Напівпровідникова пластина

Етап виготовлення вафельних виробів, такий як етап травлення, може виробляти більше чипів, пропорційних збільшенню площі вафель, тоді як вартість кроку виготовлення одиниці збільшується повільніше, ніж область вафельних виробів. Це було основою витрат на збільшення розміру вафельних виробів. Перетворення на 300   мм вафлі від 200   мм вафлі почалися серйозно в 2000 році, і знизили ціну за матрицю приблизно на 30-40%. [23] Вафлі з більшим діаметром дозволяють отримати більше штампів на одну пластину:

Існує значна стійкість до 450   мм перехід, незважаючи на можливе підвищення продуктивності, через занепокоєння щодо недостатньої віддачі інвестицій. [24] Існують також проблеми, пов’язані із збільшенням варіації пластин між штампом / краєм до краю та додатковими дефектами краю. Очікується, що вафлі на 450 мм коштуватимуть у 4 рази дорожче, ніж 300 мм, а витрати на обладнання очікуються на 20-50%. [25] Вища вартість обладнання для виготовлення напівпровідників для великих пластин збільшує вартість 450   мм фабрики (напівпровідникові засоби виготовлення або фабрики). Літограф Кріс Мак стверджував у 2012 році, що загальна ціна за варту за 450   мм вафлі було б зменшено лише на 10–20% порівняно з 300   мм пластин, оскільки понад 50% загальних витрат на обробку вафель пов'язані з літографією. Перетворення на більші 450   мм вафлі знизили б ціну на валу лише для таких технологічних операцій, як травлення, коли вартість пов'язана з кількістю вафельних виробів, а не площею вафельних виробів. Вартість таких процесів, як літографія, пропорційна площі вафельних виробів, і більш великі пластини не зменшують внесок літографії у вартість загибелі. [26] Nikon планував поставити 450-мм літографічне обладнання у 2015 році, з об’ємним виробництвом у 2017 році. [27] [28] У листопаді 2013 року ASML призупинив розробку 450-мм літографічного обладнання, посилаючись на невизначені терміни попиту виробника мікросхем. [29]

Хронологія для 450   мм не було зафіксовано У 2012 році очікувалося, що в 2017 році почнеться виробництво 450 мм, що так і не було реалізовано. [30] [31] Марк Дуркан, тодішній генеральний директор Micron Technology, заявив у лютому 2014 року, що очікує 450   мм прийняття має бути відкладено на невизначений термін або припинено. "Я не впевнений, що 450 мм коли-небудь трапиться, але, наскільки це буде, це довгий вихід у майбутнє. Мікрону, принаймні, протягом наступних п’яти років, не потрібно багато витрачати на 450 мм багато грошей. Для того, щоб це відбулося, потрібно багато інвестицій, які потрібно вкласти у спільноту обладнання. А цінність наприкінці дня - щоб клієнти купували це обладнання - я вважаю сумнівним ". [32] Станом на березень 2014 року корпорація Intel очікувала 450   мм розміщення до 2020 року (до кінця цього десятиліття). [33] У середині 2014 року Марк Лапедус із semiengineering.com повідомив, що виробники чипів затримали прийняття 450   мм "на осяжне майбутнє". Відповідно до цього звіту, деякі спостерігачі очікували 2018-2020 рр., Тоді як Г. Ден Хатчесон, виконавчий директор VLSI Research, не бачив, щоб 450-мм фабрики рухалися у виробництво до 2020 року до 2025 року. [34]

