웨이퍼는 집적회로, 개별 반도체 장치, 전력 장치 생산을 위한 주요 원자재입니다. 집적 회로의 90% 이상이 고순도, 고품질 웨이퍼로 만들어집니다.
웨이퍼 준비 장비는 순수한 다결정 실리콘 재료를 특정 직경과 길이의 실리콘 단결정 막대 재료로 만든 다음 실리콘 단결정 막대 재료에 일련의 기계적 처리, 화학적 처리 및 기타 공정을 거치는 공정을 말합니다.
특정 기하학적 정확도 및 표면 품질 요구 사항을 충족하고 칩 제조에 필요한 실리콘 기판을 제공하는 실리콘 웨이퍼 또는 에피택셜 실리콘 웨이퍼를 제조하는 장비입니다.
직경이 200mm 미만인 실리콘 웨이퍼를 준비하는 일반적인 공정 흐름은 다음과 같습니다.
단결정 성장 → 절단 → 외경 압연 → 슬라이싱 → 모따기 → 연삭 → 에칭 → 게터링 → 연마 → 세정 → 에피택시 → 패키징 등
직경 300mm의 실리콘 웨이퍼를 준비하는 주요 공정 흐름은 다음과 같습니다.
단결정 성장 → 절단 → 외경 압연 → 슬라이싱 → 모따기 → 표면 연삭 → 에칭 → 모서리 연마 → 양면 연마 → 단면 연마 → 최종 세정 → 에피택시/어닐링 → 포장 등
1. 실리콘 소재
실리콘은 4개의 원자가 전자를 갖고 다른 원소와 함께 주기율표의 IVA족에 속하기 때문에 반도체 재료입니다.
실리콘의 원자가 전자 수는 좋은 전도체(1개의 원자가 전자)와 절연체(8개의 원자가 전자) 사이에 위치합니다.
순수한 실리콘은 자연에서 발견되지 않으며 제조에 사용할 만큼 순수하게 만들기 위해 추출 및 정제해야 합니다. 이는 일반적으로 실리카(산화규소 또는 SiO2) 및 기타 규산염에서 발견됩니다.
다른 형태의 SiO2에는 유리, 무색 결정, 석영, 마노 및 고양이 눈이 포함됩니다.
반도체로 사용된 최초의 재료는 1940년대와 1950년대 초반에 게르마늄이었지만, 빠르게 실리콘으로 대체되었습니다.
실리콘이 주요 반도체 재료로 선택된 이유는 다음과 같습니다.
실리콘 소재의 풍부함: 실리콘은 지구상에서 두 번째로 풍부한 원소로, 지각의 25%를 차지합니다.
실리콘 소재의 녹는점이 높을수록 공정 허용 오차가 더 넓어집니다.: 실리콘의 녹는점 1412°C는 게르마늄의 녹는점 937°C보다 훨씬 높습니다. 융점이 높을수록 실리콘은 고온 공정을 견딜 수 있습니다.
실리콘 소재는 작동 온도 범위가 더 넓습니다.;
산화규소(SiO2)의 자연 성장: SiO2는 고품질의 안정적인 전기절연재로, 외부 오염으로부터 실리콘을 보호하는 탁월한 화학적 장벽 역할을 합니다. 집적 회로에서 인접한 도체 사이의 누출을 방지하려면 전기적 안정성이 중요합니다. SiO2 물질의 안정적인 얇은 층을 성장시키는 능력은 고성능 MOS-FET(금속 산화물 반도체) 장치 제조의 기본입니다. SiO2는 실리콘과 유사한 기계적 특성을 갖고 있어 과도한 실리콘 웨이퍼 뒤틀림 없이 고온 처리가 가능합니다.
2.웨이퍼 준비
반도체 웨이퍼는 벌크 반도체 재료에서 절단됩니다. 이 반도체 물질은 수정 막대라고 불리며, 도핑되지 않은 다결정 물질의 큰 블록에서 성장합니다.
다결정 블록을 큰 단결정으로 변환하고 올바른 결정 방향과 적절한 양의 N형 또는 P형 도핑을 제공하는 것을 결정 성장이라고 합니다.
실리콘 웨이퍼 준비를 위한 단결정 실리콘 잉곳을 생산하는 가장 일반적인 기술은 Czochralski 방법과 구역 용융 방법입니다.
2.1 초크랄스키법과 초크랄스키 단결정로
Cz(초크랄스키) 방법으로도 알려진 초크랄스키(CZ) 방법은 용융된 반도체 등급 실리콘 액체를 올바른 결정 방향을 가진 고체 단결정 실리콘 잉곳으로 변환하고 N형 또는 P-형으로 도핑하는 공정을 의미합니다. 유형.
