plaquettes de 2 pouces (51 mm), 4 pouces (100 mm), 6 pouces (150 mm) et 8 pouces (200 mm)

Les plaquettes cultivées avec des matériaux autres que le silicium auront des épaisseurs différentes d’une plaquette de silicium de même diamètre. L’épaisseur de la plaquette est déterminée par la résistance mécanique du matériau utilisé; la plaquette doit être suffisamment épaisse pour supporter son propre poids sans se fissurer lors de la manipulation. Les épaisseurs tabulées se rapportent au moment où ce processus a été introduit et ne sont pas nécessairement correctes actuellement, par exemple le processus IBM BiCMOS7WL est sur 8 en plaquettes, mais celles-ci n’ont qu’une épaisseur de 200um. Le poids de la plaquette augmente avec son épaisseur et son diamètre.

Augmentations historiques de la taille de la plaquette

Une étape de fabrication d’une plaquette unitaire, telle qu’une étape de gravure, peut produire plus de puces proportionnelles à l’augmentation de la surface de la plaquette, tandis que le coût de l’étape de fabrication d’une plaquette unitaire augmente plus lentement que la surface de la plaquette. C’était la base de coût pour augmenter la taille des plaquettes. La conversion en plaquettes de 300 mm à partir de plaquettes de 200 mm a commencé sérieusement en 2000 et a réduit le prix par filière d’environ 30 à 40%. Les plaquettes de plus grand diamètre permettent plus de matrices par plaquette.

PhotovoltaicEdit

La taille de la plaquette M1 (156,75 mm) est en cours d’élimination progressive en Chine à partir de 2020. Un certain nombre de tailles non standard est apparu, de sorte que les efforts pour produire la norme M10 (182 mm) sont un effort continu. Comme le cousin des semi-conducteurs, la réduction des coûts est le principal moteur malgré le fait que les exigences de pureté sont complètement différentes.

Transition proposée de 450 mmmodifier

Il existe une résistance considérable à la transition de 450 mm malgré l’amélioration possible de la productivité, en raison de la crainte d’un retour sur investissement insuffisant. Il existe également des problèmes liés à une variation accrue des plaquettes entre matrices / bord à bord et à des défauts de bord supplémentaires. les plaquettes de 450 mm devraient coûter 4 fois plus cher que les plaquettes de 300 mm, et les coûts d’équipement devraient augmenter de 20 à 50%. Un équipement de fabrication de semi-conducteurs à coût plus élevé pour des plaquettes plus grandes augmente le coût des FAB de 450 mm (installations ou usines de fabrication de semi-conducteurs). Le lithographe Chris Mack a affirmé en 2012 que le prix global par filière pour les plaquettes de 450 mm ne serait réduit que de 10 à 20% par rapport aux plaquettes de 300 mm, car plus de 50% des coûts totaux de traitement des plaquettes sont liés à la lithographie. La conversion en plaquettes plus grandes de 450 mm réduirait le prix par matrice uniquement pour les opérations de processus telles que la gravure où le coût est lié au nombre de plaquettes, pas à la surface de la plaquette. Le coût de procédés tels que la lithographie est proportionnel à la surface de la plaquette, et de plus grandes plaquettes ne réduiraient pas la contribution de la lithographie au coût de la matrice. Nikon prévoyait de livrer des équipements de lithographie de 450 mm en 2015, avec une production en volume en 2017. En novembre 2013, ASML a suspendu le développement d’un équipement de lithographie de 450 mm, citant un calendrier incertain de la demande des fabricants de puces.

La timeline pour 450 mm n’a pas été fixée. En 2012, il était prévu que la production de 450 mm démarrerait en 2017, ce qui ne s’est jamais réalisé. Mark Durcan, alors PDG de Micron Technology, a déclaré en février 2014 qu’il s’attendait à ce que l’adoption du 450 mm soit retardée indéfiniment ou interrompue. « Je ne suis pas convaincu que le 450 mm arrivera un jour, mais, dans la mesure où c’est le cas, c’est un long chemin à parcourir dans le futur. Il n’y a pas beaucoup de nécessité pour Micron, au moins au cours des cinq prochaines années, de dépenser beaucoup d’argent en 450 mm. Il y a beaucoup d’investissements qui doivent se poursuivre dans la communauté des équipements pour que cela se produise. Et la valeur à la fin de la journée – pour que les clients achètent cet équipement – je pense que c’est douteux. »En mars 2014, Intel Corporation prévoyait un déploiement de 450 mm d’ici 2020 (d’ici la fin de cette décennie). Mark LaPedus de semiengineering.com a rapporté à la mi-2014 que les fabricants de puces avaient retardé l’adoption de 450 mm « dans un avenir prévisible. »Selon ce rapport, certains observateurs s’attendaient à 2018 à 2020, tandis que G. Dan Hutcheson, directeur général de VLSI Research, n’a pas vu les FAB de 450 mm entrer en production avant 2020 à 2025.

