Pooljuhtplaadid on õhukesed kristallviilud, mis moodustavad tänapäevaste kiipide aluse. Nende materjal, suurus, kristallide suund ja pinna kvaliteet mõjutavad kiirust, energiatarbimist, saagikust ja hinda. See artikkel selgitab plaatide põhialuseid, peamisi materjale, protsessi samme, suurusi, pinnapuhastust, kvaliteedikontrolle ja valikureegleid üksikasjalikes osades.
Pooljuhtplaadi alused
Pooljuhtplaadid on õhukesed, ümmargused kristallmaterjali viilud, mis toimivad paljude kaasaegsete kiipide aluseks. Väikesed elektroonikaosad ehitatakse kihiti plaadi peale, kasutades samme nagu mustrite joonistamine, puhastamine ja kütmine.
Enamik kiipe on valmistatud väga puhtast ränist, samas kui mõned spetsiaalsed kiibid kasutavad teisi arenenud materjale suurema kiiruse, võimsuse või valguspõhiste funktsioonide jaoks. Plaadi materjal, suurus, kristallikvaliteet ja pinna siledus mõjutavad tugevalt, kui hästi kiibid töötavad, kui palju häid tükke tehakse (saagik) ja kui palju need maksavad.
Pooljuhtplaadi tootmise etapid
Tooraine puhastamine
Räni plaatide jaoks pärineb kvartsliivast. Esmalt muudetakse see metallurgilise kvaliteediga räniks, seejärel rafineeritakse uuesti väga puhtaks elektroonilise kvaliteediga räniks.
Ühendplaatide puhul puhastatakse ja kombineeritakse elemente nagu gallium, arseen, indium ja fosfor täpsetes suhetes, et moodustada vajalik pooljuhtmaterjal.
Kristallide kasv
Väike seemnekristall kastetakse sulatatud pooljuhtmaterjali. Seemet tõmmatakse aeglaselt üles ja pööratakse nii, et aatomid joonduvad ühes suunas.
See protsess moodustab pika, tahke, ühe kristalliga ingot, millel on ühtlane kristallorientatsioon ja väga vähe defekte.
Ingotide vormimine ja lõikamine
Ümmargune vaht on jahvatatud täpse läbimõõduni, nii et iga plaadil on sama suur.
Spetsiaalne saag lõikab ingoti õhukesteks ja lamedateks ketasteks, mis muutuvad üksikuteks plaatideks.
Plaadi pinna ettevalmistamine
Pärast lõikamist on plaadi pinnad karedad ja kahjustatud. Lappimine ja söövitamine eemaldavad selle kahjustatud kihi ja parandavad lamedat.
Poleerimist kasutatakse väga sile, peegeldava pinna loomiseks, et hilisemad laastumustrid saaks täpselt printida.
Kontroll ja sorteerimine
Valminud plaadid kontrollitakse paksuse, lameduse, pinnadefektide ja kristallikvaliteedi osas.
Ainult rangetele standarditele vastavad plaadid liiguvad edasi seadmete valmistamisele, kus skeemid ja struktuurid ehitatakse plaadi pinnale.
Pooljuhtplaadi suurused ja paksusvahemikud
| Plaadi läbimõõt | Peamised rakendused | Tüüpiline paksuse vahemik (μm) |
|---|---|---|
| 100 mm (4") | Vanemad kiibid, eraldiseisvad osad, väikesed teadus- ja arendusliinid | ~500–650 |
| 150 mm (6") | Analoog-, võimsus- ja eripooljuhtplaadid | ~600–700 |
| 200 mm (8") | Segasignaali-, toite- ja küpsed CMOS-plaadid | ~700–800 |
| 300 mm (12") | Täiustatud loogika, mälu ja suure mahuga plaadid | ~750–900 |
Plaadi orientatsioon, lamedad ja sälgud
Pooljuhtplaadi sees järgivad aatomid fikseeritud kristallmustrit. Plaadil lõigatakse tasandeid nagu (100) või (111), mis mõjutab, kuidas seadmed ehitatakse ja kuidas pind töötlemise käigus reageerib. Kristalli orientatsioon mõjutab:
• Kuidas transistorstruktuurid moodustuvad
• Kuidas pind söövitub ja poleerib
• Kuidas stress kuhjub ja levib plaadis
Tööriistade joondamiseks:
• Lamedad servad on pikad, sirged peamiselt väiksematel plaatidel ning võivad näidata orientatsiooni ja tüüpi.
• Sälgud on väikesed lõiked enamikul 200 mm ja 300 mm plaatidel ning annavad täpse viite automaatseks joondamiseks.
