Puslaidininkinės plokštelės yra plonos kristalinės skiltelės, sudarančios šiuolaikinių lustų pagrindą. Jų medžiaga, dydis, kristalų kryptis ir paviršiaus kokybė turi įtakos greičiui, energijos suvartojimui, išeigai ir kainai. Šiame straipsnyje išsamiuose skyriuose paaiškinami plokštelių pagrindai, pagrindinės medžiagos, proceso etapai, dydžiai, paviršiaus valymas, kokybės patikrinimai ir atrankos taisyklės.
Puslaidininkinių plokštelių pagrindai
Puslaidininkinės plokštelės yra plonos, apvalios kristalinės medžiagos riekelės, kurios yra daugelio šiuolaikinių lustų pagrindas. Mažos elektroninės dalys yra pastatytos ant plokštelės sluoksniais, naudojant tokius veiksmus kaip modeliavimas, valymas ir šildymas.
Dauguma plokštelių yra pagamintos iš labai gryno silicio, o kai kuriuose specialiuose lustuose naudojamos kitos pažangios medžiagos, skirtos didesniam greičiui, didelei galiai ar šviesos funkcijoms. Plokštelių medžiaga, dydis, kristalų kokybė ir paviršiaus lygumas turi didelę įtaką lustų veikimui, kiek gerų drožlių pagaminta (išeiga) ir kiek jie kainuoja.
Puslaidininkinių plokštelių gamybos etapai
Žaliavų valymas
Silicis vafliams gaunamas iš kvarcinio smėlio. Iš pradžių jis paverčiamas metalurgijos klasės siliciu, tada vėl rafinuojamas į labai gryną elektroninį silicį.
Sudėtinių plokštelių atveju tokie elementai kaip galis, arsenas, indis ir fosforas išvalomi ir sujungiami tiksliais santykiais, kad susidarytų reikiama puslaidininkinė medžiaga.
Kristalų augimas
Mažas sėklų kristalas panardinamas į išlydytą puslaidininkinę medžiagą. Sėkla lėtai traukiama aukštyn ir pasukama, kad atomai išsirikiuotų viena kryptimi.
Šis procesas sudaro ilgą, tvirtą, vienkristalinį luitą, turintį vienodą kristalų orientaciją ir labai mažai defektų.
Luito formavimas ir pjaustymas
Apvalus luitas sumalamas iki tikslaus skersmens, todėl kiekviena plokštelė yra vienodo dydžio.
Tada specialus pjūklas supjausto luitą į plonus, plokščius diskus, kurie taps atskirais plokštelėmis.
Vaflių paviršiaus paruošimas
Po pjaustymo plokštelių paviršiai yra šiurkštūs ir pažeisti. Lapavimas ir ėsdinimas pašalina šį pažeistą sluoksnį ir pagerina lygumą.
Tada poliravimas naudojamas siekiant sukurti labai lygų, veidrodinį paviršių, kad vėliau būtų galima tiksliai atspausdinti drožlių raštus.
Tikrinimas ir rūšiavimas
Tikrinamas gatavų plokštelių storis, lygumas, paviršiaus defektai ir kristalų kokybė.
Tik griežtus standartus atitinkančios plokštelės pereina prie prietaisų gamybos, kai grandinės ir konstrukcijos statomos ant plokštelių paviršiaus.
Puslaidininkinių plokštelių dydžiai ir storio diapazonai
| Vaflių skersmuo | Pagrindinės programos | Tipinis storio diapazonas (μm) |
|---|---|---|
| 100 mm (4") | Senesni lustai, atskiros dalys, mažos mokslinių tyrimų ir plėtros linijos | ~500–650 |
| 150 mm (6") | Analoginės, galios ir specialiosios puslaidininkinės plokštelės | ~600–700 |
| 200 mm (8") | Mišrių signalų, galios ir brandžios CMOS plokštelės | ~700–800 |
| 300 mm (12") | Pažangios logikos, atminties ir didelės apimties plokštelės | ~750–900 |
Vaflių orientacija, plokščios ir įpjovos
Puslaidininkinės plokštelės viduje atomai seka fiksuotą kristalų modelį. Plokštelė supjaustoma išilgai plokštumų, tokių kaip (100) arba (111), o tai turi įtakos prietaisų konstrukcijai ir paviršiaus reakcijai apdorojimo metu. Kristalų orientacija turi įtakos:
• Kaip formuojasi tranzistorių struktūros
• Kaip paviršius ėsdina ir poliruoja
• Kaip stresas kaupiasi ir plinta plokštelėje
Norėdami išlyginti įrankius:
• Plokščios plokštelės yra ilgos, tiesios briaunos, daugiausia ant mažesnių plokštelių, ir gali rodyti orientaciją ir tipą.
• Daugumos 200 mm ir 300 mm plokštelių įpjovos yra nedideli pjūviai, suteikiantys tikslią nuorodą į automatinį išlyginimą.