L’étape jusqu’à 300 mm a nécessité des changements majeurs, avec des usines entièrement automatisées utilisant des plaquettes de 300 mm par rapport à des usines à peine automatisées pour les plaquettes de 200 mm, en partie parce qu’un FOUP pour les plaquettes de 300 mm pèse environ 7,5 kilogrammes lorsqu’il est chargé avec 25 plaquettes de 300 mm où un SMIF pèse environ 4.8 kilogrammes lorsqu’il est chargé avec 25 plaquettes de 200 mm, nécessitant ainsi deux fois plus de force physique de la part des travailleurs de l’usine et augmentant la fatigue. les FOUPS de 300 mm ont des poignées afin qu’ils puissent toujours être déplacés à la main. les FOUPs de 450 mm pèsent 45 kilogrammes lorsqu’ils sont chargés avec 25 plaquettes de 450 mm, des grues sont donc nécessaires pour manipuler manuellement les FOUPs et les poignées ne sont plus présentes dans le FOUP. Les FOUPS sont déplacés à l’aide de systèmes de manutention de Muratec ou Daifuku. Ces investissements majeurs ont été entrepris dans le ralentissement économique qui a suivi la bulle internet, ce qui a entraîné une énorme résistance à la mise à niveau à 450 mm dans le délai initial. Sur la rampe – jusqu’à 450 mm, les lingots de cristal seront 3 fois plus lourds (poids total une tonne métrique) et prendront 2 à 4 fois plus de temps à refroidir, et le temps de traitement sera double. Au total, le développement de plaquettes de 450 mm nécessite une ingénierie, un temps et un coût importants à surmonter.

Estimation analytique du nombre de matrices

Afin de minimiser le coût par matrice, les fabricants souhaitent maximiser le nombre de matrices pouvant être fabriquées à partir d’une seule plaquette; les matrices ont toujours une forme carrée ou rectangulaire en raison de la contrainte du découpage en dés de la plaquette. En général, il s’agit d’un problème complexe sur le plan informatique sans solution analytique, dépendant à la fois de la surface des matrices ainsi que de leur rapport d’aspect (carré ou rectangulaire) et d’autres considérations telles que la largeur de la ligne de scribeline ou de la voie de scie, et de l’espace supplémentaire occupé par les structures d’alignement et d’essai. Notez que les formules brutes de DPW ne tiennent compte que de la surface de la plaquette perdue car elle ne peut pas être utilisée pour fabriquer des matrices physiquement complètes; les calculs bruts de DPW ne tiennent pas compte de la perte de rendement due à des défauts ou à des problèmes paramétriques.

Wafermap montrant des matrices entièrement à motifs et des matrices partiellement à motifs qui ne se trouvent pas entièrement dans la plaquette.

Néanmoins, le nombre de matrices brutes par plaquette (DPW) peut être estimé à partir de l’approximation du premier ordre ou du rapport de surface plaquette/matrice,

D P W = π π d 2 4 S { {\displaystyle DPW =\left\lfloor{\frac{\pi d^{2}}{4S}}\right\rfloor}

,

où d{\displaystyle d}

est le diamètre de la plaquette (généralement en mm) et S {\displaystyle S}

la taille de chaque matrice (mm2) y compris la largeur de la matrice scribeline (ou dans le cas d’une voie de scie, la saignée plus une tolérance). Cette formule indique simplement que le nombre de matrices pouvant s’insérer sur la plaquette ne peut dépasser la surface de la plaquette divisée par la surface de chaque matrice individuelle. Il surestimera toujours le vrai DPW brut dans le meilleur des cas, car il inclut la zone des matrices partiellement modelées qui ne se trouvent pas entièrement sur la surface de la plaquette (voir figure). Ces matrices partiellement modelées ne représentent pas des circuits intégrés complets, elles ne peuvent donc pas être vendues en tant que pièces fonctionnelles. Les raffinements de cette formule simple ajoutent typiquement une correction de bord, pour tenir compte des matrices partielles sur le bord, qui en général seront plus importantes lorsque la surface de la matrice est importante par rapport à la surface totale de la plaquette. Dans l’autre cas limite (matrices infiniment petites ou plaquettes infiniment grandes), la correction des bords est négligeable.

