. Ориентация определяется индексом Миллера, при этом (100) или (111) плоскости являются наиболее распространенными для кремния. Раскалывание пластин обычно происходит только в нескольких четко определенных направлениях. Нанесение насечек на пластину вдоль плоскостей раскола позволяет легко разрезать ее на отдельные кристаллы ("чипы"), чтобы миллиарды отдельных элементов схемы на типичной пластине можно было разделить на множество отдельных микросхем.

Кристаллографические ориентировочные выемки

У вафелей диаметром менее 200 мм на одной или нескольких сторонах сделаны плоские участки, указывающие на кристаллографические плоскости вафли (обычно плоскость {110}). В вафлях более ранних поколений пара плоских участков, расположенных под разными углами, дополнительно указывала тип легирования (см. иллюстрацию для обозначений). Вафли диаметром 200 мм и более используют единственную небольшую насечку для обозначения ориентации вафли, без визуального указания типа легирования. Вафли диаметром 450 мм не имеют насечек и используют лазерную разметку на поверхности вафли для определения ориентации.

Допинг нечистоты

Кремниевые пластины обычно не состоят из 100% чистого кремния, а формируются с начальной концентрацией примесной допировки от 10¹³ до 10¹⁶ атомов на см³ бора, фосфора, мышьяка или сурьмы, которые добавляются в расплав и определяют, является ли пластина объемного n-типа или p-типа. Однако, по сравнению с атомной плотностью монокристаллического кремния, равной 5 × 10²² атомов на см³, это все равно обеспечивает чистоту более 99,9999%. Пластины также могут изначально содержать определенную концентрацию интерстициального кислорода. Содержание углерода и металлических примесей сведено к минимуму. Особенно важно, чтобы концентрация переходных металлов для электронных применений не превышала частей на миллиард.

Вызовы

Существует значительное сопротивление переходу на 450 мм, несмотря на возможное повышение производительности, из-за опасений относительно недостаточной рентабельности инвестиций. Более дорогостоящее оборудование для производства полупроводников для больших пластин увеличивает стоимость 450-мм фабрик (производственных предприятий полупроводников). Литограф Крис Мак в 2012 году заявил, что общая цена за кристалл для 450-мм пластины снизится всего на 10–20% по сравнению с 300-мм пластинами, поскольку более 50% общей стоимости обработки пластины приходится на литографию. Переход на более крупные 450-мм пластины снизит цену за кристалл только для технологических операций, таких как травление, где стоимость связана с количеством пластин, а не с площадью пластины. Стоимость процессов, таких как литография, пропорциональна площади пластины, и большие пластины не уменьшат вклад литографии в стоимость кристалла. Компания Nikon планировала поставить литографическое оборудование для 450 мм в 2015 году с началом серийного производства в 2017 году. В ноябре 2013 года ASML приостановила разработку оборудования для литографии 450 мм, ссылаясь на неопределенность сроков спроса со стороны производителей чипов. В 2012 году группа, состоящая из штата Нью-Йорк (SUNY Poly/College of Nanoscale Science and Engineering (CNSE)), Intel, TSMC, Samsung, IBM, Globalfoundries и Nikon, сформировала государственно-частное партнерство под названием Global 450mm Consortium (G450C, аналогично SEMATECH), которое разработало пятилетний план (срок действия которого истек в 2016 году) по разработке «экономически эффективной инфраструктуры производства пластин, прототипов оборудования и инструментов для обеспечения скоординированного перехода отрасли на уровень пластин 450 мм». В середине 2014 года CNSE объявила, что представит первые полностью сформированные 450-мм пластины на SEMICON West. В начале 2017 года G450C начала демонтировать свою деятельность по исследованиям 450-мм пластин по неуказанным причинам. Осознание в отрасли того, что оптимизация производства 300 мм дешевле, чем дорогостоящий переход на 450 мм, также могло сыграть свою роль. Марк Дуркан, тогдашний генеральный директор Micron Technology, заявил в феврале 2014 года, что он ожидает, что внедрение 450 мм будет отложено на неопределенный срок или прекращено. «Я не уверен, что 450 мм когда-либо произойдет, но даже если это произойдет, то это будет далеко в будущем. Micron, по крайней мере в течение следующих пяти лет, не нуждается в больших затратах на 450 мм». «Необходимы значительные инвестиции в оборудование, чтобы это произошло. И ценность в конечном итоге – чтобы клиенты покупали это оборудование – я считаю сомнительной». По состоянию на март 2014 года корпорация Intel ожидала внедрения 450 мм к 2020 году (к концу этого десятилетия). Марк Лапедус из semiengineering.com сообщил в середине 2014 года, что производители чипов отложили внедрение 450 мм «на обозримое будущее». Согласно этому отчету, некоторые наблюдатели ожидали 2018–2020 годы, в то время как Г. Дэн Хатчесон, генеральный директор VLSI Research, не ожидал, что 450-мм фабрики начнут производство до 2020–2025 годов. Переход на 300 мм потребовал серьезных изменений, с полностью автоматизированными фабриками, использующими 300-мм пластины, в отличие от слабо автоматизированных фабрик для 200-мм пластин, отчасти потому, что FOUP для 300-мм пластин весит около 7,5 килограммов при загрузке 25 300-мм пластин, в то время как SMIF весит около 4,8 килограммов при загрузке 25 450-мм пластин, поэтому для ручной обработки FOUP необходимы краны, а ручки больше не предусмотрены в FOUP. FOUP перемещаются с помощью систем обработки материалов от Muratec или Daifuku. Эти крупные инвестиции были сделаны в период экономического спада после краха доткомов, что привело к значительному сопротивлению модернизации до 450 мм в первоначальные сроки. При переходе на 450 мм кристаллические слитки будут в 3 раза тяжелее (общий вес – метрическая тонна) и охлаждение займет в 2–4 раза больше времени, а время обработки удвоится. В целом, разработка 450-мм пластин требует значительных инженерных усилий, времени и затрат для преодоления трудностей.