Pooljuhtplaatide elektrilised omadused
| Parameeter | Mida see tähendab | Põhjused, miks waflid on olulised |
|---|---|---|
| Juhtivuse tüüp | N-tüüpi või P-tüüpi taustadoping | Muudab ühenduste tekkimist ja seadmete paigutust |
| Dopant-liigid | Aatomid nagu B, P, As, Sb (räni jaoks) või teised | Mõjutab, kuidas dopantid levivad, aktiveeruvad ja tekitavad defekte |
| Takistus | Kui tugevalt vool voolule vastu peab (Ω·cm) | Määrab lekketasemed, isolatsiooni ja voolukaotuse |
| Lennukikandja liikuvus | Kui kiiresti elektronid või augud elektriväljas liiguvad | Piirab lülituskiirust ja voolu efektiivsust |
| Eluiga | Kui kaua operaatorid aktiivsed püsivad enne taasühinemist | Vajalikud toiteplaatide, detektorite ja päikeseplaatide jaoks |
Peamised pooljuhtplaadi materjalid ja nende kasutusalad
Räni pooljuhtplaadid
Räni pooljuhtplaadid on paljude kaasaegsete kiipide peamine alusmaterjal. Ränil on sobiv ribavahe, stabiilne kristallstruktuur ja see suudab taluda kõrgeid temperatuure, mistõttu sobib see hästi keerukate kiibidisainide ja pikkade protsessivoogude jaoks tehases. Räni plaatidel on ehitatud mitut tüüpi integreeritud vooluahelaid, sealhulgas:
• CPU-d, GPU-d ja SoC-d arvuti- ja mobiilsüsteemidele
• DRAM ja NAND flash mälu ja andmete salvestamiseks
• Analoog-, segasignaali- ja toitehalduse IC-d
• Paljud MEMS-põhised andurid ja ajamid
Räniplaadid on toetatud ka suure ja hästi arenenud tootmiskeskkonna poolt. Tööriistad, protsessietapid ja materjalid on väga viimistletud, mis aitab vähendada kiibi hinda ja toetab suure mahuga pooljuhtide tootmist.
Galliumarseeniidi pooljuhtplaadid
Galliumarseeniidi (GaAs) pooljuhtplaadid valitakse, kui on vaja väga kiireid signaale või tugevat valgust. Need maksavad rohkem kui räni plaadid, kuid nende erilised elektrilised ja optilised omadused muudavad need väärtuslikuks paljudes RF- ja footonirakendustes.
GaAs plaadi rakendused
• RF-esiosa seadmed
• Võimendid ja madala müratasemega võimendid juhtmevabades süsteemides
• Mikrolaine IC-d radari ja satelliidilinkide jaoks
• Optoelektroonilised seadmed
• Kõrge heledusega LED-id
• Laserdioodid salvestamiseks, tuvastamiseks ja suhtlemiseks
Peamised põhjused kasutada GaAs-i räni asemel
• Suurem elektronide liikuvus kiiremaks transistori lülitamiseks
• Otsene ribavahe efektiivse valguskiirguse tagamiseks
• Tugev jõudlus kõrgetel sagedustel ja mõõdukatel võimsustasemetel
Ränikarbiidi pooljuhtplaadid
Ränikarbiidi (SiC) pooljuhtplaate kasutatakse siis, kui vooluringid peavad taluma kõrget pinget, kõrget temperatuuri ja kiiret lülitust. Need toetavad toiteseadmeid, mis jäävad tõhusaks, samas kui tavalised räni seadmed hakkavad raskustesse jääma.
Miks SiC plaadid on olulised
• Lai ribavahe: toetab kõrgemaid läbimurdepingeid madala lekkevooluga. Võimaldab väiksemaid ja tõhusamaid toiteseadmeid kõrgetel pingetel.
• Kõrge soojusjuhtivus: viib soojust kiiremini eemale toite-MOSFETidest ja dioodidest. Aitab hoida toiteelektroonikat stabiilsena elektriautode mootorites, taastuvenergias ja tööstussüsteemides.
• Tugevus kõrgetel temperatuuridel: võimaldab töötada karmides tingimustes, kus jahutus on väiksem. See hoiab jõudluse stabiilsemana laias temperatuurivahemikus.
Indiumfosfiidist pooljuhtplaadid
Indiumfosfiidi (InP) pooljuhtplaatide kasutamine on peamiselt kiire optilise side ja arenenud footoniliste ahelate jaoks. Need valitakse siis, kui valguspõhised signaalid ja väga kiired andmeedastuskiirused on lihtsamad kui madala materjalikulu või suure plaadi suurus.
