Processi Tecnici, Costi e Difficoltà della Produzione di Wafer di Silicio

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Wafer di silicio: difficili da produrre e con alte barriere. Questo articolo descrive il processo di produzione dei wafer, l'analisi dei costi di produzione e le principali barriere.

Il processo di Produzione dei Wafer

La materia prima per i wafer di silicio è il quarzo, comunemente chiamato sabbia, che può essere estratto direttamente in natura. Il processo di fabbricazione dei wafer può essere realizzato in diverse fasi. Disossidazione e purificazione, raffinazione del polisilicio, lingotti monocristallini (barre), burattatura, taglio dei wafer, lucidatura dei wafer, ricottura, test, imballaggio e altre fasi.

Disossidazione e purificazione: La materia prima per gli impianti di produzione di wafer di silicio è il minerale di quarzo, la principale materia prima del minerale di quarzo è il biossido di silicio (SiO2). Il minerale di quarzo viene prima disossigenato e purificato in un processo che include selezione, separazione magnetica, flottazione, degassificazione ad alta temperatura e così via. Le principali impurità del minerale vengono rimosse, come ferro, alluminio e altre impurità. Raffinazione del silicio policristallino: dopo aver ottenuto SiO2 relativamente puro, si effettua una reazione chimica per produrre silicio monocristallino. La reazione principale è SiO2 + CàSi + CO, con monossido di carbonio (CO) come gas, che viene evaporato direttamente dopo il completamento della reazione. Così rimangono solo i cristalli di silicio. A questo punto il silicio è policristallino e grossolano, con alcune impurità come ferro, alluminio, carbonio, boro, fosforo, rame e così via. Per filtrare le impurità in eccesso, il silicio grezzo risultante deve essere lavato con acido, comunemente usando acido cloridrico (HCl), acido solforico (H2SO4), ecc. Il contenuto di silicio dopo l'immersione in acido è generalmente superiore al 99,7%. Durante il processo di decapaggio, ferro, alluminio e altri elementi vengono dissolti nell'acido e filtrati. Tuttavia, il silicio reagisce anche con l'acido per formare SiHCl3 (tricloruro di silicio) o SiCl4 (tetracloruro di silicio). Tuttavia, entrambe queste sostanze sono gassose, quindi dopo il lavaggio acido, le impurità originali come il ferro e l'alluminio sono state dissolte nell'acido, ma il silicio è passato allo stato gassoso. Infine il SiHCl3 o SiCl4 gassoso ad alta purezza viene ridotto con idrogeno per ottenere polisilicio ad alta purezza, SiHCl3+H2àSi+3HCl, SICl4+2H2àSi+4HCl. a questo punto si ottiene il polisilicio da produrre.

CZ (metodo di disegno diretto)

Il metodo straight-draw (CZ) dei wafer di silicio è usato principalmente nella logica, nei chip di memoria e rappresenta circa il 95% del mercato; il metodo straight-draw ha avuto origine nel 1918 quando Czochralski ha estratto filamenti sottili dal metallo fuso, da cui il nome metodo CZ. Questa è la tecnologia dominante per la coltivazione del silicio monocristallino oggi. Il processo principale consiste nel mettere il polisilicio in un crogiolo, riscaldarlo per farlo fondere, poi bloccare un pezzo di cristallo di silicio a cristallo singolo di seme, sospenderlo sopra il crogiolo e tirarlo dritto, con un'estremità inserita nella fusione fino a fondere, poi ruotarlo lentamente e sollevarlo verso l'alto. In questo modo un singolo cristallo si forma all'interfaccia del liquido e del solido per condensazione graduale. Poiché l'intero processo può essere visto come una replica dei cristalli del seme, i cristalli di silicio risultanti sono cristalli di silicio a cristallo singolo. Inoltre, il drogaggio dei wafer viene effettuato anche durante il processo di estrazione del cristallo singolo, di solito sia in fase liquida che in fase gassosa. Il drogaggio in fase liquida significa che il crogiolo è drogato con elementi di tipo P o N, che possono essere tirati direttamente nelle barre di silicio durante il processo di estrazione del cristallo singolo. Laminazione del diametro: poiché è difficile controllare il diametro delle aste di silicio a cristallo singolo durante il processo di trazione del cristallo singolo, al fine di ottenere diametri standard come 6", 8", 12", ecc, le aste di silicio vengono laminate e macinate. Dopo aver estratto un singolo cristallo, il diametro del lingotto viene laminato e rettificato, ottenendo una superficie liscia e un errore dimensionale minore. Taglio e smussatura: Una volta ottenuti i lingotti, i wafer vengono tagliati. I lingotti vengono posti su una macchina da taglio fissa e tagliati secondo il programma di taglio che è stato impostato. A causa del piccolo spessore dei wafer di silicio, i bordi dei wafer tagliati sono molto taglienti. Lo scopo della smussatura è di creare un bordo liscio. Il wafer smussato ha uno stress centrale inferiore, rendendolo così più forte e meno incline alla frammentazione nella successiva fabbricazione del chip. Lucidatura: Lo scopo principale della lucidatura è quello di rendere la superficie del wafer più liscia, piatta e priva di danni e di assicurare uno spessore costante da wafer a wafer. Test e imballaggio: dopo aver ottenuto i wafer lucidati, le proprietà elettriche dei wafer devono essere testate, come la resistività e altri parametri. La maggior parte delle fabbriche di wafer ha un servizio di wafer epitassiali, e se sono richiesti wafer epitassiali, allora viene effettuata la crescita epitassiale del wafer. Se i wafer epitassiali non sono richiesti, vengono imballati e spediti ad altre fabbriche di wafer epitassiali o di wafer.

Struttura spaziale a cristallo singolo FZ Faraday

FZ (Zonizzazione frazionata)

I wafer di silicio a fusione di zona (FZ) sono usati principalmente in alcuni chip di potenza, con una quota di mercato di circa il 4%; i wafer di silicio fatti con FZ (fusione di zona) sono usati principalmente per dispositivi di potenza. Le dimensioni dei wafer sono principalmente 8" e 6", e attualmente circa il 15% dei wafer sono realizzati con il metodo FZ. Rispetto ai wafer fatti con il metodo CZ, il metodo FZ è caratterizzato da una resistività relativamente alta, da una purezza più elevata e da una resistenza all'alta tensione, ma è più difficile fare wafer grandi e ha scarse proprietà meccaniche, quindi è spesso usato per wafer di dispositivi di potenza e meno spesso per circuiti integrati.

Il metodo di fusione a zone per fare barre di silicio a cristallo singolo è un totale di tre fasi: riscaldamento del polisilicio, contatto del cristallo di seme e trazione del cristallo singolo mediante rotazione verso il basso. In una camera di forno sotto vuoto o gas inerte, un campo elettrico viene utilizzato per riscaldare le barre di polisilicio fino a quando il polisilicio nella zona riscaldata si fonde, formando una zona fusa. La zona fusa viene poi toccata con cristalli di semi e fusa. Infine, la zona fusa sul polisilicio viene continuamente spostata verso l'alto spostando la posizione di riscaldamento del campo elettrico, mentre i cristalli di semi ruotano lentamente e si allungano verso il basso, formando gradualmente barre di silicio a cristallo singolo. Poiché i crogioli non vengono utilizzati nel metodo di fusione a zone, si evitano molte fonti di contaminazione e i singoli cristalli estratti con il metodo di fusione