ウェーハ(エレクトロニクス)

標準ウェーハサイズ編集

SiliconEdit

シリコンウェーハは、25.4mm(1インチ)から300mm(11.8インチ)までの様々な直径で利用 口語的にfabsとして知られている半導体の製作の植物は作り出すために用具を使われるウエファーの直径によって定義される。 直径は徐々に増加し、スループットを向上させ、コストを削減するために、現在の最先端のfabでは300mmを使用し、450mmを採用することを提案しています。 インテル、TSMC、サムスンは、450mm”プロトタイプ”(研究)fabの出現に向けて別々に研究を行っていたが、深刻なハードルは残っている。2インチ(51mm)、4インチ(100mm)、6インチ(150mm)、および8インチ(200mm)のウェハ

ウェハサイズ 典型的な厚さ 年導入 ウェハ当たりの重量 100mm2(10mm)ウェハ当たりダイ 1インチ(25mm)

1960 2インチ(51mm) 275µ m 1969 3インチ(76mm) 375µ m 375µ m 375µ m 375µ m 375µ m 375µ m 375µ m 375µ m 375µ m 375µ m 375µ m 375µ m μm 1972 4-inch (100 mm) 525 μm 1976 10 grams 56 4.9 inch (125 mm) 625 μm 1981 150 mm (5.9 inch, usually referred to as “6 inch”) 675 μm 1983 200 mm (7.9 inch, usually referred to as “8 inch”) 725 μm. 1992 53 grams 269 300 mm (11.8インチ、通常は”12インチ”と呼ばれます) 775μ m 2002 125グラム 640 450mm(17.7インチ)(提案) 925μ m 342グラム 1490 1490 1490 1490 1490 1490 1490 1490 1490 1490 1490 1490 1490 675ミリメートル(26.6インチ)(理論上) 不明。 –

シリコン以外の材料を使用して成長したウェーハは、同じ直径のシリコンウェーハとは厚さが異なります。 ウェーハの厚さは、使用される材料の機械的強度によって決定されます; ウェーハは、取り扱い中に割れずに自重を支えるのに十分な厚さでなければなりません。 表に示されている厚さは、そのプロセスが導入されたときに関連しており、現在は必ずしも正しいとは限りません。 ウェーハの重量は、その厚さと直径とともに上がります。

ウェハサイズの歴史的な増加edit

エッチングステップなどの単位ウェハ製造ステップは、ウェハ面積の増加に比例したより多くのチップを生成することができますが、単位製造ステップのコストはウェハ面積よりもゆっくりと上昇します。 これはウエハサイズを増やすためのコストベースでした。 2000年から200mmウェーハから300mmウェーハへの変換が本格化し、金型あたりの価格を約30-40%引き下げました。 より大口径のウエファーはウエファーごとのより多くを死にます可能にします。

PhotovoltaicEdit

このセクションには拡張が必要です。 あなたはそれに追加することで助けることができます。 M1ウエハサイズ(156.75mm)は、2020年現在、中国で段階的に廃止されています。 いくつかの標準外サイズは起こった、従ってM10標準(182のmm)を作り出すための努力は進行中の努力である。 半導体のいとこのように、純度の条件が完全に異なっているにもかかわらず費用の運転は主要な運転者である。

提案された450mm transitionEdit

投資収益率が不十分であることが懸念されているため、生産性の向上が可能であるにもかかわらず、450mm transitionedにはかなりの抵抗 また、ダイ間/エッジ間ウェハ変動の増加やエッジ欠陥の追加に関連する問題もあります。 450mmウェーハは4倍の300mmウェーハの費用がかかると予想され、設備コストは20-50%上昇すると予想されます。 より大きいウエファーのためのより高い費用の半導体の製作装置は450のmm fabs(半導体の製作設備か工場)の費用を増加する。 リソグラファーのクリス-マックは、2012年に、450mmウェーハのダイあたりの全体的な価格は、ウェーハ全体の処理コストの50%以上がリソグラフィ関連であるため、10-20% より大きな450mmウェーハに変換すると、コストがウェーハ面積ではなくウェーハ数に関連するエッチングなどのプロセス操作の場合にのみ、ダイ当たりの価 リソグラフィーのようなプロセスのコストはウエハ面積に比例し,ウエハを大きくするとダイコストに対するリソグラフィーの寄与は減少しない。 ニコンは2015年に450mmリソグラフィ装置を納入し、2017年に量産を予定しています。 2013年、ASMLはチップメーカーの需要のタイミングが不確実であることを理由に、450mmリソグラフィ装置の開発を一時停止した。450mmのタイムラインは修正されていません。

