Poluprovodničke pločice su tanke kristalne kriške koje čine osnovu za moderne čipove. Njihov materijal, veličina, smer kristala i kvalitet površine utiču na brzinu, potrošnju energije, prinos i troškove. Ovaj članak objašnjava osnove vafla, glavne materijale, korake procesa, veličine, čišćenje površine, provere kvaliteta i pravila izbora u detaljnim odeljcima.
Osnove poluprovodničkih vafla
Poluprovodničke pločice su tanke, okrugle kriške kristalnog materijala koji deluju kao osnova za mnoge moderne čipove. Sitni elektronski delovi su izgrađeni na vrhu oblande u slojevima koristeći korake kao što su šaranje, čišćenje i grejanje.
Većina vafli su napravljeni od veoma čistog silicijuma, dok neki specijalni čipovi koriste druge napredne materijale za veću brzinu, veliku snagu, ili funkcije zasnovane na svetlosti. Materijal, veličina, kvalitet kristala, i glatkoća površine oblande svi imaju snažan uticaj na to koliko dobro čipovi rade, koliko dobri čipovi su napravljeni (prinos), i koliko koštaju.
Koraci za proizvodnju poluprovodničkih vafla
Prečišćavanje sirovina
Silicijum za vafle dolazi iz kvarcnog peska. Prvo se pretvara u silicijum metalurškog razreda, a zatim ponovo rafiniran u vrlo čist silicijum elektronskog razreda.
Za složene vafle, elementi kao što su galijum, arsen, indijum i fosfor se čiste i kombinuju u tačnim odnosima da bi se formirao potreban poluprovodnički materijal.
Rast kristala
Mali kristal semena je potopljen u rastopljeni poluprovodnički materijal. Seme se polako izvlači i okreće tako da se atomi poredaju u jednom pravcu.
Ovaj proces formira dugačak, čvrst, monokristalni ingot sa jedinstvenom kristalnom orijentacijom i vrlo malo nedostataka.
Oblikovanje i rezanje ingota
Okrugli ingot je mljen na precizan prečnik, tako da svaki vafel ima istu veličinu.
Posebna testera zatim seče ingot u tanke, ravne diskove koji će postati pojedinačni vafli.
Priprema površine vafla
Nakon rezanja, površine vafla su grube i oštećene. Preklapanje i jetkanje uklanjaju ovaj oštećeni sloj i poboljšavaju ravnost.
Poliranje se zatim koristi za stvaranje vrlo glatke površine nalik ogledalu, tako da se kasnije obrasci čipova mogu precizno štampati.
Inspekcija i sortiranje
Gotovi vafli se proveravaju za debljinu, ravnost, površinske nedostatke i kvalitet kristala.
Samo vafle koje ispunjavaju stroge standarde napreduju ka izradi uređaja, gde su kola i strukture izgrađene na vrhu površine vafla.
Poluprovodnički vafel Veličine i opseg debljine
| Prečnik vafla | Glavne aplikacije | Tipičan opseg debljine (μm) |
|---|---|---|
| 100 mm (4") | Stariji čipovi, diskretni delovi, male R&D linije | ~500–650 |
| 150 mm (6") | Analogne, snage i specijalne poluprovodničke pločice | ~600–700 |
| 200 mm (8") | Mešoviti signali, snaga i zrele CMOS pločice | ~700–800 |
| 300 mm (12") | Napredna logika, memorija i pločice velike zapremine | ~750–900 |
Vafel Orijentacija, stanovi, i zareze
Unutar poluprovodničke pločice, atomi prate fiksni kristalni obrazac. Oblanda se seče duž ravni kao što su (100) ili (111), što utiče na to kako su uređaji izgrađeni i kako površina reaguje tokom obrade. Kristalna orijentacija utiče na:
• Kako se formiraju tranzistorske strukture
• Kako se površina nagriza i polira
• Kako se stres gradi i širi u oblatni
Za poravnanje u alatima:
• Stanovi su dugačke, ravne ivice uglavnom na manjim pločicama, i mogu pokazati orijentaciju i tip.
• Zarezi su mali rezovi na većini 200 mm i 300 mm pločica i daju preciznu referencu za automatsko poravnanje.