InP plaatide eelised
• Toetavad lasereid, modulaatoreid ja fotodetektoreid, mis töötavad tavapärastel telekommunikatsiooni lainepikkustel
• Lubada fotonilised integreeritud vooluahelad (PIC-id), mis ühendavad palju optilisi funktsioone ühel kiibil
• Tagada suur elektronide liikuvus seadmetele, mis ühendavad optilised funktsioonid kõrgsagedusliku elektroonikaga
InP pooljuhtplaadid on hapramad ja kallimad kui räniplaadid ning neid on sageli väiksemate läbimõõtudega. Sellegipoolest teeb nende võime paigutada aktiivsed optilised osad otse kiibile vajalikuks pika vahemaa fiiberlinkide, andmekeskuste ühenduste ja uuemate footoniliste arvutussüsteemide jaoks.
Insenertehnilised pooljuhtplaadi struktuurid
| Plaadi läbimõõt | Levinud pooljuhtplaadi kasutus | Ligikaudne paksuse vahemik (μm) | Märkused |
|---|---|---|---|
| 100 mm (4") | Pärand-IC-d, eraldiseisvad seadmed ja väikesed tootmisliinid | ~500–650 | Sageli kasutatakse vanemates või niššitehastes |
| 150 mm (6") | Analoog-, energia- ja eriprotsessid | ~600–700 | Levinud SiC, GaAs ja InP plaadiliinide puhul |
| 200 mm (8") | Segasignaali, võimsuse, küpsed CMOS-sõlmed | ~700–800 | Tasakaalustatud kulude ja väljundi poolest |
| 300 mm (12") | Arenenud loogika, mälu ja suure mahuga tootmine | ~750–900 | Peamine standard tipptasemel räni CMOS-ile |
Pooljuhtplaatide valik rakendusteks
| Rakendusala | Eelistatud plaadimaterjal / struktuur |
|---|---|
| Üldine loogika ja protsessorid | Räni, 300 mm |
| Mobiilsed ja raadiosageduslikud kasutajaliidesed | GaAs, SOI, mõnikord räni |
| Võimsuse konverteerimine ja elektrisõidukite ajamid | SiC, epitaksiaalne räni |
| Optiline kommunikatsioon ja PIC-id | InP, räni footonika SOI-l |
| Analoog- ja segasignaal | Räni, SOI, epitaksiaalsed plaadid |
| Andurid ja MEMS | Räni (erineva diameetriga), spetsiaalsed virnad |
Kokkuvõte
Pooljuhtplaadid läbivad palju hoolikaid samme, alates puhastatud toorainest ja kristallikasvamisest kuni lõikamise, poleerimise, puhastamise ja lõplike kontrollideni. Kontrollitud suurus, paksus, orientatsioon ja pinnaviimistlus aitavad mustritel püsida teravad ja defektid madalad. Erinevad materjalid nagu räni, GaAs, SiC ja InP täidavad erinevaid rolle, samas kui tugev metroloogia, defektide kontroll, ladustamine ja taaskasutus hoiavad saagikuse ja töökindluse kõrgel.
Korduma kippuvad küsimused [KKK]
Mis on primaarne pooljuhtplaatis?
Prime-kiip on kvaliteetne kiil, millel on rangelt kontrollitud paksus, lamedus, karedus ja defektid, mida kasutatakse tegelikuks kiibi tootmiseks.
Mis on test- või näidiswafer?
Test- või libaplaat on madalama kvaliteediga kiil, mida kasutatakse tööriistade seadistamiseks, protsesside häälestamiseks ja saastumise jälgimiseks, mitte lõpptoodete jaoks.
Mis on SOI pooljuhtplaadid?
SOI kiht on räni kiht, millel on õhuke ränikiht isoleeriva kihi peal ja räni alus, mida kasutatakse isoleerimise parandamiseks ja parasiitefektide vähendamiseks.
Kuidas hoitakse ja liigutatakse pooljuhtplaadid tehases?
Plaadid hoitakse ja liigutatakse suletud kandurites või kapslites, mis kaitsevad neid osakeste ja kahjustuste eest, ning need podid dokitakse otse töötlemistööriistadele.
Mis on vahvli tagasivõte?
Plaadi taaskasutus on protsess, mille käigus eemaldatakse kile, töödeldakse pinda ümber ja kasutatakse plaatide uuesti katse- või jälgimisplaatidena, selle asemel et neid purustada.
Mitu protsessisammu läbib pooljuhtplaadid?
Pooljuhtkiip läbib tavaliselt mitusada kuni üle tuhande protsessietapi toorplaadist kuni valminud kiipideni.
