الرقائق هي المواد الخام الرئيسية لإنتاج الدوائر المتكاملة وأجهزة أشباه الموصلات المنفصلة وأجهزة الطاقة. أكثر من 90% من الدوائر المتكاملة مصنوعة من رقائق عالية الجودة والنقاء.
تشير معدات تحضير الرقاقة إلى عملية تصنيع مواد السيليكون متعدد البلورات النقية إلى مواد قضبان بلورية مفردة من السيليكون بقطر وطول معين، ثم إخضاع مواد قضبان السيليكون البلورية المفردة لسلسلة من المعالجة الميكانيكية والمعالجة الكيميائية وغيرها من العمليات.
المعدات التي تصنع رقائق السيليكون أو رقائق السيليكون الفوقي التي تلبي متطلبات معينة من الدقة الهندسية وجودة السطح وتوفر ركيزة السيليكون المطلوبة لتصنيع الرقائق.
إن تدفق العملية النموذجي لإعداد رقائق السيليكون التي يقل قطرها عن 200 ملم هو:
نمو بلوري واحد ← اقتطاع ← تدحرج القطر الخارجي ← تشريح ← شطب ← طحن ← حفر ← الحصول على ← تلميع ← تنظيف ← تنضيد ← تعبئة، إلخ.
تدفق العملية الرئيسي لإعداد رقائق السيليكون التي يبلغ قطرها 300 ملم هو كما يلي:
نمو بلوري واحد ← اقتطاع ← تدحرج القطر الخارجي ← تشريح ← شطب ← طحن السطح ← حفر ← تلميع الحواف ← تلميع على الوجهين ← تلميع على جانب واحد ← التنظيف النهائي ← التنقيح / التلدين ← التعبئة والتغليف، إلخ.
1. مادة السيليكون
السيليكون مادة شبه موصلة لأنه يحتوي على 4 إلكترونات تكافؤ ويقع في المجموعة IVA من الجدول الدوري مع عناصر أخرى.
عدد إلكترونات التكافؤ في السيليكون يضعه بين موصل جيد (إلكترون تكافؤ واحد) وعازل (8 إلكترونات تكافؤ).
لا يوجد السيليكون النقي في الطبيعة ويجب استخلاصه وتنقيته لجعله نقيًا بدرجة كافية للتصنيع. يوجد عادة في السيليكا (أكسيد السيليكون أو SiO2) والسيليكات الأخرى.
وتشمل الأشكال الأخرى من SiO2 الزجاج والكريستال عديم اللون والكوارتز والعقيق وعين القط.
كانت المادة الأولى المستخدمة كأشباه موصلات هي الجرمانيوم في أربعينيات وأوائل خمسينيات القرن العشرين، ولكن سرعان ما تم استبدالها بالسيليكون.
تم اختيار السيليكون كمادة شبه موصلة رئيسية لأربعة أسباب رئيسية:
وفرة مواد السيليكون: السيليكون هو ثاني أكثر العناصر وفرة على وجه الأرض، حيث يمثل 25% من القشرة الأرضية.
تسمح نقطة الانصهار الأعلى لمادة السيليكون بتحمل عملية أوسع: درجة انصهار السيليكون عند 1412 درجة مئوية أعلى بكثير من نقطة انصهار الجرمانيوم عند 937 درجة مئوية. تسمح نقطة الانصهار الأعلى للسيليكون بمقاومة عمليات درجات الحرارة العالية.
تتمتع مواد السيليكون بنطاق درجة حرارة تشغيل أوسع;
النمو الطبيعي لأكسيد السيليكون (SiO2): SiO2 عبارة عن مادة عازلة للكهرباء عالية الجودة ومستقرة وتعمل كحاجز كيميائي ممتاز لحماية السيليكون من التلوث الخارجي. الاستقرار الكهربائي مهم لتجنب التسرب بين الموصلات المتجاورة في الدوائر المتكاملة. تعد القدرة على إنتاج طبقات رقيقة مستقرة من مادة SiO2 أمرًا أساسيًا لتصنيع أجهزة أشباه الموصلات عالية الأداء من أكسيد المعدن (MOS-FET). يتمتع SiO2 بخصائص ميكانيكية مشابهة للسيليكون، مما يسمح بمعالجة درجات الحرارة العالية دون تزييف مفرط لرقائق السيليكون.