Električna svojstva poluprovodničkih vafla
| Parametar | Šta to znači | Razlozi vafli su važni |
|---|---|---|
| Tip provodljivosti | N-tip ili P-tip pozadinski doping | Menja način na koji se formiraju raskrsnice i kako su uređaji raspoređeni |
| Dopant vrste | Atomi kao što su B, P, As, Sb (za silicijum), ili drugi | Utiče na to kako se dopanti šire, aktiviraju i stvaraju defekte |
| Otpornost | Koliko snažno se vafel odupire struji (Ω·cm) | Postavlja nivoe curenja, izolaciju i gubitak snage |
| Mobilnost prevoznika | Koliko brzo se elektroni ili rupe kreću u električnom polju | Ograničava brzinu prebacivanja i efikasnost protoka struje |
| Životni vek | Koliko dugo nosači ostaju aktivni pre rekombinovanja | Potrebno za vafle, detektore i solarne pločice |
Glavni poluprovodnički vafel materijali i njihova upotreba
Silicijum poluprovodničke vafli
Silicijum poluprovodničke pločice su glavni osnovni materijal za mnoge moderne čipove. Silicijum ima odgovarajući razmak, stabilnu kristalnu strukturu i može da podnese visoke temperature, tako da dobro funkcioniše za složene dizajne čipova i duge tokove procesa u fabrici. Na silikonskim pločicama izgrađene su mnoge vrste integrisanih kola, uključujući:
• CPU-ovi, GPU-ovi i SoC-ovi za računarske i mobilne sisteme
• DRAM i NAND fleš za memoriju i skladištenje podataka
• Analogni, mešoviti signali i IC-ovi za upravljanje napajanjem
• Mnogi senzori i aktuatori zasnovani na MEMS-u
Silicijumske pločice su takođe podržane od strane velikog, dobro razvijenog proizvodnog ekosistema. Alati, procesni koraci i materijali su veoma rafinirani, što pomaže u smanjenju troškova po čipu i podržava proizvodnju poluprovodnika velikog obima.
Galijum arsenid poluprovodničke napolitanke
Galijum arsenid (GaAs) poluprovodničke pločice se biraju kada su potrebni veoma brzi signali ili jaka svetlosna snaga. Oni koštaju više od silikonskih pločica, ali njihova posebna električna i optička svojstva čine ih vrednim u mnogim RF i fotonskim aplikacijama.
GaAs vafel aplikacije
• RF front-end uređaji
• Pojačala snage i pojačala sa niskim nivoom šuma u bežičnim sistemima
• Mikrotalasni IC za radarske i satelitske veze
• Optoelektronski uređaji
• LED diode visoke osvetljenosti
• Laserske diode za skladištenje, senzore i komunikaciju
Glavni razlozi za korišćenje GaAs umesto silicijuma
• Veća pokretljivost elektrona za brže prebacivanje tranzistora
• Direktan razmak za efikasnu emisiju svetlosti
• Snažne performanse na visokim frekvencijama i umerenim nivoima snage
Silicijum karbid poluprovodničke napolitanke
Silicijum karbid (SiC) poluprovodničke pločice se koriste kada kola moraju da rukuju visokog napona, visoke temperature, i brzo prebacivanje. Oni podržavaju uređaje za napajanje koji ostaju efikasni, gde normalni silikonski uređaji počinju da se bore.
Zašto SiC vafli bitno
• Široki razmak: Podržava veće napone probijanja sa niskom strujom curenja. Omogućava manje, efikasnije uređaje za napajanje na visokim naponima.
• Visoka toplotna provodljivost: Brže pomera toplotu od MOSFET-a i dioda. Pomaže u održavanju energetske elektronike stabilnom u EV pogonima, obnovljivim izvorima energije i industrijskim sistemima.
• Čvrstoća na visokim temperaturama: Omogućava rad u teškim uslovima sa manje hlađenja. Održava performanse stabilnije u širokom temperaturnom opsegu.
indijum fosfid poluprovodničke napolitanke
Indijum fosfid (InP) poluprovodničke pločice se uglavnom koriste u brzoj optičkoj komunikaciji i naprednim fotonskim krugovima. Oni se biraju kada signali zasnovani na svetlosti i veoma brze brzine prenosa podataka su osnovniji od niskih troškova materijala ili velike veličine vafla.