Puslaidininkinių plokštelių elektrinės savybės
| Parametras | Ką tai reiškia | Priežastys, kodėl vafliai svarbūs |
|---|---|---|
| Laidumo tipas | N arba P tipo foninis dopingas | Keičia sankryžų formavimą ir įrenginių išdėstymą |
| Dopantų rūšys | Atomai, tokie kaip B, P, As, Sb (siliciui) ar kiti | Įtakoja dopantų plitimą, aktyvavimą ir defektų kūrimą |
| Varža | Kaip stipriai plokštelė priešinasi srovei (Ω·cm) | Nustato nuotėkio lygius, izoliaciją ir galios nuostolius |
| Vežėjų mobilumas | Kaip greitai elektronai ar skylės juda elektriniame lauke | Riboja perjungimo greitį ir srovės srauto efektyvumą |
| Gyvenimas | Kiek laiko vežėjai išlieka aktyvūs prieš rekombinaciją | Reikalinga galios plokštelėms, detektoriams ir saulės plokštelėms |
Pagrindinės puslaidininkinių plokštelių medžiagos ir jų panaudojimas
Silicio puslaidininkinės plokštelės
Silicio puslaidininkinės plokštelės yra pagrindinė daugelio šiuolaikinių lustų pagrindinė medžiaga. Silicis turi tinkamą juostos tarpą, stabilią kristalinę struktūrą ir gali atlaikyti aukštą temperatūrą, todėl puikiai tinka sudėtingoms lustų konstrukcijoms ir ilgiems procesų srautams gamykloje. Silicio plokštelėse yra pastatyta daugybė integrinių grandynų tipų, įskaitant:
• CPU, GPU ir SoC kompiuterinėms ir mobiliosioms sistemoms
• DRAM ir NAND flash atminčiai ir duomenims saugoti
• Analoginiai, mišrių signalų ir energijos valdymo IC
• Daug MEMS pagrįstų jutiklių ir pavarų
Silicio plokšteles taip pat palaiko didelė ir gerai išvystyta gamybos ekosistema. Įrankiai, proceso etapai ir medžiagos yra labai rafinuoti, o tai padeda sumažinti lusto kainą ir palaiko didelės apimties puslaidininkių gamybą.
Galio arsenido puslaidininkinės plokštelės
Galio arsenido (GaAs) puslaidininkinės plokštelės pasirenkamos, kai reikalingi labai greiti signalai arba stiprus šviesos srautas. Jie kainuoja daugiau nei silicio plokštelės, tačiau dėl ypatingų elektrinių ir optinių savybių jie yra vertingi daugelyje RF ir fotoninių programų.
GaAs plokštelių programos
• RF priekiniai įrenginiai
• Galios stiprintuvai ir mažo triukšmo stiprintuvai belaidėse sistemose
• Mikrobangų IC radarams ir palydovinėms jungtims
• Optoelektroniniai prietaisai
• Didelio ryškumo šviesos diodai
• Lazeriniai diodai saugojimui, jutimui ir ryšiui
Pagrindinės priežastys naudoti GaAs vietoj silicio
• Didesnis elektronų mobilumas greitesniam tranzistorių perjungimui
• Tiesioginis juostos tarpas efektyviai skleidžia šviesą
• Stiprus veikimas esant aukštiems dažniams ir vidutiniam galios lygiui
Silicio karbido puslaidininkinės plokštelės
Silicio karbido (SiC) puslaidininkinės plokštelės naudojamos, kai grandinės turi atlaikyti aukštą įtampą, aukštą temperatūrą ir greitą perjungimą. Jie palaiko energijos įrenginius, kurie išlieka efektyvūs, kai įprasti silicio įrenginiai pradeda kovoti.
Kodėl SiC plokštelės yra svarbios
• Platus juostos tarpas: palaiko didesnę gedimo įtampą su maža nuotėkio srove. Leidžia mažesnius, efektyvesnius galios įrenginius esant aukštai įtampai.
• Didelis šilumos laidumas: greičiau pašalina šilumą nuo maitinimo MOSFET ir diodų. Padeda išlaikyti galios elektronikos stabilumą elektromobilių pavarose, atsinaujinančioje energijoje ir pramoninėse sistemose.
• Stiprumas aukštoje temperatūroje: leidžia dirbti atšiaurioje aplinkoje su mažesniu aušinimu. Išlaiko stabilesnį veikimą plačiame temperatūrų diapazone.
Indžio fosfido puslaidininkinės plokštelės
Indžio fosfido (InP) puslaidininkinės plokštelės daugiausia naudojamos didelės spartos optiniame ryšyje ir pažangiose fotoninėse grandinėse. Jie pasirenkami, kai šviesos signalai ir labai greiti duomenų perdavimo dažniai yra paprastesni nei mažos medžiagų sąnaudos ar didelis plokštelių dydis.