2. إعداد الويفر
يتم قطع رقائق أشباه الموصلات من مواد شبه موصلة سائبة. تُسمى هذه المادة شبه الموصلة بالقضيب البلوري، الذي يتم تنميته من كتلة كبيرة من مادة متعددة البلورات ومواد جوهرية غير منشطة.
إن تحويل كتلة متعددة البلورات إلى بلورة مفردة كبيرة وإعطائها الاتجاه البلوري الصحيح والكمية المناسبة من المنشطات من النوع N أو النوع P يسمى نمو البلورات.
التقنيات الأكثر شيوعًا لإنتاج سبائك السيليكون أحادية البلورة لتحضير رقاقة السيليكون هي طريقة Czochralski وطريقة ذوبان المنطقة.
2.1 طريقة Czochralski وفرن Czochralski ذو البلورة الواحدة
تشير طريقة Czochralski (CZ)، والمعروفة أيضًا باسم طريقة Czochralski (CZ)، إلى عملية تحويل سائل السيليكون المنصهر من درجة أشباه الموصلات إلى سبائك سيليكون صلبة أحادية البلورة مع الاتجاه البلوري الصحيح والمخدر إلى نوع N أو P- يكتب.
حاليًا، يتم زراعة أكثر من 85% من السيليكون البلوري الأحادي باستخدام طريقة تشوتشرالسكي.
يشير فرن Czochralski أحادي البلورة إلى معدات معالجة تعمل على إذابة مواد البولي سيليكون عالية النقاء إلى سائل عن طريق التسخين في بيئة حماية مغلقة ذات فراغ عالٍ أو غاز نادر (أو غاز خامل)، ثم إعادة بلورتها لتكوين مواد سيليكون بلورية مفردة مع بعض العناصر الخارجية. أبعاد.
مبدأ العمل للفرن البلوري المفرد هو العملية الفيزيائية لإعادة بلورة مادة السيليكون متعدد البلورات إلى مادة السيليكون البلورية المفردة في الحالة السائلة.
يمكن تقسيم الفرن ذو البلورة المفردة CZ إلى أربعة أجزاء: جسم الفرن، نظام النقل الميكانيكي، نظام التحكم في درجة الحرارة والتدفئة، ونظام نقل الغاز.
يشتمل جسم الفرن على تجويف الفرن، ومحور بلوري للبذور، وبوتقة كوارتز، وملعقة منشطات، وغطاء بلوري للبذور، ونافذة للمراقبة.
يهدف تجويف الفرن إلى التأكد من توزيع درجة الحرارة في الفرن بالتساوي ويمكن أن تبدد الحرارة جيدًا؛ يتم استخدام عمود بلورة البذرة لدفع بلورة البذرة للتحرك لأعلى ولأسفل وتدويرها؛ توضع الشوائب التي تحتاج إلى تخدير في ملعقة التخدير؛
الغطاء البلوري للبذور هو حماية كريستال البذور من التلوث. يستخدم نظام النقل الميكانيكي بشكل أساسي للتحكم في حركة بلورة البذور والبوتقة.
من أجل ضمان عدم أكسدة محلول السيليكون، يجب أن تكون درجة الفراغ في الفرن عالية جدًا، بشكل عام أقل من 5 Torr، ويجب أن تكون درجة نقاء الغاز الخامل المضاف أعلى من 99.9999٪.
يتم استخدام قطعة من السيليكون البلوري المفرد مع الاتجاه البلوري المطلوب كبلورة بذرة لتنمية سبيكة السيليكون، وسبائك السيليكون المزروعة تشبه نسخة طبق الأصل من بلورة البذور.
يجب التحكم بدقة في الظروف الموجودة في السطح البيني بين السيليكون المنصهر وبلورة بذور السيليكون البلورية المفردة. تضمن هذه الظروف أن الطبقة الرقيقة من السيليكون يمكنها أن تكرر بدقة بنية بلورة البذور وتنمو في النهاية إلى سبيكة سيليكون بلورية واحدة كبيرة.
2.2 طريقة ذوبان المنطقة وفرن ذوبان الكريستال الفردي بالمنطقة
تنتج طريقة المنطقة العائمة (FZ) سبائك سيليكون بلورية مفردة ذات محتوى منخفض جدًا من الأكسجين. تم تطوير طريقة المنطقة العائمة في الخمسينيات من القرن الماضي ويمكنها إنتاج أنقى أنواع السيليكون البلوري حتى الآن.
