standaard waferformatenedit
SiliconEdit
Siliciumwafers zijn verkrijgbaar in verschillende diameters van 25,4 mm (1 inch) tot 300 mm (11,8 inch). Fabrieken voor de vervaardiging van halfgeleiders, in de volksmond FAB ‘ s genoemd, worden gedefinieerd door de diameter van de wafers die zij moeten produceren. De diameter is geleidelijk toegenomen om de doorvoer te verbeteren en de kosten te verlagen met de huidige state-of-the-art fab met behulp van 300 mm, met een voorstel om 450 mm te nemen. Intel, TSMC en Samsung waren afzonderlijk het uitvoeren van onderzoek naar de komst van 450 mm “prototype” (onderzoek) fabs, hoewel ernstige hindernissen blijven.
| Wafer grootte | Typische Laagdikte | Jaar introduceerde | Gewicht per wafer | 100 mm2 (10 mm) Sterven per wafer |
|---|---|---|---|---|
| 1 inch (25 mm) | 1960 | |||
| 2 inch (51 mm) | 275 µm | 1969 | ||
| 3 inch (76 mm) | 375 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 inch, gewoonlijk aangeduid als “12 inch”) | 775 µm | 2002 | 125 gram | 640 |
| 450 mm (17,7 inch) (voorgesteld) | 925 µm | – | 342 gram | 1490 |
| 675-millimeter (26,6 inch) (theoretisch) | onbekend. | – |
Wafers die met andere materialen dan silicium worden geteeld, hebben een andere dikte dan een siliciumwafer met dezelfde diameter. De dikte van de Wafer wordt bepaald door de mechanische sterkte van het gebruikte materiaal; de wafer moet dik genoeg zijn om zijn eigen gewicht te dragen zonder te barsten tijdens het hanteren. De getabelleerde diktes hebben betrekking op het moment dat dat proces werd ingevoerd, en zijn niet noodzakelijkerwijs correct momenteel, bijvoorbeeld het IBM BiCMOS7WL-proces is op 8 in wafers, maar deze zijn slechts 200um dik. Het gewicht van de wafer stijgt samen met de dikte en diameter.
Historische stijgingen van de wafersizeedit
Een stap in de waferproductie per eenheid, zoals een etstap, kan meer chips produceren in verhouding tot de toename van het waferoppervlak, terwijl de kosten van de stap in de waferproductie langzamer stijgen dan het waferoppervlak. Dit was de kostenbasis voor het vergroten van de wafelgrootte. De conversie van 200 mm-wafers naar 300 mm-wafers begon in 2000 serieus en verlaagde de prijs per matrijs met ongeveer 30-40%. Grotere diameter wafers zorgen voor meer sterven per wafer.
fotovoltaïsche installatie
m1 wafer grootte (156,75 mm) is in proces van phase-out in China vanaf 2020. Een aantal niet-standaard maten is ontstaan, dus inspanningen om M10 standaard (182 mm) is een voortdurende inspanning. Net als semiconductor cousin is het terugdringen van de kosten de belangrijkste drijfveer, ondanks het feit dat de zuiverheidseisen totaal verschillend zijn.
voorgestelde overgang van 450 mm
Er is aanzienlijke weerstand tegen de overgang van 450 mm ondanks de mogelijke productiviteitsverbetering, vanwege de bezorgdheid over onvoldoende rendement op investeringen. Er zijn ook problemen met betrekking tot verhoogde inter-die / edge-to-edge wafer variatie en extra randdefecten. Naar verwachting zullen 450 mm wafers 4 keer zo veel kosten als 300 mm wafers, en de apparatuurkosten zullen naar verwachting met 20 tot 50% stijgen. Hogere kosten halfgeleidervervaardigingsapparatuur voor grotere wafers verhoogt de kosten van 450 mm fabs (halfgeleidervervaardigingsfaciliteiten of-fabrieken). Lithograaf Chris Mack beweerde in 2012 dat de totale prijs per matrijs voor 450 mm wafers met slechts 10-20% zou worden verlaagd in vergelijking met 300 mm wafers, omdat meer dan 50% van de totale kosten van wafers lithografiegerelateerd zijn. Omschakelen naar grotere wafels van 450 mm zou de prijs per matrijs alleen verlagen voor procesbewerkingen zoals etsen, waarbij de kosten gerelateerd zijn aan het aantal wafers en niet aan het oppervlak van de wafers. De kosten voor processen zoals lithografie zijn evenredig met het waferoppervlak en grotere wafers zouden de bijdrage van lithografie aan de kosten niet verminderen. Nikon was van plan om 450 mm lithografie-apparatuur te leveren in 2015, met volumeproductie in 2017. In November 2013 pauzeerde ASML de ontwikkeling van 450 mm lithografieapparatuur, onder verwijzing naar onzekere timing van de vraag van de chipmaker.
