एकीकृत सर्किट, असतत अर्धचालक उपकरणों और बिजली उपकरणों के उत्पादन के लिए वेफर्स मुख्य कच्चा माल हैं। 90% से अधिक एकीकृत सर्किट उच्च शुद्धता, उच्च गुणवत्ता वाले वेफर्स पर बनाए जाते हैं।
वेफर तैयारी उपकरण एक निश्चित व्यास और लंबाई के सिलिकॉन सिंगल क्रिस्टल रॉड सामग्री में शुद्ध पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन सामग्री बनाने की प्रक्रिया को संदर्भित करता है, और फिर सिलिकॉन सिंगल क्रिस्टल रॉड सामग्री को यांत्रिक प्रसंस्करण, रासायनिक उपचार और अन्य प्रक्रियाओं की एक श्रृंखला के अधीन करता है।
उपकरण जो सिलिकॉन वेफर्स या एपिटैक्सियल सिलिकॉन वेफर्स का निर्माण करते हैं जो कुछ ज्यामितीय सटीकता और सतह की गुणवत्ता की आवश्यकताओं को पूरा करते हैं और चिप निर्माण के लिए आवश्यक सिलिकॉन सब्सट्रेट प्रदान करते हैं।
200 मिमी से कम व्यास वाले सिलिकॉन वेफर्स तैयार करने के लिए विशिष्ट प्रक्रिया प्रवाह है:
एकल क्रिस्टल वृद्धि → ट्रंकेशन → बाहरी व्यास रोलिंग → स्लाइसिंग → चैम्फरिंग → पीसना → नक़्क़ाशी → गेटरिंग → पॉलिशिंग → सफाई → एपिटैक्सी → पैकेजिंग, आदि।
300 मिमी व्यास वाले सिलिकॉन वेफर्स तैयार करने के लिए मुख्य प्रक्रिया प्रवाह इस प्रकार है:
सिंगल क्रिस्टल ग्रोथ → ट्रंकेशन → बाहरी व्यास रोलिंग → स्लाइसिंग → चैम्फरिंग → सतह पीसना → नक़्क़ाशी → एज पॉलिशिंग → डबल-साइड पॉलिशिंग → सिंगल-साइड पॉलिशिंग → अंतिम सफाई → एपिटैक्सी/एनीलिंग → पैकेजिंग, आदि।
1.सिलिकॉन सामग्री
सिलिकॉन एक अर्धचालक पदार्थ है क्योंकि इसमें 4 वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं और यह अन्य तत्वों के साथ आवर्त सारणी के समूह IVA में होता है।
सिलिकॉन में वैलेंस इलेक्ट्रॉनों की संख्या इसे एक अच्छे कंडक्टर (1 वैलेंस इलेक्ट्रॉन) और एक इन्सुलेटर (8 वैलेंस इलेक्ट्रॉन) के ठीक बीच में रखती है।
शुद्ध सिलिकॉन प्रकृति में नहीं पाया जाता है और इसे विनिर्माण के लिए पर्याप्त शुद्ध बनाने के लिए इसे निकाला और शुद्ध किया जाना चाहिए। यह आमतौर पर सिलिका (सिलिकॉन ऑक्साइड या SiO2) और अन्य सिलिकेट्स में पाया जाता है।
SiO2 के अन्य रूपों में कांच, रंगहीन क्रिस्टल, क्वार्ट्ज, एगेट और बिल्ली की आंख शामिल हैं।
अर्धचालक के रूप में उपयोग की जाने वाली पहली सामग्री 1940 और 1950 के दशक की शुरुआत में जर्मेनियम थी, लेकिन इसे तुरंत सिलिकॉन द्वारा प्रतिस्थापित कर दिया गया।
सिलिकॉन को चार मुख्य कारणों से मुख्य अर्धचालक सामग्री के रूप में चुना गया था:
सिलिकॉन सामग्री की प्रचुरता: सिलिकॉन पृथ्वी पर दूसरा सबसे प्रचुर तत्व है, जो पृथ्वी की पपड़ी का 25% हिस्सा है।
सिलिकॉन सामग्री का उच्च गलनांक व्यापक प्रक्रिया सहनशीलता की अनुमति देता है: 1412°C पर सिलिकॉन का गलनांक जर्मेनियम के 937°C पर गलनांक से बहुत अधिक है। उच्च गलनांक सिलिकॉन को उच्च तापमान प्रक्रियाओं का सामना करने की अनुमति देता है।
सिलिकॉन सामग्री में व्यापक ऑपरेटिंग तापमान रेंज होती है;
सिलिकॉन ऑक्साइड (SiO2) की प्राकृतिक वृद्धि: SiO2 एक उच्च गुणवत्ता वाला, स्थिर विद्युत इन्सुलेट सामग्री है और सिलिकॉन को बाहरी संदूषण से बचाने के लिए एक उत्कृष्ट रासायनिक अवरोधक के रूप में कार्य करता है। एकीकृत सर्किट में आसन्न कंडक्टरों के बीच रिसाव से बचने के लिए विद्युत स्थिरता महत्वपूर्ण है। SiO2 सामग्री की स्थिर पतली परतों को विकसित करने की क्षमता उच्च-प्रदर्शन धातु-ऑक्साइड सेमीकंडक्टर (MOS-FET) उपकरणों के निर्माण के लिए मौलिक है। SiO2 में सिलिकॉन के समान यांत्रिक गुण हैं, जो अत्यधिक सिलिकॉन वेफर विरूपण के बिना उच्च तापमान प्रसंस्करण की अनुमति देता है।
2. वेफर तैयारी
सेमीकंडक्टर वेफर्स को थोक सेमीकंडक्टर सामग्री से काटा जाता है। इस अर्धचालक पदार्थ को क्रिस्टल रॉड कहा जाता है, जो पॉलीक्रिस्टलाइन और अनडोप्ड आंतरिक सामग्री के एक बड़े ब्लॉक से उगाया जाता है।
एक पॉलीक्रिस्टलाइन ब्लॉक को एक बड़े एकल क्रिस्टल में बदलना और इसे सही क्रिस्टल अभिविन्यास और उचित मात्रा में एन-प्रकार या पी-प्रकार डोपिंग देना क्रिस्टल विकास कहलाता है।
सिलिकॉन वेफर की तैयारी के लिए एकल क्रिस्टल सिलिकॉन सिल्लियां बनाने की सबसे आम प्रौद्योगिकियां Czochralski विधि और ज़ोन पिघलने की विधि हैं।
2.1 Czochralski विधि और Czochralski एकल क्रिस्टल भट्ठी
Czochralski (CZ) विधि, जिसे Czochralski (CZ) विधि के रूप में भी जाना जाता है, पिघले हुए अर्धचालक-ग्रेड सिलिकॉन तरल को सही क्रिस्टल अभिविन्यास के साथ ठोस एकल-क्रिस्टल सिलिकॉन सिल्लियों में परिवर्तित करने और एन-प्रकार या पी- में डोप करने की प्रक्रिया को संदर्भित करता है। प्रकार।
वर्तमान में, 85% से अधिक एकल क्रिस्टल सिलिकॉन कोज़ोक्राल्स्की विधि का उपयोग करके उगाया जाता है।
Czochralski एकल क्रिस्टल भट्ठी एक प्रक्रिया उपकरण को संदर्भित करती है जो एक बंद उच्च वैक्यूम या दुर्लभ गैस (या अक्रिय गैस) संरक्षण वातावरण में गर्म करके उच्च शुद्धता वाले पॉलीसिलिकॉन सामग्री को तरल में पिघला देती है, और फिर उन्हें कुछ बाहरी के साथ एकल क्रिस्टल सिलिकॉन सामग्री बनाने के लिए पुन: क्रिस्टलीकृत करती है। आयाम.
