2024-07-19
Το υλικό πυριτίου είναι ένα στερεό υλικό με ορισμένες ηλεκτρικές ιδιότητες ημιαγωγών και φυσική σταθερότητα και παρέχει υποστήριξη υποστρώματος για την επακόλουθη διαδικασία κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Είναι βασικό υλικό για ολοκληρωμένα κυκλώματα με βάση το πυρίτιο. Πάνω από το 95% των συσκευών ημιαγωγών και περισσότερο από το 90% των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων στον κόσμο κατασκευάζονται σε γκοφρέτες πυριτίου.
Σύμφωνα με τις διαφορετικές μεθόδους ανάπτυξης μονοκρυστάλλων, οι μονοκρυστάλλοι πυριτίου χωρίζονται σε δύο τύπους: Czochralski (CZ) και αιωρούμενη ζώνη (FZ). Οι γκοφρέτες πυριτίου μπορούν να χωριστούν χονδρικά σε τρεις κατηγορίες: γυαλισμένες γκοφρέτες, επιταξιακές γκοφρέτες και μονωτήρες πυριτίου (SOI).
Γκοφρέτα γυαλίσματος σιλικόνης
Η γκοφρέτα στίλβωσης πυριτίου αναφέρεται σε αγκοφρέτα πυριτίουσχηματίζεται με γυάλισμα της επιφάνειας. Είναι μια στρογγυλή γκοφρέτα με πάχος μικρότερο από 1mm που επεξεργάζεται με κοπή, λείανση, στίλβωση, καθαρισμό και άλλες διαδικασίες μιας μονοκρυσταλλικής ράβδου. Χρησιμοποιείται κυρίως σε ολοκληρωμένα κυκλώματα και διακριτές συσκευές και κατέχει σημαντική θέση στην αλυσίδα της βιομηχανίας ημιαγωγών.
Όταν τα στοιχεία της ομάδας V όπως ο φώσφορος, το αντιμόνιο, το αρσενικό κ.λπ. προστίθενται σε μονοκρυστάλλους πυριτίου, θα σχηματιστούν αγώγιμα υλικά τύπου Ν. Όταν στοιχεία της ομάδας III όπως το βόριο προστίθενται σε πυρίτιο, θα σχηματιστούν αγώγιμα υλικά τύπου Ρ. Η ειδική αντίσταση των μονοκρυστάλλων πυριτίου καθορίζεται από την ποσότητα των στοιχείων ντόπινγκ που έχουν προστεθεί. Όσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα ντόπινγκ, τόσο μικρότερη είναι η ειδική αντίσταση. Οι γκοφρέτες στίλβωσης με ελαφρύ ντοπαρισμένο πυρίτιο αναφέρονται γενικά σε γκοφρέτες στίλβωσης πυριτίου με ειδική ειδική αντίσταση μεγαλύτερη από 0,1 W·cm, οι οποίες χρησιμοποιούνται ευρέως στην κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και μνήμης μεγάλης κλίμακας. Οι γκοφρέτες γυαλίσματος πυριτίου με μεγάλη πρόσμειξη γενικά αναφέρονται σε γκοφρέτες στίλβωσης πυριτίου με ειδική ειδική αντίσταση μικρότερη από 0,1 W·cm, οι οποίες χρησιμοποιούνται γενικά ως υλικά υποστρώματος για επιταξιακές γκοφρέτες πυριτίου και χρησιμοποιούνται ευρέως στην κατασκευή συσκευών ισχύος ημιαγωγών.
