ซิลิคอนเวเฟอร์

วัสดุซิลิคอนเป็นวัสดุแข็งที่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์และความเสถียรทางกายภาพ และให้การสนับสนุนซับสเตรตสำหรับกระบวนการผลิตวงจรรวมในภายหลัง เป็นวัสดุสำคัญสำหรับวงจรรวมที่ใช้ซิลิคอน อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์มากกว่า 95% และวงจรรวมมากกว่า 90% ในโลกผลิตจากซิลิคอนเวเฟอร์

ตามวิธีการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยวที่แตกต่างกัน ผลึกเดี่ยวของซิลิคอนแบ่งออกเป็นสองประเภท: Czochralski (CZ) และโซนลอยตัว (FZ) เวเฟอร์ซิลิคอนสามารถแบ่งคร่าวๆ ได้เป็น 3 ประเภท ได้แก่ เวเฟอร์ขัดเงา เวเฟอร์เอพิแทกเซียล และซิลิคอนออนฉนวน (ซอย)

เวเฟอร์ขัดเงาซิลิคอน

แผ่นเวเฟอร์ขัดเงาซิลิคอนหมายถึงกเวเฟอร์ซิลิคอนเกิดจากการขัดผิว เป็นเวเฟอร์ทรงกลมที่มีความหนาน้อยกว่า 1 มม. ซึ่งผ่านกระบวนการตัด บด ขัด ทำความสะอาด และกระบวนการอื่น ๆ ของแท่งคริสตัลเดี่ยว ส่วนใหญ่จะใช้ในวงจรรวมและอุปกรณ์แยกและครองตำแหน่งสำคัญในห่วงโซ่อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์

เมื่อองค์ประกอบกลุ่ม V เช่น ฟอสฟอรัส พลวง สารหนู ฯลฯ ถูกเจือลงในผลึกเดี่ยวของซิลิคอน วัสดุนำไฟฟ้าชนิด N จะถูกสร้างขึ้น เมื่อองค์ประกอบของกลุ่ม III เช่น โบรอนถูกเจือลงในซิลิคอน จะเกิดวัสดุนำไฟฟ้าประเภท P ความต้านทานของผลึกเดี่ยวซิลิกอนถูกกำหนดโดยปริมาณขององค์ประกอบยาสลบ ยิ่งปริมาณสารต้องห้ามมากขึ้น ความต้านทานก็จะยิ่งลดลง เวเฟอร์ขัดเงาซิลิกอนเจือเล็กน้อยโดยทั่วไปหมายถึงเวเฟอร์ขัดเงาซิลิกอนที่มีความต้านทานมากกว่า 0.1W·cm ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตวงจรรวมและหน่วยความจำขนาดใหญ่ เวเฟอร์ขัดเงาซิลิกอนที่มีการเจืออย่างหนักโดยทั่วไปหมายถึงเวเฟอร์ขัดเงาซิลิกอนที่มีความต้านทานน้อยกว่า 0.1W·cm ซึ่งโดยทั่วไปใช้เป็นวัสดุพื้นผิวสำหรับเวเฟอร์ซิลิกอน epitaxis และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตอุปกรณ์ไฟฟ้าเซมิคอนดักเตอร์