Prednosti InP vafla
• Podrška laserima, modulatorima i fotodetektorima koji rade na uobičajenim talasnim dužinama telekomunikacija
• Omogućite fotonska integrisana kola (PIC) koja kombinuju mnoge optičke funkcije na jednom čipu
• Obezbedite visoku mobilnost elektrona za uređaje koji pridružuju optičke funkcije sa visokofrekventnom elektronikom
InP poluprovodničke pločice su krhkije i skuplje od silikonskih pločica, a često dolaze u manjim prečnicima. Uprkos tome, njihova sposobnost postavljanja aktivnih optičkih delova direktno na čip čini ih potrebnim za optičke veze na daljinu, veze data centara i novije fotonske računarske sisteme.
Konstruisane poluprovodničke strukture vafla
| Prečnik vafla | Uobičajena upotreba poluprovodničkih vafla | approx. Opseg debljine (μm) | Beleške |
|---|---|---|---|
| 100 mm (4") | Nasleđeni IC, diskretni uređaji i male proizvodne linije | ~500–650 | Često se koristi u starijim ili nišnim fabrikama |
| 150 mm (6") | Analogni, snaga, specijalni procesi | ~600–700 | Zajedničko za SiC, GaAs i InP vafel linije |
| 200 mm (8") | Mešoviti signal, snaga, zreli CMOS čvorovi | ~700–800 | Balansiran za troškove i izlaz |
| 300 mm (12") | Napredna logika, memorija i proizvodnja velikog obima | ~750–900 | Glavni standard za vodeće silicijum CMOS |
Izbor poluprovodničkih pločica za aplikacije
| Područje primene | Poželjni materijal / struktura vafla |
|---|---|
| Opšta logika i procesori | Silicijum, 300 mm |
| Mobilni i RF prednji krajevi | GaAs, SOI, ponekad silicijum |
| Konverzija snage i EV pogoni | SiC, epitaksijalni silicijum |
| Optička komunikacija i PIC | InP, silicijumska fotonika na SOI |
| Analogni i mešoviti signal | Silicijum, SOI, epitaksijalne napolitanke |
| Senzori i MEMS | Silicijum (različiti prečnici), specijalni gomile |
Zaključak
Poluprovodničke pločice prolaze kroz mnoge pažljive korake, od prečišćene sirovine i rasta kristala do rezanja, poliranja, čišćenja i završne provere. Kontrolisana veličina, debljina, orijentacija, i završna obrada pomoći obrasci ostanu oštri, a nedostaci ostaju niski. Različiti materijali kao što su silicijum, GaAs, SiC i InP služe različitim ulogama, dok jaka metrologija, kontrola defekata, skladištenje i povrat održavaju prinos i pouzdanost visoka.
Često postavljana pitanja [FAK]
Šta je glavni poluprovodnički vafel?
Prime vafel je visokokvalitetna oblanda sa strogo kontrolisanom debljinom, ravnošću, hrapavošću i nivoima defekata, koja se koristi za stvarnu proizvodnju čipova.
Šta je test ili lažni vafel?
Test ili lažni vafel je oblanda nižeg stepena koja se koristi za postavljanje alata, podešavanje procesa i praćenje kontaminacije, a ne za finalne proizvode.
Šta je SOI poluprovodnička pločica?
SOI pločica je silikonska pločica sa tankim slojem silicijuma na vrhu izolacionog sloja i silikonske baze, koja se koristi za poboljšanje izolacije i smanjenje parazitskih efekata.
Kako se poluprovodničke pločice čuvaju i premeštaju u fab?
Vafli se čuvaju i premeštaju u zapečaćenim nosačima ili mahunama koje ih štite od čestica i oštećenja, a ove mahune pristaju direktno na alate za obradu.
Šta je vafel reclaim?
Vafel reclaim je proces skidanje filmova, prerada površine, i ponovna upotreba vafli kao test ili monitor vafla umesto da ih otpada.
Koliko koraka procesa prolazi poluprovodnička pločica?
Poluprovodnički vafel obično prolazi kroz nekoliko stotina do preko hiljadu procesnih koraka od sirovog vafla do gotovih čipova.