2012年には450mmの生産が2017年に開始されると予想されていたが、実現しなかった。 当時のMicron TechnologyのCEOであるMark Durcanは、2014年2月に、450mmの採用が無期限に延期されるか中止されると予想していると述べた。 “私は450mmがこれまでに起こるとは確信していませんが、それが起こる限り、それは将来的には長い道のりです。 少なくとも今後5年間、Micronが450mmに多くのお金を費やす必要はあまりありません。それを実現するためには、機器のコミュニティに多くの投資が必要です。 そして、一日の終わりに価値–顧客がその機器を購入するように–私は怪しげだと思います。「2014年3月の時点で、Intel Corporationは2020年までに450mmの展開を予想していました(この10年の終わりまでに)。 マーク-ラペドゥスのセミエンジニアリングcomは2014年半ばに、チップメーカーが近い将来に450mmの採用を遅らせていたと報告した。「この報告書によると、一部のオブザーバーは2018年から2020年を予想していましたが、VLSI Researchの最高経営責任者であるG.Dan Hutchesonは、450mm fabsが2020年から2025年まで生産に移行するのを見ていませんでした。

300mmへのステップアップには大きな変更が必要で、300mmウェーハを使用する完全自動工場と、200mmウェーハのためのほとんど自動化された工場がありました。300mmウェーハのFOUPは約7.5キログラムで、25個の300mmウェーハを搭載した場合、SMIFの重さは約4キログラムであったこともあります。このように工場労働者からの物理的強度の倍の量を必要とし、疲労を増加させる、25 200ミリメートルウエハーを搭載したときに8キロ。 300mmのFOUPsにまだ手で動かすある場合もあるようにハンドルがあります。 450mmのFOUPsは25の450のmmのウエファーと荷を積まれたとき45キログラムの重量を量る、従ってクレーンは手動でFOUPsを扱って必要であり、ハンドルはFOUPにもはや FOUPsはmuratecまたはDaifukuからの物品取扱いシステムを使用して動き回る。 これらの主要な投資は、ドットコムバブルに続く景気後退の中で行われ、元の時間枠までに450mmへのアップグレードに大きな抵抗をもたらしました。 ランプアップ450mmでは、結晶インゴットは3倍重く(総重量はメートルトン)、冷却に2-4倍長くかかり、プロセス時間は倍になります。 450mmウェーハの開発には、克服するために多大なエンジニアリング、時間、コストが必要です。

分析ダイ数推定編集

ダイ当たりのコストを最小限に抑えるために、メーカーは単一のウェーハから作ることができるダイの数を最大化したい。 一般的に、これは解析解がない計算上複雑な問題であり、ダイの面積とアスペクト比(正方形または長方形)、およびスクリブラインまたは鋸レーンの幅、アラインメントおよびテスト構造によって占有される追加のスペースの両方に依存します。 グロスDPW計算式は、物理的に完全なダイを作るために使用することができないため、失われたウェハ面積のみを考慮することに注意してください。

完全にパターン化されたダイと、ウェハ内に完全に存在しない部分的にパターン化されたダイを示すWafermap。

それにもかかわらず、ウエハ当たりの総ダイ数(DPW)は、1次近似またはウエハ対ダイ面積比から推定することができ、

D P W=√d2 4s√{\displaystyle dpw=\left\lfloor{\frac{\pi d^{2}}{4S}}\right\rfloor}

DPW=\left\lfloor{\frac{\pi d^{2}}{4S}}\right\rfloor}DPW=\left\lfloor{\frac{\pi d^{2}}{4S}}\right\rfloor}DPW=\left\lfloor{\frac{{\pi d^{2}}{4s}}\Right\rfloor