Γκοφρέτες γυαλίσματος σιλικόνηςπου σχηματίζουν μια καθαρή περιοχή στην επιφάνεια τουγκοφρέτες πυριτίουμετά τη θερμική επεξεργασία ανόπτησης ονομάζονται γκοφρέτες ανόπτησης πυριτίου. Αυτά που χρησιμοποιούνται συνήθως είναι οι γκοφρέτες ανόπτησης υδρογόνου και οι γκοφρέτες ανόπτησης αργού. Οι γκοφρέτες πυριτίου 300 mm και μερικές γκοφρέτες σιλικόνης 200 mm με υψηλότερες απαιτήσεις απαιτούν τη χρήση διαδικασίας γυαλίσματος διπλής όψης. Επομένως, η τεχνολογία εξωτερικής λήψης που εισάγει το κέντρο λήψης μέσω του πίσω μέρους της πλακέτας πυριτίου είναι δύσκολο να εφαρμοστεί. Η διαδικασία εσωτερικής λήψης που χρησιμοποιεί τη διαδικασία ανόπτησης για να σχηματίσει το εσωτερικό κέντρο λήψης έχει γίνει η κύρια διαδικασία λήψης για γκοφρέτες πυριτίου μεγάλου μεγέθους. Σε σύγκριση με γενικά γυαλισμένες γκοφρέτες, οι γκοφρέτες με ανόπτηση μπορούν να βελτιώσουν την απόδοση της συσκευής και να αυξήσουν την απόδοση και χρησιμοποιούνται ευρέως στην κατασκευή ψηφιακών και αναλογικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και τσιπ μνήμης.
Η βασική αρχή της ανάπτυξης μονοκρυστάλλου τήξης ζώνης είναι να βασίζεται στην επιφανειακή τάση του τήγματος για να αιωρείται η τετηγμένη ζώνη μεταξύ της ράβδου πολυκρυσταλλικού πυριτίου και του απλού κρυστάλλου που αναπτύσσεται από κάτω, και να καθαρίζει και να αναπτύσσει μονοκρυστάλλους πυριτίου μετακινώντας τη λιωμένη ζώνη προς τα πάνω. Οι μονοκρύσταλλοι πυριτίου τήξης ζώνης δεν μολύνονται από χωνευτήρια και έχουν υψηλή καθαρότητα. Είναι κατάλληλα για την παραγωγή μονοκρυστάλλων πυριτίου τύπου Ν (συμπεριλαμβανομένων μονοκρυστάλλων με πρόσμιξη μεταστοιχείωσης νετρονίων) με ειδική αντίσταση μεγαλύτερη από 200Ω·cm και μονοκρυστάλλων πυριτίου τύπου P υψηλής αντοχής. Οι μονοκρυστάλλοι πυριτίου τήξης ζώνης χρησιμοποιούνται κυρίως στην κατασκευή συσκευών υψηλής τάσης και υψηλής ισχύος.
Επιταξιακή γκοφρέτα πυριτίουαναφέρεται σε ένα υλικό στο οποίο ένα ή περισσότερα στρώματα λεπτής μεμβράνης μονοκρυστάλλου πυριτίου αναπτύσσονται με επιταξιακή εναπόθεση σε φάση ατμού σε ένα υπόστρωμα και χρησιμοποιείται κυρίως για την κατασκευή διαφόρων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και διακριτών συσκευών.
Σε προηγμένες διεργασίες ολοκληρωμένων κυκλωμάτων CMOS, προκειμένου να βελτιωθεί η ακεραιότητα του στρώματος οξειδίου πύλης, να βελτιωθεί η διαρροή στο κανάλι και να ενισχυθεί η αξιοπιστία των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, χρησιμοποιούνται συχνά επιταξιακές γκοφρέτες πυριτίου, δηλαδή ένα στρώμα λεπτής μεμβράνης πυριτίου ομοιογενώς επιταξιακό που αναπτύσσεται σε γκοφρέτα γυαλισμένη με ελαφρά ντόπινγκ σιλικόνης, η οποία μπορεί να αποφύγει τις ατέλειες της υψηλής περιεκτικότητας σε οξυγόνο και πολλά ελαττώματα στην επιφάνεια των γενικών γκοφρετών με γυαλισμένο πυρίτιο. ενώ για επιταξιακές γκοφρέτες πυριτίου που χρησιμοποιούνται για ολοκληρωμένα κυκλώματα ισχύος και διακριτές συσκευές, ένα στρώμα επιταξιακής στρώσης υψηλής ειδικής αντίστασης αναπτύσσεται συνήθως επιταξιακά σε ένα υπόστρωμα πυριτίου χαμηλής ειδικής αντίστασης (βαριά ντοπαρισμένη γυαλισμένη γκοφρέτα πυριτίου). Σε περιβάλλοντα εφαρμογής υψηλής ισχύος και υψηλής τάσης, η χαμηλή ειδική αντίσταση του υποστρώματος πυριτίου μπορεί να μειώσει την αντίσταση και το επιταξιακό στρώμα υψηλής αντίστασης μπορεί να αυξήσει την τάση διάσπασης της συσκευής.