เวเฟอร์ขัดเงาซิลิคอนที่สร้างพื้นที่สะอาดบนพื้นผิวของเวเฟอร์ซิลิคอนหลังจากการอบอ่อนด้วยความร้อนเรียกว่าเวเฟอร์การอบอ่อนแบบซิลิคอน ที่ใช้กันทั่วไปคือเวเฟอร์การอบอ่อนด้วยไฮโดรเจนและเวเฟอร์การอบอ่อนด้วยอาร์กอน เวเฟอร์ซิลิคอน 300 มม. และเวเฟอร์ซิลิคอน 200 มม. บางตัวที่มีความต้องการสูงกว่าจำเป็นต้องใช้กระบวนการขัดสองด้าน ดังนั้นเทคโนโลยี gettering ภายนอกที่แนะนำศูนย์ gettering ผ่านด้านหลังของเวเฟอร์ซิลิคอนจึงเป็นเรื่องยากที่จะนำไปใช้ กระบวนการรับภายในที่ใช้กระบวนการหลอมเพื่อสร้างศูนย์รับภายในได้กลายเป็นกระบวนการรับกระแสหลักสำหรับเวเฟอร์ซิลิคอนขนาดใหญ่ เมื่อเปรียบเทียบกับเวเฟอร์ขัดเงาทั่วไป เวเฟอร์อบอ่อนสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์และเพิ่มผลผลิตได้ และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตวงจรรวมและชิปหน่วยความจำแบบดิจิทัลและแอนะล็อก

หลักการพื้นฐานของการเติบโตของผลึกเดี่ยวแบบละลายโซนคือการพึ่งพาแรงตึงผิวของการหลอมเหลวเพื่อระงับโซนหลอมเหลวระหว่างแท่งซิลิคอนโพลีคริสตัลไลน์และผลึกเดี่ยวที่เติบโตด้านล่าง และทำให้ผลึกเดี่ยวของซิลิคอนบริสุทธิ์และทำให้เติบโตโดยการย้ายโซนหลอมเหลวขึ้นด้านบน ผลึกเดี่ยวของซิลิคอนที่ละลายในโซนจะไม่ปนเปื้อนจากถ้วยใส่ตัวอย่างและมีความบริสุทธิ์สูง เหมาะสำหรับการผลิตผลึกเดี่ยวซิลิคอนชนิด N (รวมถึงผลึกเดี่ยวเจือการแปลงนิวตรอน) ที่มีความต้านทานสูงกว่า 200Ω·cm และผลึกเดี่ยวชนิด P ซิลิคอนที่มีความต้านทานสูง ผลึกเดี่ยวซิลิกอนละลายโซนส่วนใหญ่จะใช้ในการผลิตอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูงและกำลังสูง

เวเฟอร์ซิลิคอน epitaxis

เวเฟอร์ซิลิคอน epitaxisหมายถึงวัสดุที่ฟิล์มบางผลึกเดี่ยวของซิลิคอนตั้งแต่หนึ่งชั้นขึ้นไปถูกปลูกโดยการสะสมของอีพิแทกเซียลเฟสไอบนพื้นผิว และส่วนใหญ่จะใช้ในการผลิตวงจรรวมและอุปกรณ์แยกต่างๆ

ในกระบวนการวงจรรวม CMOS ขั้นสูง เพื่อปรับปรุงความสมบูรณ์ของชั้นเกตออกไซด์ ปรับปรุงการรั่วไหลในช่อง และเพิ่มความน่าเชื่อถือของวงจรรวม มักใช้เวเฟอร์ซิลิคอน epitaxis นั่นคือชั้นของฟิล์มบางซิลิคอนคือ epitaxis ที่เป็นเนื้อเดียวกันที่ปลูกบนเวเฟอร์ขัดเงาซิลิกอนเจือเล็กน้อย ซึ่งสามารถหลีกเลี่ยงข้อบกพร่องของปริมาณออกซิเจนสูงและข้อบกพร่องมากมายบนพื้นผิวของเวเฟอร์ขัดเงาซิลิกอนทั่วไป ในขณะที่เวเฟอร์ซิลิคอน epitaxial ที่ใช้สำหรับวงจรรวมกำลังและอุปกรณ์แยกชั้น ชั้นของชั้น epitaxis ที่มีความต้านทานสูงมักจะเป็น epitaxis ที่ปลูกบนพื้นผิวซิลิกอนที่มีความต้านทานต่ำ (เวเฟอร์ขัดเงาด้วยซิลิคอนเจือปนหนัก) ในสภาพแวดล้อมการใช้งานที่มีกำลังสูงและไฟฟ้าแรงสูง ความต้านทานต่ำของซับสเตรตซิลิกอนสามารถลดความต้านทานออนได้ และชั้น epitaxis ที่มีความต้านทานสูงสามารถเพิ่มแรงดันพังทลายของอุปกรณ์ได้