현재 단결정 실리콘의 85% 이상이 초크랄스키(Czochralski) 방법을 사용하여 성장되고 있습니다.
초크랄스키(Czochralski) 단결정로는 밀폐된 고진공 또는 희가스(또는 불활성 가스) 보호 환경에서 가열하여 고순도 폴리실리콘 소재를 액체로 녹인 후 재결정화하여 특정 외부 조건으로 단결정 실리콘 소재를 형성하는 공정 장비를 말합니다. 치수.
단결정 로의 작동 원리는 다결정 실리콘 재료가 액체 상태에서 단결정 실리콘 재료로 재결정되는 물리적 공정입니다.
CZ 단결정로는 노 본체, 기계적 전달 시스템, 가열 및 온도 제어 시스템, 가스 전달 시스템의 네 부분으로 나눌 수 있습니다.
로 본체는 로 공간, 종자 결정 축, 석영 도가니, 도핑 스푼, 종자 결정 커버 및 관찰 창을 포함합니다.
퍼니스 캐비티는 퍼니스의 온도가 고르게 분포되고 열을 잘 발산할 수 있도록 보장합니다. 종자 결정 샤프트는 종자 결정을 구동하여 위아래로 움직이고 회전하는 데 사용됩니다. 도핑해야 할 불순물을 도핑 스푼에 넣습니다.
종자결정 커버는 종자결정이 오염되는 것을 방지하기 위한 것입니다. 기계적 전달 시스템은 주로 종자 결정과 도가니의 움직임을 제어하는 데 사용됩니다.
실리콘 용액이 산화되지 않도록 하기 위해서는 로 내 진공도가 매우 높아야 하며, 일반적으로 5 Torr 미만이어야 하며, 추가되는 불활성 가스의 순도는 99.9999% 이상이어야 합니다.
원하는 결정 방향을 가진 단결정 실리콘 조각을 종자 결정으로 사용하여 실리콘 잉곳을 성장시키고, 성장된 실리콘 잉곳은 종자 결정의 복제물과 같습니다.
용융 실리콘과 단결정 실리콘 종자정 사이의 경계면의 조건을 정밀하게 제어해야 합니다. 이러한 조건은 실리콘의 얇은 층이 종자 결정의 구조를 정확하게 복제하고 결국 대형 단결정 실리콘 잉곳으로 성장할 수 있도록 보장합니다.
2.2 구역 용해 방법 및 구역 용해 단결정로
플로트 존 방법(FZ)은 산소 함량이 매우 낮은 단결정 실리콘 잉곳을 생산합니다. 플로트 존 방식은 1950년대에 개발되었으며 현재까지 가장 순수한 단결정 실리콘을 생산할 수 있습니다.
구역 용해 단결정로는 구역 용해의 원리를 사용하여 고진공 또는 희귀 석영 튜브 가스에서 다결정 막대 로 본체의 고온 좁은 폐쇄 영역을 통해 다결정 막대에 좁은 용융 영역을 생성하는 노를 말합니다. 보호 환경.
다결정봉이나 로 가열체를 이동시켜 용융부를 이동시켜 점차적으로 단결정봉으로 결정화시키는 공정설비입니다.
존멜팅법으로 단결정 봉을 제조하는 특징은 단결정 봉으로 결정화하는 과정에서 다결정 봉의 순도를 높일 수 있고, 봉 재료의 도핑 성장이 더욱 균일하다는 점이다.
단결정 용해로의 존 유형은 표면 장력에 의존하는 플로팅 존 용해 단결정로와 수평 존 용해 단결정로의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 실제 응용 분야에서 구역 용해 단결정로는 일반적으로 부동 구역 용해를 채택합니다.
존멜팅 단결정로는 도가니 없이 고순도, 저산소 단결정 실리콘을 제조할 수 있습니다. 주로 고저항(>20kΩ·cm) 단결정 실리콘 제조 및 존 용융 실리콘 정제에 사용됩니다. 이 제품은 주로 개별 전력 장치 제조에 사용됩니다.
존 용해 단결정로는 노 챔버, 상부 샤프트 및 하부 샤프트(기계 전달부), 수정 로드 척, 종자 수정 척, 가열 코일(고주파 발생기), 가스 포트(진공 포트, 가스 입구, 상부 가스 출구) 등
퍼니스 챔버 구조에는 냉각수 순환이 배열됩니다. 단결정로 상부 샤프트의 하단은 다결정 막대를 고정하는 데 사용되는 수정 막대 척입니다. 하부 샤프트의 상단은 종자 결정을 고정하는 데 사용되는 종자 결정 척입니다.