Крок до 300   мм потрібні значні зміни, повністю автоматизовані фабрики використовують 300   мм вафлі проти ледь автоматизованих заводів на 200   мм вафлі, частково тому, що FOUP на 300   мм вафлі важить близько 7,5 кілограмів [35] при завантаженні 25 300   мм вафлі, де SMIF важить близько 4,8 кілограма [36] [37] [38] при завантаженні 25 200   мм пластин, що вимагає вдвічі більше фізичної сили від заводських робітників і збільшує втому. 300 мм FOUP мають ручки, щоб їх можна було переміщувати вручну. 450 мм FOUP важать 45 кілограмів [39] при завантаженні 25 450   мм вафлі, тому крани необхідні для ручного оброблення FOUPs [40] а ручки більше відсутні в FOUP. ФОУП пересуваються за допомогою вантажно-розвантажувальних систем Muratec або Daifuku . Ці великі інвестиції були здійснені в економічному спаді внаслідок бульбашки крапки, що призвело до величезного опору модернізації до 450   мм за початковими часовими рамками. На пандусі до 450   мм - це те, що кристалічні зливки будуть в 3 рази важчі (загальна вага метричної тони) і охолонуть у 2–4 рази довше, а час процесу буде подвійним. [41] Все сказане, розробка 450   мм вафлі потребує значних витрат, часу та витрат на подолання.

Для того, щоб мінімізувати витрати на одну матрицю, виробники бажають максимально збільшити кількість штампів, які можна зробити з однієї пластини; плашки завжди мають квадратну або прямокутну форму через обмеження вафельних висівок . Взагалі, це обчислювально складна проблема, яка не має аналітичного рішення, що залежить як від площі штампів, так і від їх співвідношення сторін (квадратних або прямокутних) та інших міркувань, таких як розмір писанки та простір, який займають структури вирівнювання та випробування. Зверніть увагу, що валові формули DPW враховують лише площу, яка втрачається, оскільки її не можна використовувати для фізичного завершення штампів; валові розрахунки DPW не враховують втрати врожаю через дефекти або параметричні проблеми.

Вафельна карта, що демонструє повністю візерункові штампи, і частково візерункові штампи, які не повністю лежать у вафельних виробах.

Тим не менш, кількість валової ваги на пластину ( DPW ) можна оцінити, починаючи з наближення першого порядку або площі відношення вафельних виробів,

${\displaystyle DPW=\left\lfloor {\frac {\pi d^{2}}{4S}}\right\rfloor }$ ,

де ${\displaystyle d}$ - діаметр вафельних виробів (як правило, в мм) і ${\displaystyle S}$ розмір кожної плашки (мм ² ). Ця формула просто зазначає, що кількість штампів, які можуть поміститися на пластину, не може перевищувати площу пластини, поділену на площу кожної окремої штампи. Це завжди буде завищувати справжню велику величину DPW, оскільки вона містить у собі ділянку з частково візерунковими плашками, які не повністю лежать на поверхні пластин (див. Малюнок). Ці частково візерункові штампи не є повноцінними ІС, тому їх не можна продати як функціональні частини.

Удосконалення цієї простої формули зазвичай додають корекцію краю для врахування часткових штампів на краю, що в цілому буде більш значним, коли площа штампу велика порівняно із загальною площею пластини. В іншому обмежувальному випадку (нескінченно малі штампи або нескінченно великі пластини) корекція ребер незначна.

Корекційний коефіцієнт або термін корекції, як правило, приймає одну з форм, цитовану Де Врісом: [42]

${\displaystyle DPW={\frac {\displaystyle \pi d^{2}}{4S}}-{\frac {\displaystyle \pi d}{\sqrt {2S}}}}$ (співвідношення площі - окружність / (довжина діагоналі штампу))

або ${\displaystyle DPW=\left({\frac {\displaystyle \pi d^{2}}{4S}}\right)\exp(-2{\sqrt {S}}/d)}$ (відношення площі, масштабоване експоненціальним коефіцієнтом)

або ${\displaystyle DPW={\frac {\displaystyle \pi d^{2}}{4S}}\left(1-{\frac {\displaystyle 2{\sqrt {S}}}{d}}\right)^{2}}$ (відношення площі, масштабоване на поліноміальний коефіцієнт).