एकल क्रिस्टल भट्ठी का कार्य सिद्धांत पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन सामग्री को तरल अवस्था में एकल क्रिस्टल सिलिकॉन सामग्री में पुन: क्रिस्टलीकृत करने की भौतिक प्रक्रिया है।
सीजेड सिंगल क्रिस्टल फर्नेस को चार भागों में विभाजित किया जा सकता है: फर्नेस बॉडी, मैकेनिकल ट्रांसमिशन सिस्टम, हीटिंग और तापमान नियंत्रण प्रणाली, और गैस ट्रांसमिशन सिस्टम।
भट्ठी के शरीर में एक भट्ठी गुहा, एक बीज क्रिस्टल अक्ष, एक क्वार्ट्ज क्रूसिबल, एक डोपिंग चम्मच, एक बीज क्रिस्टल कवर और एक अवलोकन खिड़की शामिल है।
भट्ठी गुहा यह सुनिश्चित करने के लिए है कि भट्ठी में तापमान समान रूप से वितरित हो और गर्मी को अच्छी तरह से नष्ट कर सके; बीज क्रिस्टल शाफ्ट का उपयोग बीज क्रिस्टल को ऊपर और नीचे जाने और घुमाने के लिए किया जाता है; जिन अशुद्धियों को डोप करने की आवश्यकता होती है उन्हें डोपिंग चम्मच में रखा जाता है;
बीज क्रिस्टल आवरण बीज क्रिस्टल को संदूषण से बचाने के लिए है। यांत्रिक संचरण प्रणाली का उपयोग मुख्य रूप से बीज क्रिस्टल और क्रूसिबल की गति को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है।
यह सुनिश्चित करने के लिए कि सिलिकॉन समाधान ऑक्सीकरण न हो, भट्टी में वैक्यूम डिग्री बहुत अधिक होनी चाहिए, आम तौर पर 5 टोर्र से नीचे, और अतिरिक्त अक्रिय गैस की शुद्धता 99.9999% से ऊपर होनी चाहिए।
वांछित क्रिस्टल अभिविन्यास के साथ एकल क्रिस्टल सिलिकॉन का एक टुकड़ा सिलिकॉन पिंड को विकसित करने के लिए बीज क्रिस्टल के रूप में उपयोग किया जाता है, और विकसित सिलिकॉन पिंड बीज क्रिस्टल की प्रतिकृति की तरह होता है।
पिघले हुए सिलिकॉन और एकल क्रिस्टल सिलिकॉन बीज क्रिस्टल के बीच इंटरफेस की स्थितियों को सटीक रूप से नियंत्रित करने की आवश्यकता है। ये स्थितियां सुनिश्चित करती हैं कि सिलिकॉन की पतली परत बीज क्रिस्टल की संरचना को सटीक रूप से दोहरा सकती है और अंततः एक बड़े एकल क्रिस्टल सिलिकॉन पिंड में विकसित हो सकती है।
2.2 ज़ोन पिघलने की विधि और ज़ोन पिघलने वाली सिंगल क्रिस्टल भट्टी
फ्लोट ज़ोन विधि (एफजेड) बहुत कम ऑक्सीजन सामग्री के साथ एकल क्रिस्टल सिलिकॉन सिल्लियां उत्पन्न करती है। फ्लोट ज़ोन विधि 1950 के दशक में विकसित की गई थी और आज तक का सबसे शुद्ध एकल क्रिस्टल सिलिकॉन का उत्पादन कर सकती है।
ज़ोन मेल्टिंग सिंगल क्रिस्टल भट्टी एक ऐसी भट्टी को संदर्भित करती है जो उच्च वैक्यूम या दुर्लभ क्वार्ट्ज ट्यूब गैस में पॉलीक्रिस्टलाइन रॉड फर्नेस बॉडी के उच्च तापमान वाले संकीर्ण बंद क्षेत्र के माध्यम से पॉलीक्रिस्टलाइन रॉड में एक संकीर्ण पिघलने वाले क्षेत्र का उत्पादन करने के लिए ज़ोन पिघलने के सिद्धांत का उपयोग करती है। सुरक्षा वातावरण.
एक प्रक्रिया उपकरण जो पिघलने वाले क्षेत्र को स्थानांतरित करने के लिए एक पॉलीक्रिस्टलाइन रॉड या फर्नेस हीटिंग बॉडी को चलाता है और धीरे-धीरे इसे एक क्रिस्टल रॉड में क्रिस्टलीकृत करता है।
ज़ोन पिघलने की विधि द्वारा एकल क्रिस्टल छड़ें तैयार करने की विशेषता यह है कि एकल क्रिस्टल छड़ों में क्रिस्टलीकरण की प्रक्रिया में पॉलीक्रिस्टलाइन छड़ों की शुद्धता में सुधार किया जा सकता है, और छड़ सामग्री की डोपिंग वृद्धि अधिक समान होती है।
