В электронике пластина (также называемая пластиной или подложкой ) [1] представляет собой тонкую пластину полупроводника , например, кристаллического кремния (c-Si, кремний), используемую для изготовления интегральных схем , а в фотоэлектричестве — для производства солнечных элементов .
Пластина служит подложкой для микроэлектронных устройств , встроенных в пластину и на ней. Она подвергается многим процессам микропроизводства , таким как легирование , ионная имплантация , травление , тонкопленочное осаждение различных материалов и фотолитографическое формирование рисунка. Наконец, отдельные микросхемы разделяются путем резки пластины и упаковываются в интегральную схему.
В полупроводниковой промышленности термин «вафля» появился в 1950-х годах для описания тонкого круглого среза полупроводникового материала, как правило, германия или кремния. Круглая форма, характерная для этих пластин, происходит от монокристаллических слитков, обычно производимых с использованием метода Чохральского . Кремниевые пластины были впервые представлены в 1940-х годах. [2] [3]
К 1960 году кремниевые пластины производились в США такими компаниями, как MEMC / SunEdison . В 1965 году американские инженеры Эрик О. Эрнст, Дональд Дж. Херд и Джерард Сили, работая в IBM , подали патент US3423629A [4] на первый эпитаксиальный аппарат большой емкости .
Кремниевые пластины производятся такими компаниями, как Sumco , Shin-Etsu Chemical , [5] Hemlock Semiconductor Corporation и Siltronic .
Пластины формируются из высокочистого, [6] почти бездефектного монокристаллического материала с чистотой 99,9999999% ( 9N ) или выше. [6] Один из процессов формирования кристаллических пластин известен как метод Чохральского , изобретенный польским химиком Яном Чохральским . В этом процессе цилиндрический слиток высокочистого монокристаллического полупроводника, такого как кремний или германий , называемый булей , формируется путем вытягивания затравочного кристалла из расплава . [7] [8] Атомы донорной примеси, такие как бор или фосфор в случае кремния, могут быть добавлены к расплавленному собственному материалу в точных количествах, чтобы легировать кристалл, таким образом превращая его в примесный полупроводник n -типа или p-типа .
Затем буля разрезается с помощью пилы для пластин (тип проволочной пилы ), обрабатывается для улучшения плоскостности, химически травится для удаления повреждений кристалла от этапов обработки и, наконец, полируется для формирования пластин. [9] Размер пластин для фотоэлектрических устройств составляет 100–200 мм², а толщина составляет 100–500 мкм. [10] В электронике используются размеры пластин диаметром от 100 до 450 мм. Самые большие изготовленные пластины имеют диаметр 450 мм, [11] но пока не нашли широкого применения.
Пластины очищаются слабыми кислотами для удаления нежелательных частиц. Существует несколько стандартных процедур очистки, чтобы убедиться, что поверхность кремниевой пластины не содержит загрязнений. Одним из наиболее эффективных методов является очистка RCA . При использовании для солнечных элементов пластины текстурируются для создания шероховатой поверхности для увеличения площади поверхности и, следовательно, их эффективности. Образованное PSG ( фосфоросиликатное стекло ) удаляется с края пластины при травлении . [12]
Кремниевые пластины доступны в различных диаметрах от 25,4 мм (1 дюйм) до 300 мм (11,8 дюйма). [13] [14] Заводы по производству полупроводников , в просторечии известные как фабрики , определяются диаметром пластин, которые они обустраивают для производства. Диаметр постепенно увеличивался для улучшения производительности и снижения затрат, при этом в настоящее время на самых современных фабриках используется 300 мм , с предложением принять 450 мм . [15] [16] Intel , TSMC и Samsung отдельно проводили исследования для появления 450-мм « прототипных » (исследовательских) фабрик , хотя остаются серьезные препятствия. [17]
Пластины, выращенные с использованием материалов, отличных от кремния, будут иметь другую толщину, чем кремниевая пластина того же диаметра. Толщина пластины определяется механической прочностью используемого материала; пластина должна быть достаточно толстой, чтобы выдерживать собственный вес без растрескивания во время обработки. Табличные толщины относятся к тому времени, когда этот процесс был введен, и не обязательно являются правильными в настоящее время, например, процесс IBM BiCMOS7WL используется на 8-дюймовых пластинах, но они имеют толщину всего 200 мкм. Вес пластины увеличивается вместе с ее толщиной и диаметром. [ необходима цитата ] Дата введения не означает, что заводы немедленно преобразуют свое оборудование, на самом деле, многие заводы не утруждают себя модернизацией. Вместо этого компании стремятся расширяться и строить совершенно новые линии с новыми технологиями, оставляя большой спектр технологий в использовании одновременно.