There is considerable resistance to the 450 mm transition despite the possible productivity improvement, because of concern about insufficient return on investment. Higher cost semiconductor fabrication equipment for larger wafers increases the cost of 450 mm fabs (semiconductor fabrication facilities or factories). Lithographer Chris Mack claimed in 2012 that the overall price per die for 450 mm wafers would be reduced by only 10–20% compared to 300 mm wafers, because over 50% of total wafer processing costs are lithography related. Converting to larger 450 mm wafers would reduce price per die only for process operations such as etch where cost is related to wafer count, not wafer area. Cost for processes such as lithography is proportional to wafer area, and larger wafers would not reduce the lithography contribution to die cost. Nikon planned to deliver 450 mm lithography equipment in 2015, with volume production in 2017. In November 2013 ASML paused development of 450 mm lithography equipment, citing uncertain timing of chipmaker demand. In 2012, a group consisting of New York State (SUNY Poly/College of Nanoscale Science and Engineering (CNSE)), Intel, TSMC, Samsung, IBM, Globalfoundries and Nikon companies has formed a public private partnership called Global 450mm Consortium (G450C, similar to SEMATECH) who made a 5 year plan (expiring in 2016) to develop a "cost effective wafer fabrication infrastructure, equipment prototypes and tools to enable coordinated industry transition to 450mm wafer level". In the mid of 2014 CNSE has announced that it will reveal first fully patterned 450mm wafers at SEMICON West. In early 2017, the G450C began to dismantle its activities over 450mm wafer research due to undisclosed reasons. The industry realization of the fact that the 300mm manufacturing optimization is more cheap than costly 450mm transition may also have played a role. Mark Durcan, then CEO of Micron Technology, said in February 2014 that he expects 450 mm adoption to be delayed indefinitely or discontinued. "I am not convinced that 450mm will ever happen but, to the extent that it does, it's a long way out in the future. There is not a lot of necessity for Micron, at least over the next five years, to be spending a lot of money on 450mm." "There is a lot of investment that needs to go on in the equipment community to make that happen. And the value at the end of the day – so that customers would buy that equipment – I think is dubious." As of March 2014, Intel Corporation expected 450 mm deployment by 2020 (by the end of this decade). Mark LaPedus of semiengineering. com reported in mid 2014 that chipmakers had delayed adoption of 450 mm "for the foreseeable future." According to this report some observers expected 2018 to 2020, while G. Dan Hutcheson, chief executive of VLSI Research, didn't see 450mm fabs moving into production until 2020 to 2025. The step up to 300 mm required major changes, with fully automated factories using 300 mm wafers versus barely automated factories for the 200 mm wafers, partly because a FOUP for 300 mm wafers weighs about 7.5 kilograms when loaded with 25 300 mm wafers where a SMIF weighs about 4.8 kilograms when loaded with 25 450 mm wafers, thus cranes are necessary to manually handle the FOUPs and handles are no longer present in the FOUP. FOUPs are moved around using material handling systems from Muratec or Daifuku. These major investments were undertaken in the economic downturn following the dot com bubble, resulting in huge resistance to upgrading to 450 mm by the original timeframe. On the ramp up to 450 mm, the crystal ingots will be 3 times heavier (total weight a metric ton) and take 2–4 times longer to cool, and the process time will be double. All told, the development of 450 mm wafers requires significant engineering, time, and cost to overcome.