يشير فرن ذوبان الكريستال الأحادي بالمنطقة إلى الفرن الذي يستخدم مبدأ ذوبان المنطقة لإنتاج منطقة انصهار ضيقة في القضيب متعدد البلورات من خلال منطقة مغلقة ضيقة ذات درجة حرارة عالية لجسم فرن القضيب متعدد البلورات في فراغ عالي أو غاز أنبوب الكوارتز النادر بيئة الحماية.
جهاز معالجة يقوم بتحريك قضيب متعدد البلورات أو جسم تسخين الفرن لتحريك منطقة الانصهار وتبلورها تدريجيًا في قضيب بلوري واحد.
إن خاصية تحضير قضبان بلورية مفردة بطريقة ذوبان المنطقة هي أنه يمكن تحسين نقاء القضبان متعددة البلورات في عملية التبلور إلى قضبان بلورية مفردة، ويكون نمو المنشطات لمواد القضبان أكثر اتساقًا.
يمكن تقسيم أنواع أفران ذوبان المنطقة البلورية المفردة إلى نوعين: أفران ذوبان المنطقة العائمة البلورية المفردة التي تعتمد على التوتر السطحي وأفران ذوبان المنطقة الأفقية المفردة البلورية. في التطبيقات العملية، تعتمد أفران ذوبان الكريستال المفردة بشكل عام ذوبان المنطقة العائمة.
يمكن لفرن ذوبان الكريستال المفرد في المنطقة أن يقوم بتحضير سيليكون بلوري مفرد عالي النقاء ومنخفض الأكسجين دون الحاجة إلى بوتقة. يتم استخدامه بشكل أساسي لتحضير السيليكون البلوري الأحادي عالي المقاومة (> 20kΩ·cm) وتنقية السيليكون الذائب في المنطقة. تستخدم هذه المنتجات بشكل رئيسي في تصنيع أجهزة الطاقة المنفصلة.
يتكون فرن ذوبان الكريستال الأحادي بالمنطقة من غرفة الفرن، والعمود العلوي والعمود السفلي (جزء النقل الميكانيكي)، ظرف قضيب بلوري، ظرف بلوري بذرة، ملف تسخين (مولد عالي التردد)، منافذ غاز (منفذ فراغ، مدخل الغاز، مخرج الغاز العلوي)، الخ.
في هيكل غرفة الفرن، يتم ترتيب دوران مياه التبريد. الطرف السفلي من العمود العلوي للفرن البلوري المفرد عبارة عن ظرف قضيب بلوري، والذي يستخدم لتثبيت قضيب متعدد البلورات؛ الطرف العلوي من العمود السفلي عبارة عن ظرف بلوري بذري يستخدم لتثبيت بلورة البذرة.
يتم توفير مصدر طاقة عالي التردد لملف التسخين، ويتم تشكيل منطقة انصهار ضيقة في القضيب متعدد البلورات بدءًا من الطرف السفلي. وفي الوقت نفسه، يدور المحوران العلوي والسفلي وينزلان، بحيث تتبلور منطقة الانصهار في بلورة واحدة.
تتمثل مزايا فرن ذوبان البلورة المفردة في أنه لا يمكنه فقط تحسين نقاء البلورة المفردة المحضرة، ولكن أيضًا يجعل نمو منشطات القضيب أكثر تجانسًا، ويمكن تنقية القضيب البلوري المفرد من خلال عمليات متعددة.
مساوئ فرن ذوبان البلورة المفردة في المنطقة هي تكاليف المعالجة العالية والقطر الصغير للبلورة المفردة المحضرة. حاليًا، الحد الأقصى لقطر البلورة المفردة التي يمكن تحضيرها هو 200 ملم.
الارتفاع الإجمالي لمعدات فرن ذوبان الكريستال المفرد في المنطقة مرتفع نسبيًا، وسكتة المحاور العلوية والسفلية طويلة نسبيًا، لذلك يمكن زراعة قضبان بلورية مفردة أطول.
3. تجهيز وتجهيز الرقاقات
يحتاج القضيب البلوري إلى المرور عبر سلسلة من العمليات لتشكيل ركيزة من السيليكون تلبي متطلبات تصنيع أشباه الموصلات، وهي الرقاقة. عملية المعالجة الأساسية هي:
التقليب، القطع، التقطيع، تلدين الرقاقات، الشطب، الطحن، التلميع، التنظيف والتعبئة، إلخ.