Подложки GaN обычно имеют свои собственные независимые временные линии, параллельные, но сильно отстающие от кремниевых подложек, но опережающие другие подложки. Первая в мире 300-миллиметровая пластина из GaN была анонсирована в сентябре 2024 года компанией Infineon, что предполагает, что в ближайшем будущем они могут ввести в эксплуатацию первую фабрику с коммерческим выпуском 300-миллиметровых GaN.
Между тем, в июле 2021 года компания ST Microelectronics анонсировала первые в мире пластины из карбида кремния (SiC) диаметром 200 мм. Неизвестно, будет ли SiC 200 мм запущено в массовое производство к 2024 году, поскольку обычно самые большие фабрики для SiC в коммерческом производстве остаются на уровне 150 мм.
Кремний на сапфире отличается от кремниевой подложки, поскольку подложка — сапфир, суперстрат — кремний, а эпитаксальные слои и легирование могут быть любыми. SOS в коммерческом производстве обычно ограничиваются размером пластины 150 мм по состоянию на 2024 год.
Пластины GaAs, как правило, имеют максимальный размер 150 мм и будут доступны для коммерческого производства с 2024 года.
AlN, как правило, представляет собой пластины размером 50 мм или 2 дюйма в коммерческом производстве, в то время как 100 мм или 4-дюймовые пластины разрабатываются с 2024 года поставщиками пластин, такими как Asahi Kasei. Однако тот факт, что пластина существует в продаже, никоим образом не означает, что существует технологическое оборудование для производства чипов на этой пластине, на самом деле такое оборудование имеет тенденцию отставать в разработке до тех пор, пока не материализуется платежеспособный спрос конечного потребителя. Даже после разработки оборудования (годы) фабрикам могут потребоваться еще годы, чтобы понять, как использовать машины продуктивно.
Единица шага изготовления пластины , такая как шаг травления, может производить больше чипов пропорционально увеличению площади пластины, в то время как стоимость шага изготовления единицы растет медленнее, чем площадь пластины. Это было основой стоимости для увеличения размера пластины. Переход на пластины 300 мм с пластин 200 мм начался в начале 2000 года и снизил цену за кристалл примерно на 30–40%. [21] Пластины большего диаметра позволяют производить больше кристаллов на пластину.
Размер пластины M1 (156,75 мм) находится в процессе постепенного отказа от использования в Китае с 2020 года. Возникли различные нестандартные размеры пластин, поэтому продолжаются усилия по полному принятию стандарта M10 (182 мм). Как и в других процессах изготовления полупроводников, снижение затрат стало основным движущим фактором для этой попытки увеличения размера, несмотря на различия в производственных процессах разных типов устройств. [ необходима цитата ]
Пластины выращиваются из кристалла, имеющего регулярную кристаллическую структуру , при этом кремний имеет кубическую структуру алмаза с периодом решетки 5,430710 Å (0,5430710 нм). [22] При разрезании на пластины поверхность выравнивается в одном из нескольких относительных направлений, известных как кристаллические ориентации. Ориентация определяется индексом Миллера, причем для кремния наиболее распространенными являются грани (100) или (111). [22] Ориентация важна, поскольку многие структурные и электронные свойства монокристалла являются сильно анизотропными . Глубина ионной имплантации зависит от кристаллической ориентации пластины, поскольку каждое направление предлагает различные пути для транспорта. [23]
Расщепление пластины обычно происходит только в нескольких четко определенных направлениях. Надрезка пластины вдоль плоскостей раскола позволяет легко разрезать ее на отдельные чипы (« кристаллы »), так что миллиарды отдельных элементов схемы на средней пластине могут быть разделены на множество отдельных схем. [ необходима цитата ]
Пластины диаметром менее 200 мм имеют плоские вырезы на одной или нескольких сторонах, указывающие кристаллографические плоскости пластины (обычно грань {110}). В пластинах более раннего поколения пара плоских вырезов под разными углами дополнительно передавала тип легирования (см. иллюстрацию для условных обозначений). Пластины диаметром 200 мм и более используют одну небольшую выемку для передачи ориентации пластины, без визуального указания типа легирования. Пластины диаметром 450 мм не имеют выемок, полагаясь на лазерную разметку структуры на поверхности пластины для ориентации. [24]
Кремниевые пластины , как правило, не являются 100% чистым кремнием, а вместо этого формируются с начальной концентрацией легирования примесями от 10 13 до 10 16 атомов на см 3 бора , фосфора , мышьяка или сурьмы , которые добавляются в расплав и определяют пластину как объемную n-типа или p-типа. [25] Однако, по сравнению с атомной плотностью монокристаллического кремния 5×10 22 атомов на см 3 , это все еще дает чистоту более 99,9999%. Пластины также могут быть изначально снабжены некоторой концентрацией межузельного кислорода. Углеродные и металлические загрязнения сведены к минимуму. [26] Переходные металлы , в частности, должны поддерживаться ниже концентраций частей на миллиард для электронных приложений. [27]
