Produzione di wafer

Con l’avanzare della tecnologia, la domanda diwafercontinua a salire. Attualmente, le dimensioni principali dei wafer di silicio nel mercato interno sono 100 mm, 150 mm e 200 mm. Aumento del diametro del siliciowaferpuò ridurre il costo di produzione di ciascun chip, portando a una crescente domanda di wafer di silicio da 300 mm. Tuttavia, i diametri più grandi impongono anche requisiti più severi su parametri chiave, come la planarità della superficie del wafer, il controllo delle impurità, i difetti interni e il contenuto di ossigeno. Di conseguenza, la produzione di wafer è diventata un obiettivo primario della ricerca nella produzione di chip.

Prima di addentrarsi nella produzione dei wafer, è essenziale comprendere la struttura cristallina sottostante.

La differenza nell'organizzazione atomica interna dei materiali è un fattore cruciale per distinguerli. I materiali cristallini, come il silicio e il germanio, hanno atomi disposti secondo una struttura periodica fissa, mentre i materiali non cristallini, come la plastica, non hanno questa disposizione ordinata. Il silicio è emerso come il materiale principale per i wafer grazie alla sua struttura unica, alle proprietà chimiche favorevoli, all'abbondanza naturale e ad altri vantaggi.

I materiali cristallini possiedono due livelli di organizzazione atomica. Il primo livello è la struttura dei singoli atomi, che formano una cellula unitaria che si ripete periodicamente in tutto il cristallo. Il secondo livello si riferisce alla disposizione complessiva di queste celle unitarie, nota come struttura reticolare, in cui gli atomi occupano posizioni specifiche all'interno del reticolo. Il numero di atomi nella cella unitaria, le loro posizioni relative e l'energia di legame tra loro determinano le varie proprietà del materiale. La struttura cristallina del silicio è classificata come una struttura a diamante, composta da due serie di reticoli cubici centrati sulla faccia sfalsati lungo la diagonale di un quarto della lunghezza della diagonale.

Le caratteristiche di periodicità e simmetria nei cristalli richiedono un metodo più semplice per descrivere le posizioni degli atomi piuttosto che utilizzare un sistema di coordinate rettangolari tridimensionali universali. Per descrivere meglio la distribuzione atomica in un cristallo in base alla sua periodicità reticolare, selezioniamo una cella unitaria secondo tre principi guida. Questa cella unitaria riflette efficacemente la periodicità e la simmetria del cristallo e funge da unità ripetitiva più piccola. Una volta determinate le coordinate atomiche all'interno della cella unitaria, possiamo facilmente dedurre le posizioni relative delle particelle nell'intero cristallo. Stabilendo un sistema di coordinate basato sui tre vettori dei bordi della cella unitaria, possiamo semplificare in modo significativo il processo di descrizione della struttura cristallina.

Un piano cristallino è definito come una superficie piana formata dalla disposizione di atomi, ioni o molecole all'interno di un cristallo. Al contrario, una direzione cristallina si riferisce ad un orientamento specifico di queste disposizioni atomiche.

I piani cristallini sono rappresentati utilizzando gli indici di Miller. Tipicamente, le parentesi () indicano i piani cristallini, le parentesi quadre [] indicano le direzioni dei cristalli, le parentesi angolari <> indicano famiglie di direzioni dei cristalli e le parentesi graffe {} rappresentano famiglie di piani cristallini. Nella produzione di semiconduttori, i piani cristallini più comunemente utilizzati per i wafer di silicio sono (100), (110) e (111). Ogni piano di cristallo possiede caratteristiche uniche, che li rendono adatti a diversi processi produttivi.

Ad esempio, i piani cristallini (100) sono utilizzati prevalentemente nella produzione di dispositivi MOS grazie alle loro proprietà superficiali favorevoli, che facilitano il controllo sulla tensione di soglia. Inoltre, i wafer con (100) piani cristallini sono più facili da maneggiare durante la lavorazione e hanno superfici relativamente piatte, il che li rende ideali per la produzione di circuiti integrati su larga scala. Al contrario, i piani cristallini (111), che hanno una densità atomica più elevata e costi di crescita inferiori, sono spesso utilizzati nei dispositivi bipolari. Questi piani possono essere raggiunti gestendo attentamente la direzione dei cristalli durante il processo di crescita selezionando la direzione appropriata del cristallo seme.

Il piano del cristallo (100) è parallelo all'asse Y-Z e interseca l'asse X nel punto in cui il valore unitario è 1. Il piano del cristallo (110) interseca entrambi gli assi X e Y, mentre il piano del cristallo (111) interseca tutti e tre gli assi: X, Y e Z.

In una prospettiva strutturale, il piano cristallino (100) assume una forma quadrata, mentre il piano cristallino (111) assume una forma triangolare. A causa delle variazioni nella struttura tra i diversi piani cristallini, anche il modo in cui un wafer si rompe è diverso. I wafer orientati lungo <100> tendono a spezzarsi in forme quadrate o a creare rotture ad angolo retto (90°), mentre quelli orientati lungo <111> si rompono in frammenti triangolari.

Date le proprietà chimiche, elettriche e fisiche uniche associate alle strutture interne dei cristalli, l'orientamento specifico dei cristalli di un wafer influisce in modo significativo sulle sue prestazioni complessive. Di conseguenza, è fondamentale mantenere uno stretto controllo sull'orientamento dei cristalli durante il processo di preparazione.

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