InP plokštelių privalumai
• Palaiko lazerius, moduliatorius ir fotodetektorius, kurie veikia įprastais telekomunikacijų bangos ilgiais
• Įgalinkite fotoninius integrinius grandynus (PIC), kurie sujungia daug optinių funkcijų viename luste
• Užtikrina didelį elektronų mobilumą įrenginiams, kurie sujungia optines funkcijas su aukšto dažnio elektronika
InP puslaidininkinės plokštelės yra trapesnės ir brangesnės nei silicio plokštelės, be to, jos dažnai būna mažesnio skersmens. Nepaisant to, jų galimybė įdėti aktyvias optines dalis tiesiai ant lusto daro jas reikalingas tolimojo nuotolio šviesolaidinėms jungtims, duomenų centrų jungtims ir naujesnėms fotoninėms skaičiavimo sistemoms.
Inžinerinės puslaidininkinių plokštelių konstrukcijos
| Vaflių skersmuo | Įprastas puslaidininkinių plokštelių naudojimas | Apytikslis storio diapazonas (μm) | Pastabos |
|---|---|---|---|
| 100 mm (4") | Senieji IC, atskiri įrenginiai ir mažos gamybos linijos | ~500–650 | Dažnai naudojamas senesnėse ar nišinėse gamyklose |
| 150 mm (6") | Analoginiai, galios, specialūs procesai | ~600–700 | Įprasta SiC, GaAs ir InP plokštelių linijoms |
| 200 mm (8") | Mišraus signalo, galios, brandūs CMOS mazgai | ~700–800 | Subalansuota sąnaudų ir produkcijos atžvilgiu |
| 300 mm (12") | Pažangi logika, atmintis ir didelės apimties gamyba | ~750–900 | Pagrindinis pažangiausio silicio CMOS standartas |
Puslaidininkinių plokštelių pasirinkimas programoms
| Taikymo sritis | Pageidaujama plokštelių medžiaga / struktūra |
|---|---|
| Bendroji logika ir procesoriai | Silicis, 300 mm |
| Mobilieji ir RF priekiniai galai | GaAs, SOI, kartais silicis |
| Galios konvertavimas ir elektromobilių pavaros | SiC, epitaksinis silicis |
| Optinis ryšys ir PIC | InP, silicio fotonika SOI |
| Analoginis ir mišrus signalas | Silicis, SOI, epitaksinės plokštelės |
| Jutikliai ir MEMS | Silicis (įvairaus skersmens), specialūs kaminai |
Išvada
Puslaidininkinės plokštelės praeina daug kruopščių etapų – nuo išgrynintų žaliavų ir kristalų auginimo iki pjaustymo, poliravimo, valymo ir galutinių patikrinimų. Kontroliuojamas dydis, storis, orientacija ir paviršiaus apdaila padeda raštams išlikti ryškiems, o defektų mažai. Skirtingos medžiagos, tokios kaip silicis, GaAs, SiC ir InP, atlieka skirtingus vaidmenis, o stipri metrologija, defektų kontrolė, saugojimas ir regeneravimas išlaiko aukštą derlių ir patikimumą.
Dažnai užduodami klausimai [DUK]
Kas yra pagrindinė puslaidininkinė plokštelė?
Pagrindinė plokštelė yra aukštos kokybės plokštelė su griežtai kontroliuojamu storiu, plokštumu, šiurkštumu ir defektų lygiu, naudojama faktinei lustų gamybai.
Kas yra bandomoji arba manekeno plokštelė?
Bandomoji arba manekeno plokštelė yra žemesnės kokybės plokštelė, naudojama įrankiams nustatyti, procesams derinti ir užterštumui stebėti, o ne galutiniams produktams.
Kas yra SOI puslaidininkinė plokštelė?
SOI plokštelė yra silicio plokštelė su plonu silicio sluoksniu ant izoliacinio sluoksnio ir silicio pagrindo, naudojama izoliacijai pagerinti ir parazitiniam poveikiui sumažinti.
Kaip puslaidininkinės plokštelės laikomos ir perkeliamos gamykloje?
Plokštelės laikomos ir perkeliamos sandariuose laikikliuose arba ankštyse, kurios apsaugo jas nuo dalelių ir pažeidimų, o šios ankštys prijungiamos tiesiai prie apdorojimo įrankių.
Kas yra plokštelių regeneravimas?
Vaflių regeneravimas yra plėvelių nuėmimo, paviršiaus perdirbimo ir pakartotinio plokštelių naudojimo kaip bandymo ar monitoriaus plokštelių procesas, o ne jų išmetimas į metalo laužą.
Kiek proceso etapų praeina puslaidininkinė plokštelė?
Puslaidininkinė plokštelė paprastai praeina nuo kelių šimtų iki daugiau nei tūkstančio proceso etapų nuo neapdorotos plokštelės iki gatavų lustų.