Le facteur de correction ou terme de correction prend généralement l’une des formes citées par De Vries:

D P W = π d 2 4 S − π d 2 S {\displaystyle DPW = {\frac {\displaystyle\pi d ^{2}}{4S}} – {\frac {\displaystyle\pi d}{\sqrt{2S}}}}

(rapport de surface – circonférence/(longueur diagonale du dé)) ou D P W =(π d 2 4 S) exp ⁡(−2 S/d) {\displaystyle DPW = \left({\frac {\displaystyle\pi d^{2}}{4S}} \right) \exp(-2 {\sqrt{S}}/d) }

(rapport de surface mis à l’échelle par un facteur exponentiel) ou D P W = π d 2 4 S (1− 2 S d) 2 {\displaystyle DPW = {\frac {\displaystyle\pi d ^{2}} {4S}} \ gauche (1-{\frac {\displaystyle 2 {\sqrt{S}}} {d}} \ droite) ^{2}}

(rapport de surface mis à l’échelle par un facteur polynomial).

Des études comparant ces formules analytiques à des résultats de calcul à force brute montrent que les formules peuvent être rendues plus précises, sur des plages pratiques de tailles de matrice et de rapports d’aspect, en ajustant les coefficients des corrections à des valeurs supérieures ou inférieures à l’unité, et en remplaçant la dimension linéaire de matrice S {\displaystyle {\sqrt{S}}}

par (H +W)/2 { \displaystyle(H + W) /2}

(longueur latérale moyenne) dans le cas de matrices à grand format: D P W = π d 2 4 S-0.58 ∗ π d S {\displaystyle DPW = {\frac {\displaystyle\pi d ^{2}} {4S}} -0,58 ^ {*} {\frac {\displaystyle\pi d}{\sqrt{S}}}}

ou D P W =(π d 2 4 S) exp ⁡(−2,32 ∗ S/d) {\displaystyle DPW = \left({\frac {\displaystyle\pi d ^{2}}{4S}} \right) \exp(-2,32^{*}{\sqrt{S}}/d) }

ou D P W = π d 2 4 S (1 – 1.16 ∗ S d) 2 {\displaystyle DPW = {\frac {\displaystyle\pi d ^{2}} {4S}} \ gauche (1-{\frac {\displaystyle 1.16^ {*} {\sqrt{S}}} {d}} \ droite) ^{2}}

.

Orientation cristalline

Structure cristalline cubique diamantée d’une cellule unitaire de silicium

div>

Les plats peuvent être utilisés pour désigner le dopage et l’orientation cristallographique. Le rouge représente le matériau qui a été retiré.

Les plaquettes sont cultivées à partir de cristaux ayant une structure cristalline régulière, avec du silicium ayant une structure cubique en diamant avec un espacement de réseau de 5,430710 Å (0,5430710 nm). Lorsqu’elle est découpée en plaquettes, la surface est alignée dans l’une de plusieurs directions relatives appelées orientations cristallines. L’orientation est définie par l’indice de Miller, les faces (100) ou (111) étant les plus courantes pour le silicium.L’orientation est importante car de nombreuses propriétés structurelles et électroniques d’un monocristal sont hautement anisotropes. Les profondeurs d’implantation ionique dépendent de l’orientation cristalline de la plaquette, car chaque direction offre des chemins de transport distincts.

Le clivage des plaquettes ne se produit généralement que dans quelques directions bien définies. Le marquage de la plaquette le long des plans de clivage permet de la découper facilement en puces individuelles (« matrices ») de sorte que les milliards d’éléments de circuit individuels sur une plaquette moyenne puissent être séparés en plusieurs circuits individuels.

Encoches d’orientation cristallographiquedit

Les plaquettes de moins de 200 mm de diamètre présentent des méplats découpés en un ou plusieurs côtés indiquant les plans cristallographiques de la plaquette (généralement une {110}face). Dans les plaquettes de génération précédente, une paire de méplats à différents angles transmettait en outre le type de dopage (voir l’illustration pour les conventions). Les plaquettes de 200 mm de diamètre et plus utilisent une seule petite encoche pour transmettre l’orientation de la plaquette, sans indication visuelle du type de dopage.

Dopage aux impuretés

Les plaquettes de silicium ne sont généralement pas du silicium pur à 100%, mais sont plutôt formées avec une concentration initiale de dopage aux impuretés comprise entre 1013 et 1016 atomes par cm3 de bore, de phosphore, d’arsenic ou d’antimoine qui est ajoutée à la masse fondue et définit la plaquette comme étant de type n en vrac ou de type p. Cependant, par rapport à la densité atomique du silicium monocristallin de 5× 1022 atomes par cm3, cela donne toujours une pureté supérieure à 99,9999%. Les plaquettes peuvent également être initialement munies d’une certaine concentration en oxygène interstitiel. La contamination par le carbone et les métaux est réduite au minimum. Les métaux de transition, en particulier, doivent être maintenus en dessous des concentrations de parties par milliard pour les applications électroniques.