,

ここで、d{\displaystyle d}

d

はウェハの直径(通常はmm)であり、s{\displaystyle s}

s

各ダイのサイズ(mm2)は、ウェハの直径(通常はmm)である。の幅 scribeline(または鋸の車線の場合には、許容と切り目)。 この式は、ウェハに収まるダイの数が、個々のダイの面積で割ったウェハの面積を超えることができないことを単に述べています。 これは、ウェーハ表面上に完全には存在しない部分的にパターン化されたダイの面積を含むため、真のベストケースの総DPWを常に過大評価します(図を参照)。 これらの部分的にパターン化された金型は、完全なIcを表すものではないため、機能部品として販売することはできません。

この単純な式の改良は、一般的に、ウェハの総面積に比べてダイの面積が大きい場合には、一般的に、より重要になるエッジ上の部分ダイを考慮するために、エッジ補正を追加します。 他の制限ケース(無限小のダイまたは無限大のウェーハ)では、エッジ補正は無視できます。

補正係数または補正項は、一般に、De Vriesによって引用された形式のいずれかを取ります。

補正係数または補正項は、:

D P W=√d2 4s−√d2S{\displaystyle DPW={\frac{\displaystyle\pi d^{2}}{4S}}-{\frac{\displaystyle\pi d}{\sqrt{2s}}}}

DPW={\frac{\displaystyle\pi d^{2}}{4S}}-{\frac{\displaystyle\pi d}{{\sqrt{2S}}}DPW=\left({\frac{\displaystyle\PI d^{2}}{4s}}\right)\exp(-2{\sqrt{s}}/d)}dpw=\left({\frac{\displaystyle\PI D^{2}}{4s}}\right)dpw=\left({\frac{\displaystyle\PI D^{2}}{4s}}\right)dpw<img src=dpwDPW=\left({\frac {\displaystyle \pi d^{2}}{4S}}\right)\exp(-2{\sqrt {S}}/d)dpwDPW=\left({\frac {\displaystyle \pi d^{2}}{4S}}\right)\exp(-2{\sqrt {S}}/d)dpwDPW=\left({\frac {\displaystyle \pi d^{2}}{4S}}\right)\exp(-2{\sqrt {S}}/d)dpwDPW=\left({\frac {\displaystyle \pi d^{2}}{4S}}\right)\exp(-2{\sqrt {S}}/d)dpwDPW=\left({\frac {\displaystyle \pi d^{2}}{4S}}\right)\exp(-2{\sqrt {S}}/d)dpw=2}}{4S}}\Right)\Exp(-2{\sqrt{s}}/d)”>

(面積比は、AN2sでスケーリングされたものです)。 dpw={\frac{\displaystyle\pi d^{2}}{4S}}\left(1-{\frac{\displaystyle2{\sqrt{S}}}{d}}\right)){2}}

DPW={\frac{\displaystyle\pi d^{2}}{4S}}\left(1-{\frac{\displaystyle\pi d^{2}}{4s}}\right)DPW={\frac{\displaystyle\pi d^{2}}{4s}}\left(1-{\frac{\sqrt{S}}{d}}\right)id{2}}DPW={\frac{\displaystyle\pi d^{2}}{4s}}\left(1-{\frac{\sqrt{S}}\frac{\Displaystyle2{\sqrt{s}}}{D}}\right)){2}

(多項式係数でスケーリングされた面積比)。

これらの解析式をブルートフォース計算結果と比較した研究は、修正の係数をユニティの上または下の値に調整し、線形ダイ次元S{\displaystyle{\sqrt{S}}}