Несмотря на возможное повышение производительности, существует значительное сопротивление переходу на 450 мм из-за опасений по поводу недостаточной окупаемости инвестиций. [21] Также существуют проблемы, связанные с увеличением межкристаллитной/краевой вариации пластин и дополнительными дефектами на краях. Ожидается, что 450-миллиметровые пластины будут стоить в 4 раза дороже 300-миллиметровых пластин, а стоимость оборудования, как ожидается, вырастет на 20–50%. [28] Более дорогое оборудование для изготовления полупроводников для более крупных пластин увеличивает стоимость 450-миллиметровых фабрик (предприятий или заводов по производству полупроводников). Литограф Крис Мак заявил в 2012 году, что общая цена за кристалл для 450-миллиметровых пластин будет снижена всего на 10–20% по сравнению с 300-миллиметровыми пластинами, поскольку более 50% общих затрат на обработку пластин связаны с литографией. Переход на более крупные пластины размером 450 мм снизит цену за кристалл только для таких технологических операций, как травление, где стоимость связана с количеством пластин, а не с их площадью. [ необходима ссылка ] Стоимость таких процессов, как литография, пропорциональна площади пластины, а более крупные пластины не уменьшат вклад литографии в стоимость кристалла. [29]
Nikon планировала поставить 450-мм литографическое оборудование в 2015 году, а массовое производство начать в 2017 году. [30] [31] В ноябре 2013 года ASML приостановила разработку 450-мм литографического оборудования, сославшись на неопределенность сроков спроса со стороны производителей микросхем. [32]
В 2012 году группа, состоящая из компаний из Нью-Йоркского университета ( 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 5-летний план (срок действия истекает в 2016 году) по разработке «рентабельной инфраструктуры производства пластин, прототипов оборудования и инструментов для обеспечения скоординированного перехода отрасли на уровень пластин 450 мм». [33] [34] В середине 2014 года CNSE объявила, что представит первые полностью структурированные пластины 450 мм на выставке SEMICON West. [35] В начале 2017 года G450C начала сворачивать свою деятельность по исследованию пластин 450 мм по неизвестным причинам. [36] [37] [38] Различные источники предполагают, что крах группы произошел после обвинений в мошенничестве на торгах, выдвинутых против Алена Э. Калойероса , который в то время был генеральным директором Политехнического университета штата Нью-Йорк. [38] [37] [39] Осознание отраслью того факта, что оптимизация производства 300 мм дешевле, чем дорогостоящий переход на 450 мм, также могло сыграть свою роль. [38]
Сроки для 450 мм не были установлены. В 2012 году ожидалось, что производство 450 мм начнется в 2017 году, но этого так и не произошло. [40] [41] Марк Дуркан, тогдашний генеральный директор Micron Technology , заявил в феврале 2014 года, что он ожидает, что принятие 450 мм будет отложено на неопределенный срок или прекращено. «Я не уверен, что 450 мм когда-либо произойдет, но, в той степени, в которой это произойдет, это будет очень далеко в будущем. У Micron нет большой необходимости, по крайней мере в течение следующих пяти лет, тратить много денег на 450 мм». [42]
«Чтобы это произошло, необходимо вложить много средств в сообщество производителей оборудования. И ценность в конечном итоге — чтобы клиенты покупали это оборудование — я думаю, сомнительна». [43] По состоянию на март 2014 года корпорация Intel ожидала развертывания 450 мм к 2020 году (к концу этого десятилетия). [44] Марк ЛаПедус из semiengineering.com сообщил в середине 2014 года, что производители микросхем отложили принятие 450 мм «на обозримое будущее». Согласно этому отчету, некоторые наблюдатели ожидали 2018–2020 гг., в то время как Дж. Дэн Хатчесон, генеральный директор VLSI Research, не видел, чтобы 450-мм фабрики были запущены в производство до 2020–2025 гг. [45]
Переход на 300 мм потребовал серьезных изменений, с полностью автоматизированными фабриками, использующими 300-миллиметровые пластины, по сравнению с едва автоматизированными фабриками для 200-миллиметровых пластин, отчасти потому, что FOUP для 300-миллиметровых пластин весит около 7,5 килограммов [46] при загрузке 25 300-миллиметровыми пластинами, тогда как SMIF весит около 4,8 килограммов [47] [48] [18] при загрузке 25 200-миллиметровыми пластинами, таким образом, требуя от рабочих фабрики вдвое больше физической силы и увеличивая утомляемость. 300-миллиметровые FOUP имеют ручки, так что их все еще можно перемещать вручную. 450-миллиметровые FOUP весят 45 килограммов [49] при загрузке 25 450-миллиметровых пластин, поэтому для ручного перемещения FOUP необходимы краны [50] , а ручки в FOUP больше нет. FOUP перемещаются с использованием систем обработки материалов от Muratec или Daifuku . Эти крупные инвестиции были сделаны в период экономического спада после пузыря доткомов , что привело к огромному сопротивлению модернизации до 450 мм к исходным срокам. При увеличении до 450 мм кристаллические слитки будут в 3 раза тяжелее (общий вес метрической тонны) и им потребуется в 2–4 раза больше времени для охлаждения, а время процесса увеличится вдвое. [51] В целом, разработка пластин диаметром 450 мм требует значительных инженерных усилий, времени и затрат на преодоление.