3.1 تلدين الرقاقة
في عملية تصنيع السيليكون متعدد البلورات والسيليكون Czochralski، يحتوي السيليكون البلوري الأحادي على الأكسجين. عند درجة حرارة معينة، سيتبرع الأكسجين الموجود في بلورة السيليكون المفردة بالإلكترونات، وسيتم تحويل الأكسجين إلى متبرعين بالأكسجين. سوف تتحد هذه الإلكترونات مع الشوائب الموجودة في رقاقة السيليكون وتؤثر على مقاومة رقاقة السيليكون.
فرن التلدين: يشير إلى الفرن الذي يرفع درجة الحرارة في الفرن إلى 1000-1200 درجة مئوية في بيئة الهيدروجين أو الأرجون. من خلال الحفاظ على الدفء والتبريد، يتطاير الأكسجين بالقرب من سطح رقاقة السيليكون المصقولة ويتم إزالته من سطحه، مما يتسبب في ترسيب الأكسجين وتكوين طبقة.
معدات المعالجة التي تعمل على إذابة العيوب الدقيقة على سطح رقائق السيليكون، وتقليل كمية الشوائب بالقرب من سطح رقائق السيليكون، وتقليل العيوب، وتشكل منطقة نظيفة نسبيًا على سطح رقائق السيليكون.
ويسمى فرن التلدين أيضًا بفرن درجة الحرارة العالية بسبب درجة حرارته المرتفعة. وتطلق الصناعة أيضًا على عملية تلدين رقاقة السيليكون اسم gettering.
ينقسم فرن تلدين رقاقة السيليكون إلى:
- فرن التلدين الأفقي؛
- فرن التلدين العمودي؛
- فرن التلدين السريع .
الفرق الرئيسي بين فرن التلدين الأفقي وفرن التلدين العمودي هو اتجاه تخطيط غرفة التفاعل.
تم تصميم غرفة التفاعل لفرن التلدين الأفقي بشكل أفقي، ويمكن تحميل مجموعة من رقائق السيليكون في غرفة التفاعل لفرن التلدين للتليين في نفس الوقت. عادة ما يكون وقت التلدين من 20 إلى 30 دقيقة، لكن غرفة التفاعل تحتاج إلى وقت تسخين أطول للوصول إلى درجة الحرارة المطلوبة لعملية التلدين.
تعتمد عملية فرن التلدين العمودي أيضًا طريقة التحميل المتزامن لمجموعة من رقائق السيليكون في غرفة التفاعل بفرن التلدين لمعالجة التلدين. تتميز غرفة التفاعل بتصميم هيكل عمودي، مما يسمح بوضع رقائق السيليكون في قارب كوارتز في حالة أفقية.
في الوقت نفسه، بما أن قارب الكوارتز يمكن أن يدور ككل في غرفة التفاعل، فإن درجة حرارة التلدين في غرفة التفاعل تكون موحدة، وتوزيع درجة الحرارة على رقاقة السيليكون موحد، ولها خصائص توحيد التلدين ممتازة. ومع ذلك، تكلفة عملية فرن التلدين العمودي أعلى من تكلفة فرن التلدين الأفقي.
يستخدم فرن التلدين السريع مصباح التنغستن الهالوجيني لتسخين رقاقة السيليكون مباشرة، والتي يمكن أن تحقق التسخين أو التبريد السريع في نطاق واسع من 1 إلى 250 درجة مئوية / ثانية. معدل التسخين أو التبريد أسرع من فرن التلدين التقليدي. يستغرق الأمر بضع ثوانٍ فقط لتسخين درجة حرارة غرفة التفاعل إلى أعلى من 1100 درجة مئوية.
———————————————————————————————————————————— ——
يمكن أن توفر Semiceraأجزاء الجرافيت,شعر ناعم/صلب,أجزاء كربيد السيليكون, أجزاء كربيد السيليكون CVD، والأجزاء المغلفة بـ SiC/TaCمع عملية أشباه الموصلات الكاملة في 30 يومًا.
إذا كنت مهتمًا بمنتجات أشباه الموصلات المذكورة أعلاه، من فضلك لا تتردد في الاتصال بنا في المرة الأولى.
هاتف: +86-13373889683
واتساب: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
وقت النشر: 26 أغسطس 2024