Дослідження, що порівнюють ці аналітичні формули з результатами обчислень грубої сили, показують, що формули можна зробити більш точними за практичні діапазони розмірів штампів і співвідношення сторін, шляхом коригування коефіцієнтів поправок до значень вище або нижче єдності та заміною лінійних померти вимір ${\displaystyle {\sqrt {S}}}$ з ${\displaystyle (H+W)/2}$ (середня бічна довжина) у випадку штампів із великим співвідношенням сторін: [43]

${\displaystyle DPW={\frac {\displaystyle \pi d^{2}}{4S}}-0.58^{*}{\frac {\displaystyle \pi d}{\sqrt {S}}}}$

або ${\displaystyle DPW=\left({\frac {\displaystyle \pi d^{2}}{4S}}\right)\exp(-2.32^{*}{\sqrt {S}}/d)}$

або ${\displaystyle DPW={\frac {\displaystyle \pi d^{2}}{4S}}\left(1-{\frac {\displaystyle 1.16^{*}{\sqrt {S}}}{d}}\right)^{2}}$ .

Алмазна кубічна кристалічна структура осередкової осередку кремнію

Квартири можна використовувати для позначення допінгової та кристалографічної орієнтації. Червоний являє собою вилучений матеріал.

Вафлі вирощують із кристала, що має правильну кристалічну структуру, а кремній має алмазну кубічну структуру з решіткою 5,530710 Å (0,5430710   нм). [44] Розрізавши на пластини, поверхня вирівнюється в одному з декількох відносних напрямків, відомих як кристалічні орієнтації. Орієнтація визначається індексом Міллера, найчастішим для кремнію є грані (100) або (111). [44] Орієнтація важлива, оскільки багато структурних та електронних властивостей монокристала є високоанізотропними . Глибина іонної імплантації залежить від кристалічної орієнтації пластин, оскільки кожен напрямок пропонує різні шляхи транспортування. [45] Розщеплення вафель зазвичай відбувається лише в декількох чітко визначених напрямках. Розміщення пластини вздовж площин розщеплення дозволяє легко нарізати кубиками окремі мікросхеми (" штампи "), щоб мільярди окремих елементів ланцюга на середній пластині можна було розділити на багато окремих ланцюгів.

Вафлі до 200 років   Діаметр мм мають квартири, розрізані на одну або кілька сторін, що вказують на кристалографічні площини пластини (як правило, грані {110}). У вафлях попереднього покоління пари квартир під різними кутами додатково передавали допінг-тип (див. Ілюстрацію до умовних умов). Вафлі 200   Діаметр мм і вище використовують одну невелику виїмку, щоб передати орієнтацію вафель, без візуальної вказівки типу допінгу. [46]

Кремнієві пластини, як правило, не є 100% -ним чистим кремнієм, але натомість утворюються з початковою концентрацією допінгу домішок між 10 ¹³ та 10 ¹⁶ атомами на см ³ бору, фосфору, миш'яку або сурми, які додаються до розплаву і визначають вафлі як або масовий n-тип, або p-тип. [47] Однак, порівняно з атомною щільністю монокристала кремнію 5 × 10 ²² атомів на см ³, це все ж дає чистоту, що перевищує 99,9999%. Вафлі також можуть спочатку забезпечуватися деякою інтерстиціальною концентрацією кисню. Забруднення вуглецем та металами зводяться до мінімуму. [48] Зокрема, перехідні метали повинні зберігатись нижче концентрації на мільярд частин для електронних застосувань. [49]

Хоча кремній є переважаючим матеріалом для вафельних виробів, використовуваних в електронній промисловості, також використовуються інші складові матеріали III-V або II-VI . Арсенід галію (GaAs), напівпровідник III-V, що виробляється за допомогою процесу Чохральського, нітрид галію (GaN) та карбід кремнію (SiC), також є поширеними пластинчастими матеріалами, при цьому GaN і Sapphire широко використовуються у виробництві світлодіодів . [50]