{\sqrt{S}}

を(H+W)/2{\displaystyle(h+W)/2}{\sqrt{S}}{\sqrt{S}}

を(H+W)/2{\displaystyle(h+W)/2}{\sqrt{s div>(h+w)/2(平均辺の長さ)大きなアスペクト比を持つダイの場合:d p w=≤d2 4S-0.58π d s{\displaystyle dpw={\frac{\displaystyle\pi d^{2}}{4S}}-0.58^{*}{\frac{\displaystyle\pi d}{\sqrt{s}}}}

dpw={\frac{\displaystyle\pi d^{2}}{4S}}-0.58^{{*}}{\dpw=\left({\frac{\displaystyle\pi d^{2}}{4S}}\right)\exp(-2.32^{*}{\sqrt{S}}/d)}DPWDPWDPWDPWDPWDPWDPWDPW=\left({\frac{\displaystyle\pi d^{2}}{4s}}\right)\Exp\Left({\frac{\pi d^{2}}{4s}}\right)\Exp\Right(-2.32^{{*}}{\sqrt{S}}/d)

またはD P W=√d2 4S(1−1.16π s d)2{\displaystyle DPW={\frac{\displaystyle\pi d^{2}}{4S}}\left(1-{\frac{\displaystyle1.16^{*}{\sqrt{S}}}{d}}\right)){2}}

DPW={\frac{\displaystyle\pi d^{2}}{4S}}\left(1-{\frac{\displaystyle1.16^{*}{\sqrt{S}}}\right)id{2}}DPW={\frac{\displaystyle\pi d^{2}}{4S}}\left(1-{\frac{\displaystyle1.16^{*}{\sqrt{s}}}\right)id{2}}DPW={\frac {\displaystyle \pi d^{2}}{4S}}\left(1-{\frac {\displaystyle 1.16^{{*}}{\sqrt {S}}}{d}}\right)^{2}sqrt{{*}}{\sqrt{S}}}{d}}\right)){2}

結晶配向編集

シリコン単位セルのダイヤモンド立方結晶構造
フラッツは、ドーピングおよび結晶方位を示すために使用することができます。 赤は削除されたマテリアルを表します。

ウエハは、規則的な結晶構造を有する結晶から成長し、シリコンは5.430710Å(0.5430710nm)の格子間隔を有するダイヤモンド立方構造を有する。 ウェーハに切断すると、表面は結晶方位として知られるいくつかの相対的な方向のいずれかに整列します。 向きはミラー指数によって定義され、シリコンでは(100)または(111)の面が最も一般的です。単結晶の構造的および電子的特性の多くは非常に異方性であるため、配向は重要です。 イオン注入深さはウエハの結晶方位に依存し,各方向は輸送のための異なる経路を提供する。

ウェハへの切断は、典型的には、明確に定義されたいくつかの方向でのみ起こる。 へき開面に沿ってウェーハをスコアリングすることにより、平均ウェーハ上の数十億個の個々の回路要素を多くの個々の回路に分離できるように、個々のチップ(”ダイ”)に容易にダイシングすることができる。

結晶学的配向notchesEdit

直径200mm以下のウェーハは、ウェーハの結晶学的面を示す一つ以上の側面(通常は{110}面)に切断されたフラットを有する。 初期の世代のウェーハでは、異なる角度の一対のフラットがドーピングタイプをさらに伝えた(規則については図を参照)。 直径200mm以上のウェーハは、ドーピングタイプの視覚的な表示なしに、ウェーハの向きを伝えるために単一の小さなノッチを使用します。

不純物dopingEdit

シリコンウェーハは、一般的に100%純粋なシリコンではなく、代わりに溶融物に添加され、バルクn型またはp型のいずれかとしてウェーハを定義するホウ素、リン、ヒ素、またはアンチモンのcm3あたり1013と1016原子の間の初期不純物ドーピング濃度で形成されています。 しかし、単結晶シリコンの5×1022原子/cm3の原子密度と比較して、これは依然として99.9999%を超える純度を与える。 ウエハはまた、いくつかの格子間酸素濃度を最初に提供することもできる。 カーボンおよび金属汚染は最低に保たれる。 特に、遷移金属は、電子用途のために10億分の1以下の濃度に保たれなければならない。

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