जोन पिघलने वाली एकल क्रिस्टल भट्टियों के प्रकार को दो प्रकारों में विभाजित किया जा सकता है: फ्लोटिंग जोन पिघलने वाली एकल क्रिस्टल भट्टियां जो सतह तनाव पर निर्भर करती हैं और क्षैतिज क्षेत्र पिघलने वाली एकल क्रिस्टल भट्टियां। व्यावहारिक अनुप्रयोगों में, जोन पिघलने वाली एकल क्रिस्टल भट्टियां आम तौर पर फ्लोटिंग जोन पिघलने को अपनाती हैं।
ज़ोन पिघलने वाली एकल क्रिस्टल भट्टी क्रूसिबल की आवश्यकता के बिना उच्च शुद्धता वाले कम ऑक्सीजन वाले एकल क्रिस्टल सिलिकॉन तैयार कर सकती है। इसका उपयोग मुख्य रूप से उच्च-प्रतिरोधकता (>20kΩ·cm) एकल क्रिस्टल सिलिकॉन तैयार करने और सिलिकॉन पिघलने वाले क्षेत्र को शुद्ध करने के लिए किया जाता है। इन उत्पादों का उपयोग मुख्य रूप से असतत बिजली उपकरणों के निर्माण में किया जाता है।
एकल क्रिस्टल भट्टी को पिघलाने वाले क्षेत्र में एक भट्टी कक्ष, एक ऊपरी शाफ्ट और एक निचला शाफ्ट (मैकेनिकल ट्रांसमिशन भाग), एक क्रिस्टल रॉड चक, एक बीज क्रिस्टल चक, एक हीटिंग कॉइल (उच्च आवृत्ति जनरेटर), गैस पोर्ट (वैक्यूम पोर्ट) होते हैं। गैस इनलेट, ऊपरी गैस आउटलेट), आदि।
भट्ठी कक्ष संरचना में, ठंडा पानी परिसंचरण की व्यवस्था की जाती है। एकल क्रिस्टल भट्ठी के ऊपरी शाफ्ट का निचला सिरा एक क्रिस्टल रॉड चक है, जिसका उपयोग पॉलीक्रिस्टलाइन रॉड को क्लैंप करने के लिए किया जाता है; निचले शाफ्ट का ऊपरी सिरा एक बीज क्रिस्टल चक है, जिसका उपयोग बीज क्रिस्टल को जकड़ने के लिए किया जाता है।
हीटिंग कॉइल को एक उच्च-आवृत्ति बिजली की आपूर्ति की जाती है, और निचले सिरे से शुरू होने वाली पॉलीक्रिस्टलाइन रॉड में एक संकीर्ण पिघलने वाला क्षेत्र बनता है। साथ ही, ऊपरी और निचली धुरी घूमती और उतरती है, जिससे पिघलने वाला क्षेत्र एक क्रिस्टल में क्रिस्टलीकृत हो जाता है।
ज़ोन पिघलने वाली एकल क्रिस्टल भट्टी के फायदे यह हैं कि यह न केवल तैयार एकल क्रिस्टल की शुद्धता में सुधार कर सकता है, बल्कि रॉड डोपिंग वृद्धि को और अधिक समान बना सकता है, और एकल क्रिस्टल रॉड को कई प्रक्रियाओं के माध्यम से शुद्ध किया जा सकता है।
ज़ोन पिघलने वाली एकल क्रिस्टल भट्टी के नुकसान उच्च प्रक्रिया लागत और तैयार एकल क्रिस्टल का छोटा व्यास हैं। वर्तमान में, तैयार किए जा सकने वाले एकल क्रिस्टल का अधिकतम व्यास 200 मिमी है।
एकल क्रिस्टल भट्ठी उपकरण को पिघलाने वाले क्षेत्र की कुल ऊंचाई अपेक्षाकृत अधिक है, और ऊपरी और निचली कुल्हाड़ियों का स्ट्रोक अपेक्षाकृत लंबा है, इसलिए लंबी एकल क्रिस्टल छड़ें उगाई जा सकती हैं।
3. वेफर प्रसंस्करण और उपकरण
क्रिस्टल रॉड को एक सिलिकॉन सब्सट्रेट बनाने के लिए प्रक्रियाओं की एक श्रृंखला से गुजरना पड़ता है जो सेमीकंडक्टर निर्माण, अर्थात् वेफर की आवश्यकताओं को पूरा करता है। प्रसंस्करण की मूल प्रक्रिया है:
टम्बलिंग, कटिंग, स्लाइसिंग, वेफर एनीलिंग, चैम्फरिंग, ग्राइंडिंग, पॉलिशिंग, सफाई और पैकेजिंग, आदि।
3.1 वेफर एनीलिंग
पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन और Czochralski सिलिकॉन के निर्माण की प्रक्रिया में, एकल क्रिस्टल सिलिकॉन में ऑक्सीजन होता है। एक निश्चित तापमान पर, एकल क्रिस्टल सिलिकॉन में ऑक्सीजन इलेक्ट्रॉन दान करेगी, और ऑक्सीजन ऑक्सीजन दाताओं में परिवर्तित हो जाएगी। ये इलेक्ट्रॉन सिलिकॉन वेफर में अशुद्धियों के साथ संयोजित होंगे और सिलिकॉन वेफर की प्रतिरोधकता को प्रभावित करेंगे।
एनीलिंग भट्टी: एक ऐसी भट्टी को संदर्भित करती है जो हाइड्रोजन या आर्गन वातावरण में भट्टी में तापमान को 1000-1200 डिग्री सेल्सियस तक बढ़ा देती है। गर्म और ठंडा रखने से, पॉलिश किए गए सिलिकॉन वेफर की सतह के पास ऑक्सीजन को वाष्पित किया जाता है और इसकी सतह से हटा दिया जाता है, जिससे ऑक्सीजन अवक्षेपित हो जाती है और परत बन जाती है।
प्रक्रिया उपकरण जो सिलिकॉन वेफर्स की सतह पर सूक्ष्म दोषों को घोलता है, सिलिकॉन वेफर्स की सतह के पास अशुद्धियों की मात्रा को कम करता है, दोषों को कम करता है, और सिलिकॉन वेफर्स की सतह पर एक अपेक्षाकृत साफ क्षेत्र बनाता है।
एनीलिंग भट्टी को इसके उच्च तापमान के कारण उच्च तापमान भट्टी भी कहा जाता है। उद्योग सिलिकॉन वेफर एनीलिंग प्रक्रिया को गेटरिंग भी कहता है।
सिलिकॉन वेफर एनीलिंग भट्टी को इसमें विभाजित किया गया है:
-क्षैतिज एनीलिंग भट्ठी;
-ऊर्ध्वाधर एनीलिंग भट्ठी;
-रैपिड एनीलिंग भट्टी।
क्षैतिज एनीलिंग भट्टी और ऊर्ध्वाधर एनीलिंग भट्टी के बीच मुख्य अंतर प्रतिक्रिया कक्ष की लेआउट दिशा है।
क्षैतिज एनीलिंग भट्ठी का प्रतिक्रिया कक्ष क्षैतिज रूप से संरचित है, और सिलिकॉन वेफर्स के एक बैच को एक ही समय में एनीलिंग के लिए एनीलिंग भट्ठी के प्रतिक्रिया कक्ष में लोड किया जा सकता है। एनीलिंग का समय आमतौर पर 20 से 30 मिनट होता है, लेकिन एनीलिंग प्रक्रिया के लिए आवश्यक तापमान तक पहुंचने के लिए प्रतिक्रिया कक्ष को लंबे समय तक गर्म करने की आवश्यकता होती है।
ऊर्ध्वाधर एनीलिंग भट्टी की प्रक्रिया एनीलिंग उपचार के लिए एनीलिंग भट्टी के प्रतिक्रिया कक्ष में सिलिकॉन वेफर्स के एक बैच को एक साथ लोड करने की विधि को भी अपनाती है। प्रतिक्रिया कक्ष में एक ऊर्ध्वाधर संरचना लेआउट होता है, जो सिलिकॉन वेफर्स को क्षैतिज स्थिति में क्वार्ट्ज नाव में रखने की अनुमति देता है।
साथ ही, चूंकि क्वार्ट्ज नाव प्रतिक्रिया कक्ष में पूरी तरह घूम सकती है, प्रतिक्रिया कक्ष का एनीलिंग तापमान एक समान होता है, सिलिकॉन वेफर पर तापमान वितरण एक समान होता है, और इसमें उत्कृष्ट एनीलिंग एकरूपता विशेषताएं होती हैं। हालाँकि, ऊर्ध्वाधर एनीलिंग भट्टी की प्रक्रिया लागत क्षैतिज एनीलिंग भट्टी की तुलना में अधिक है।
रैपिड एनीलिंग भट्टी सिलिकॉन वेफर को सीधे गर्म करने के लिए हैलोजन टंगस्टन लैंप का उपयोग करती है, जो 1 से 250 डिग्री सेल्सियस/सेकेंड की विस्तृत श्रृंखला में तेजी से हीटिंग या शीतलन प्राप्त कर सकती है। हीटिंग या शीतलन दर पारंपरिक एनीलिंग भट्टी की तुलना में तेज़ है। प्रतिक्रिया कक्ष के तापमान को 1100°C से ऊपर गर्म करने में केवल कुछ सेकंड लगते हैं।
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पोस्ट करने का समय: अगस्त-26-2024