Waferherstellung

Mit fortschreitender Technologie steigt die Nachfrage nachWaffelnsteigt weiter. Derzeit sind die gängigen Größen von Siliziumwafern auf dem heimischen Markt 100 mm, 150 mm und 200 mm. Vergrößerung des SiliziumdurchmessersWaffelnkönnen die Herstellungskosten jedes Chips senken, was zu einer wachsenden Nachfrage nach 300-mm-Siliziumwafern führt. Größere Durchmesser stellen jedoch auch strengere Anforderungen an Schlüsselparameter wie die Ebenheit der Waferoberfläche, die Kontrolle von Spurenverunreinigungen, interne Defekte und den Sauerstoffgehalt. Folglich ist die Waferherstellung zu einem Hauptschwerpunkt der Forschung in der Chipproduktion geworden.

Bevor man sich mit der Waferherstellung beschäftigt, ist es wichtig, die zugrunde liegende Kristallstruktur zu verstehen.

Der Unterschied in der inneren atomaren Organisation von Materialien ist ein entscheidender Faktor bei deren Unterscheidung. Bei kristallinen Materialien wie Silizium und Germanium sind die Atome in einer festen periodischen Struktur angeordnet, während bei nichtkristallinen Materialien wie Kunststoffen diese geordnete Anordnung fehlt. Silizium hat sich aufgrund seiner einzigartigen Struktur, seiner günstigen chemischen Eigenschaften, seines natürlichen Vorkommens und anderer Vorteile als Hauptmaterial für Wafer herausgestellt.

Kristalline Materialien besitzen zwei Ebenen atomarer Organisation. Die erste Ebene ist die Struktur einzelner Atome, die eine Elementarzelle bilden, die sich im gesamten Kristall periodisch wiederholt. Die zweite Ebene bezieht sich auf die Gesamtanordnung dieser Elementarzellen, die sogenannte Gitterstruktur, bei der Atome bestimmte Positionen innerhalb des Gitters einnehmen. Die Anzahl der Atome in der Elementarzelle, ihre relative Position und die Bindungsenergie zwischen ihnen bestimmen die verschiedenen Eigenschaften des Materials. Die Siliziumkristallstruktur wird als Diamantstruktur kategorisiert und besteht aus zwei Sätzen flächenzentrierter kubischer Gitter, die entlang der Diagonale um ein Viertel der Diagonalenlänge versetzt sind.

Die Eigenschaften von Periodizität und Symmetrie in Kristallen erfordern eine einfachere Methode zur Beschreibung der Positionen von Atomen anstelle der Verwendung eines universellen dreidimensionalen rechtwinkligen Koordinatensystems. Um die Atomverteilung in einem Kristall anhand seiner Gitterperiodizität besser zu beschreiben, wählen wir eine Elementarzelle nach drei Leitprinzipien aus. Diese Elementarzelle spiegelt effektiv die Periodizität und Symmetrie des Kristalls wider und dient als kleinste wiederkehrende Einheit. Sobald die Atomkoordinaten innerhalb der Elementarzelle bestimmt sind, können wir leicht auf die relativen Positionen der Partikel im gesamten Kristall schließen. Indem wir ein Koordinatensystem basierend auf den drei Kantenvektoren der Elementarzelle erstellen, können wir den Prozess der Beschreibung der Kristallstruktur erheblich vereinfachen.

Eine Kristallebene ist definiert als eine flache Oberfläche, die durch die Anordnung von Atomen, Ionen oder Molekülen innerhalb eines Kristalls gebildet wird. Umgekehrt bezieht sich eine Kristallrichtung auf eine bestimmte Ausrichtung dieser Atomanordnungen.

Kristallebenen werden durch Miller-Indizes dargestellt. Typischerweise bezeichnen Klammern () Kristallebenen, eckige Klammern [] Kristallrichtungen, spitze Klammern <> Familien von Kristallrichtungen und geschweifte Klammern {} Familien von Kristallebenen. In der Halbleiterfertigung sind die am häufigsten verwendeten Kristallebenen für Siliziumwafer (100), (110) und (111). Jede Kristallebene verfügt über einzigartige Eigenschaften, wodurch sie für unterschiedliche Produktionsprozesse geeignet sind.

Beispielsweise werden (100)-Kristallebenen aufgrund ihrer günstigen Oberflächeneigenschaften, die die Kontrolle über die Schwellenspannung erleichtern, vorwiegend bei der Herstellung von MOS-Bauelementen verwendet. Darüber hinaus sind Wafer mit (100)-Kristallebenen bei der Verarbeitung einfacher zu handhaben und haben relativ flache Oberflächen, was sie ideal für die Herstellung großformatiger integrierter Schaltkreise macht. Im Gegensatz dazu werden in bipolaren Bauelementen häufig (111)-Kristallebenen verwendet, die eine höhere Atomdichte und geringere Wachstumskosten aufweisen. Diese Ebenen können durch sorgfältige Steuerung der Kristallrichtung während des Wachstumsprozesses durch Auswahl der geeigneten Richtung des Impfkristalls erreicht werden.

Die (100)-Kristallebene verläuft parallel zur Y-Z-Achse und schneidet die X-Achse an dem Punkt, an dem der Einheitswert 1 ist. Die (110)-Kristallebene schneidet sowohl die alle drei Achsen: X, Y und Z.

Aus struktureller Sicht bildet die (100)-Kristallebene eine quadratische Form, während die (111)-Kristallebene eine dreieckige Form annimmt. Aufgrund der Strukturunterschiede zwischen verschiedenen Kristallebenen unterscheidet sich auch die Art und Weise, wie ein Wafer bricht. Wafer, die entlang <100> ausgerichtet sind, neigen dazu, in quadratische Formen zu zerbrechen oder Brüche im rechten Winkel (90°) zu erzeugen, während Wafer, die entlang <111> ausgerichtet sind, in dreieckige Fragmente zerbrechen.

Angesichts der einzigartigen chemischen, elektrischen und physikalischen Eigenschaften, die mit den inneren Strukturen von Kristallen verbunden sind, hat die spezifische Kristallausrichtung eines Wafers erheblichen Einfluss auf seine Gesamtleistung. Daher ist es wichtig, die Kristallorientierung während des Herstellungsprozesses streng zu kontrollieren.

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