Чтобы минимизировать стоимость кристалла , производители хотят максимизировать количество кристаллов, которые можно изготовить из одной пластины; кристаллы всегда имеют квадратную или прямоугольную форму из-за ограничений на нарезку пластин . В общем, это вычислительно сложная задача без аналитического решения, зависящая как от площади кристаллов, так и от их соотношения сторон (квадратные или прямоугольные) и других соображений, таких как ширина линии разметки или дорожки пилы, а также дополнительного пространства, занимаемого выравнивающими и тестовыми структурами . (Упрощая задачу так, чтобы линия разметки и дорожка пилы имели нулевую ширину, пластина была идеально круглой без плоских поверхностей, а кристаллы имели квадратное соотношение сторон, мы приходим к задаче об окружности Гаусса , нерешенной открытой задаче в математике.)
Обратите внимание, что формулы оценки общего количества кристаллов на пластину ( DPW ) учитывают только количество полных кристаллов, которые могут поместиться на пластине; расчеты общего количества кристаллов не учитывают потери выхода среди полных кристаллов из-за дефектов или параметрических проблем. [ необходима ссылка ]
Тем не менее, общее количество DPW можно оценить, начиная с аппроксимации первого порядка или функции пола отношения площади пластины к площади кристалла,
где
Эта формула просто утверждает, что количество кристаллов, которые могут поместиться на пластине, не может превышать площадь пластины, деленную на площадь каждого отдельного кристалла. Она всегда будет переоценивать истинный лучший валовой DPW, поскольку включает площадь частично шаблонизированных кристаллов, которые не полностью лежат на поверхности пластины (см. рисунок). Эти частично шаблонизированные кристаллы не представляют собой полные ИС , поэтому их обычно нельзя продавать как функциональные части. [ необходима цитата ]
Уточнения этой простой формулы обычно добавляют поправку на кромку, чтобы учесть частичные штампы на кромке, которые в целом будут более значимыми, когда площадь штампа велика по сравнению с общей площадью пластины. В другом предельном случае (бесконечно малые штампы или бесконечно большие пластины) поправка на кромку незначительна. [ необходима цитата ]
Поправочный коэффициент или поправочный член обычно принимает одну из форм, приведенных Де Вризом: [52]
Исследования, сравнивающие эти аналитические формулы с результатами вычислений методом грубой силы, показывают, что формулы можно сделать более точными в практических диапазонах размеров штампов и соотношений сторон, корректируя коэффициенты поправок до значений выше или ниже единицы, а также заменяя линейный размер штампа на (среднюю длину стороны) в случае штампов с большим соотношением сторон: [52]
Хотя кремний является преобладающим материалом для пластин, используемых в электронной промышленности , другие материалы соединений III-V или II-VI также используются. Арсенид галлия (GaAs), полупроводник III-V, полученный методом Чохральского, нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC) также являются распространенными материалами для пластин, причем GaN и сапфир широко используются в производстве светодиодов . [8]
Как сообщалось, Intel, TSMC и Samsung по отдельности добиваются появления 450-мм
прототипов
фабрик к 2012 г.
Nikon планирует представить системы литографии пластин диаметром 450 мм для массового производства в 2017 г.
планировала начать поставки «инструментов раннего обучения» к 2015 году. «Как мы уже говорили, мы начнем поставки для выполнения заказов клиентов в 2015 году», — сказал Хамид Заррингхалам, исполнительный вице-президент Nikon Precision.
В ноябре 2013 г., следуя решению наших клиентов, ASML решила приостановить разработку систем литографии 450 мм до тех пор, пока не станет ясен спрос клиентов и сроки, связанные с этим спросом.
Intel и остальная отрасль отложили переход на 450-мм фабрики в обозримом будущем, заставив многих задуматься над следующим вопросом: мертва ли 450-мм технология в воде? Ответ: 450 мм в настоящее время топчется на месте.