ซอยเวเฟอร์ซิลิคอน

ซอย (ซิลิคอนออนฉนวน)เป็นซิลิคอนที่อยู่บนชั้นฉนวน เป็นโครงสร้าง "แซนวิช" ที่มีชั้นซิลิคอนด้านบน (Top Silicon) ชั้นกลางที่ฝังซิลิคอนไดออกไซด์ (BOX) และส่วนรองรับซับสเตรตซิลิกอน (Handle) ด้านล่าง ในฐานะวัสดุซับสเตรตใหม่สำหรับการผลิตวงจรรวม ข้อได้เปรียบหลักของซอยก็คือสามารถเป็นฉนวนไฟฟ้าได้สูงผ่านชั้นออกไซด์ ซึ่งจะลดความจุของปรสิตและการรั่วไหลของเวเฟอร์ซิลิคอนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งเอื้อต่อการผลิตแผ่นเวเฟอร์ที่มีความแข็งแรงสูง ความเร็ว พลังงานต่ำ การบูรณาการสูง และความน่าเชื่อถือสูง วงจรรวมขนาดใหญ่พิเศษ และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูง อุปกรณ์ออปติคอลพาสซีฟ MEMS และสาขาอื่นๆ ปัจจุบันเทคโนโลยีการเตรียมวัสดุในซอยส่วนใหญ่ประกอบด้วยเทคโนโลยีการยึดเกาะ (BESOI) เทคโนโลยีการปอกอัจฉริยะ (Smart-Cut) เทคโนโลยีการฝังไอออนออกซิเจน (SIMOX) เทคโนโลยีการเชื่อมพันธะด้วยการฉีดออกซิเจน (Simbond) เป็นต้น เทคโนโลยีกระแสหลักที่สุดคือเทคโนโลยีอัจฉริยะ เทคโนโลยีการปอก

ซอยเวเฟอร์ซิลิคอนสามารถแบ่งเพิ่มเติมได้เป็นเวเฟอร์ซิลิคอน SOI แบบฟิล์มบาง และเวเฟอร์ซิลิคอน SOI แบบฟิล์มหนา ความหนาของซิลิคอนด้านบนของฟิล์มบางซอยเวเฟอร์ซิลิคอนน้อยกว่า 1um ปัจจุบัน 95% ของตลาดเวเฟอร์ซิลิคอน SOI แบบฟิล์มบางกระจุกตัวอยู่ที่ขนาด 200 มม. และ 300 มม. และแรงผลักดันของตลาดส่วนใหญ่มาจากผลิตภัณฑ์ความเร็วสูงและใช้พลังงานต่ำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานไมโครโปรเซสเซอร์ ตัวอย่างเช่น ในกระบวนการขั้นสูงที่ต่ำกว่า 28 นาโนเมตร ซิลิคอนบนฉนวน (FD-SOI) ที่หมดลงอย่างสมบูรณ์มีข้อดีด้านประสิทธิภาพที่ชัดเจน นั่นคือ การใช้พลังงานต่ำ การป้องกันรังสี และการทนต่ออุณหภูมิสูง ในขณะเดียวกัน การใช้โซลูชัน SOI สามารถลดขั้นตอนการผลิตได้อย่างมาก ความหนาของซิลิคอนด้านบนของเวเฟอร์ซิลิคอน SOI แบบฟิล์มหนามีค่ามากกว่า 1um และความหนาของชั้นที่ฝังอยู่คือ 0.5-4um ส่วนใหญ่จะใช้ในอุปกรณ์ไฟฟ้าและสาขา MEMS โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการควบคุมทางอุตสาหกรรม อิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์ การสื่อสารไร้สาย ฯลฯ และมักจะใช้ผลิตภัณฑ์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 150 มม. และ 200 มม.