가열 코일에는 고주파 전원 공급 장치가 공급되고 하단부터 시작하여 다결정 막대에 좁은 용융 영역이 형성됩니다. 동시에 상부축과 하부축이 회전 및 하강하여 용융부가 단결정으로 결정화된다.
존멜팅 단결정로의 장점은 제조된 단결정의 순도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 로드 도핑 성장을 보다 균일하게 할 수 있고, 여러 공정을 통해 단결정 로드를 정제할 수 있다는 점이다.
구역 용해 단결정로의 단점은 공정 비용이 높고 제조된 단결정의 직경이 작다는 것입니다. 현재 제작 가능한 단결정의 최대 직경은 200mm이다.
단결정 용해로 설비의 전체 높이가 상대적으로 높고, 상하축의 스트로크가 상대적으로 길어서 더 긴 단결정 봉을 성장시킬 수 있습니다.
3. 웨이퍼 처리 및 장비
수정봉은 반도체 제조 요건에 맞는 실리콘 기판, 즉 웨이퍼를 형성하기 위해 일련의 공정을 거쳐야 한다. 기본적인 처리 과정은 다음과 같습니다.
텀블링, 절단, 슬라이싱, 웨이퍼 어닐링, 모따기, 연삭, 연마, 청소 및 포장 등
3.1 웨이퍼 어닐링
다결정 실리콘과 초크랄스키 실리콘을 제조하는 과정에서 단결정 실리콘에는 산소가 포함되어 있습니다. 특정 온도에서 단결정 실리콘의 산소는 전자를 기증하고 산소는 산소 기증자로 변환됩니다. 이러한 전자는 실리콘 웨이퍼의 불순물과 결합하여 실리콘 웨이퍼의 저항률에 영향을 미칩니다.
어닐링로: 수소 또는 아르곤 환경에서 로의 온도를 1000~1200°C로 높이는 로를 말합니다. 보온 및 냉각을 통해 연마된 실리콘 웨이퍼 표면 근처의 산소가 휘발되어 표면에서 제거되어 산소가 석출되어 층을 이루게 됩니다.
실리콘 웨이퍼 표면의 미세 결함을 용해시키고, 실리콘 웨이퍼 표면 부근의 불순물 양을 감소시키며, 결함을 감소시키며, 실리콘 웨이퍼 표면에 비교적 깨끗한 영역을 형성하는 공정 장비입니다.
어닐링로는 온도가 높기 때문에 고온로라고도 불립니다. 업계에서는 실리콘 웨이퍼 어닐링 공정을 게터링이라고도 부릅니다.
실리콘 웨이퍼 어닐링로는 다음과 같이 구분됩니다.
- 수평 어닐링로;
-수직 어닐링로;
-급속 소둔로.
수평 어닐링로와 수직 어닐링로의 주요 차이점은 반응 챔버의 배치 방향입니다.
수평 어닐링로의 반응 챔버는 수평 구조로 되어 있으며, 어닐링로의 반응 챔버에 실리콘 웨이퍼 배치를 동시에 로딩하여 어닐링을 수행할 수 있습니다. 어닐링 시간은 일반적으로 20~30분이지만 반응 챔버는 어닐링 공정에 필요한 온도에 도달하기 위해 더 긴 가열 시간이 필요합니다.
수직 어닐링로의 공정은 또한 어닐링 처리를 위해 어닐링로의 반응실에 실리콘 웨이퍼 배치를 동시에 로딩하는 방법을 채택합니다. 반응 챔버는 수직 구조 레이아웃을 갖고 있어 실리콘 웨이퍼를 석영 보트에 수평 상태로 배치할 수 있습니다.
동시에, 석영 보트는 반응 챔버 내에서 전체적으로 회전할 수 있기 때문에 반응 챔버의 어닐링 온도가 균일하고, 실리콘 웨이퍼 상의 온도 분포가 균일하여 어닐링 균일성이 우수한 특성을 갖는다. 그러나 수직소둔로의 공정비용은 수평소둔로에 비해 높다.
급속 어닐링로는 할로겐 텅스텐 램프를 사용하여 실리콘 웨이퍼를 직접 가열하므로 1~250°C/s의 넓은 범위에서 급속 가열 또는 냉각이 가능합니다. 가열 또는 냉각 속도는 기존 어닐링로보다 빠릅니다. 반응 챔버 온도를 1100°C 이상으로 가열하는 데 몇 초밖에 걸리지 않습니다.
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게시 시간: 2024년 8월 26일