SOI (Silicon-On-Insulator)είναι πυρίτιο σε μονωτικό στρώμα. Είναι μια δομή "σάντουιτς" με επάνω στρώμα πυριτίου (Top Silicon), μεσαίο στρώμα θαμμένου διοξειδίου του πυριτίου (BOX) και υποστήριξη υποστρώματος πυριτίου (Handle) από κάτω. Ως νέο υλικό υποστρώματος για την κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, το κύριο πλεονέκτημα του SOI είναι ότι μπορεί να επιτύχει υψηλή ηλεκτρική μόνωση μέσω του στρώματος οξειδίου, το οποίο θα μειώσει αποτελεσματικά την παρασιτική χωρητικότητα και τη διαρροή των πλακών πυριτίου, η οποία ευνοεί την παραγωγή υψηλής ολοκληρωμένα κυκλώματα ταχύτητας, χαμηλής ισχύος, υψηλής ολοκλήρωσης και υψηλής αξιοπιστίας εξαιρετικά μεγάλης κλίμακας και χρησιμοποιείται ευρέως σε συσκευές υψηλής τάσης, οπτικές παθητικές συσκευές, MEMS και άλλα πεδία. Προς το παρόν, η τεχνολογία προετοιμασίας των υλικών SOI περιλαμβάνει κυρίως την τεχνολογία συγκόλλησης (BESOI), την τεχνολογία έξυπνης απογύμνωσης (Smart-Cut), την τεχνολογία εμφύτευσης ιόντων οξυγόνου (SIMOX), την τεχνολογία συγκόλλησης έγχυσης οξυγόνου (Simbond) κ.λπ. Η πιο κύρια τεχνολογία είναι η έξυπνη τεχνολογία απογύμνωσης.
Γκοφρέτες πυριτίου SOIμπορούν περαιτέρω να χωριστούν σε γκοφρέτες πυριτίου SOI λεπτής μεμβράνης και γκοφρέτες πυριτίου SOI παχιάς μεμβράνης. Το πάχος του κορυφαίου πυριτίου της λεπτής μεμβράνηςΓκοφρέτες πυριτίου SOIείναι λιγότερο από 1μ. Επί του παρόντος, το 95% της αγοράς γκοφρετών πυριτίου SOI λεπτής μεμβράνης συγκεντρώνεται σε μεγέθη 200 mm και 300 mm και η κινητήρια δύναμη της αγοράς προέρχεται κυρίως από προϊόντα υψηλής ταχύτητας και χαμηλής κατανάλωσης, ειδικά σε εφαρμογές μικροεπεξεργαστών. Για παράδειγμα, σε προηγμένες διεργασίες κάτω των 28 nm, το πλήρως εξαντλημένο πυρίτιο σε μονωτή (FD-SOI) έχει προφανή πλεονεκτήματα απόδοσης, όπως χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, προστασία από την ακτινοβολία και αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία. Ταυτόχρονα, η χρήση λύσεων SOI μπορεί να μειώσει σημαντικά τη διαδικασία παραγωγής. Το ανώτερο πάχος πυριτίου των πλακών πυριτίου SOI με παχύ φιλμ είναι μεγαλύτερο από 1um και το πάχος θαμμένου στρώματος είναι 0,5-4um. Χρησιμοποιείται κυρίως σε συσκευές ισχύος και πεδία MEMS, ειδικά σε βιομηχανικό έλεγχο, ηλεκτρονικά αυτοκινήτων, ασύρματες επικοινωνίες κ.λπ., και συνήθως χρησιμοποιεί προϊόντα διαμέτρου 150mm και 200mm.