de tijdlijn voor 450 mm is niet vastgesteld. In 2012 werd verwacht dat de productie van 450 mm in 2017 van start zou gaan, wat nooit is gerealiseerd. Mark Durcan, toen CEO van Micron Technology, zei in februari 2014 dat hij verwacht 450 mm adoptie voor onbepaalde tijd worden uitgesteld of stopgezet. “Ik ben er niet van overtuigd dat 450 mm ooit zal gebeuren, maar voor zover dat gebeurt, is het een lange weg in de toekomst. Er is niet veel noodzaak voor Micron, in ieder geval in de komende vijf jaar, om veel geld te besteden aan 450 mm. Er is veel investering die moet gaan in de apparatuur gemeenschap om dat te laten gebeuren. En de waarde aan het eind van de dag – zodat klanten die apparatuur zouden kopen – vind ik twijfelachtig.”Vanaf maart 2014, Intel Corporation verwacht 450 mm inzet in 2020 (tegen het einde van dit decennium). Mark LaPedus van semiengineering.com meldde medio 2014 dat chipmakers de invoering van 450 mm hadden vertraagd “voor de nabije toekomst.”Volgens dit rapport verwachtten sommige waarnemers 2018 tot 2020, terwijl G. dan Hutcheson, chief executive van VLSI Research, niet zag dat 450mm fabs in productie gingen tot 2020 tot 2025.
de stap tot 300 mm vereiste grote veranderingen, met volautomatische fabrieken die 300 mm wafers gebruikten versus nauwelijks geautomatiseerde fabrieken voor de 200 mm wafers, deels omdat een FOUP voor 300 mm wafers ongeveer 7,5 kg weegt wanneer deze worden geladen met 25 300 mm wafers, terwijl een SMIF ongeveer 4 weegt.8 kg wanneer geladen met 25 200 mm wafers, waardoor tweemaal de hoeveelheid fysieke kracht van de fabrieksarbeiders, en toenemende vermoeidheid. 300mm FOUPs hebben handgrepen zodat ze nog steeds met de hand kunnen worden verplaatst. 450mm FOUPs wegen 45 kg wanneer geladen met 25 450 mm wafers, dus kranen zijn nodig om de FOUPs handmatig te hanteren en handgrepen zijn niet meer aanwezig in de FOUP. FOUPs worden verplaatst met behulp van material handling systemen van Muratec of Daifuku. Deze grote investeringen werden gedaan tijdens de economische neergang na de dot-com-zeepbel, wat resulteerde in een enorme weerstand tegen de opwaardering tot 450 mm in het oorspronkelijke tijdsbestek. Op de helling-tot 450 mm, zullen de kristallen ingots 3 keer zwaarder zijn (totaal gewicht een metrische ton) en 2-4 keer langer duren om af te koelen, en de procestijd zal het dubbele zijn. Al met al vereist de ontwikkeling van 450 mm wafers aanzienlijke engineering, tijd en kosten om te overwinnen.
analytische telling estimationEdit
om de kosten per matrijs te minimaliseren, willen fabrikanten het aantal matrijzen dat kan worden gemaakt van een enkele wafer maximaliseren; matrijzen hebben altijd een vierkante of rechthoekige vorm als gevolg van de beperking van het snijden van wafer. In het algemeen is dit een rekenkundig complex probleem zonder analytische oplossing, afhankelijk van zowel het gebied van de matrijzen als hun aspect ratio (vierkant of rechthoekig) en andere overwegingen zoals de breedte van de scribeline of zaagstrook, en extra ruimte bezet door uitlijning en teststructuren. Merk op dat bruto-DPW-formules alleen rekening houden met waferoppervlakte die verloren gaat omdat het niet kan worden gebruikt om fysiek volledige matrijzen te maken; bruto-DPW-berekeningen houden geen rekening met opbrengstverlies als gevolg van defecten of parametrische problemen.
Toch, het nummer van het bruto sterven per wafer (DPW) kan worden geschat, te beginnen met de eerste-orde benadering of wafer-te-sterven area ratio,
D P W = ⌊ π d 2 4 S ⌋ {\displaystyle DPW=\left\lfloor {\frac {\pi d^{2}}{4S}}\right\rfloor }
waar d {\displaystyle d}
de wafer diameter (meestal in mm) en de S {\displaystyle S}
de grootte van elke dobbelsteen (mm2) met inbegrip van de breedte van de scribeline (of in het geval van een zaagstrook, De kerf plus een tolerantie). Deze formule stelt eenvoudig dat het aantal matrijzen dat op de wafer past niet groter mag zijn dan het oppervlak van de wafer gedeeld door het oppervlak van elke individuele matrijs. Het zal altijd overschatten de ware best-case bruto DPW, omdat het omvat het gebied van gedeeltelijk patroon matrijzen die niet volledig liggen op het oppervlak van de wafer (zie figuur). Deze gedeeltelijk gedessineerde matrijzen vertegenwoordigen geen volledige ICs, dus ze kunnen niet worden verkocht als functionele onderdelen.
verfijningen van deze eenvoudige formule voegen meestal een randcorrectie toe, om rekening te houden met partiële matrijzen aan de rand, die in het algemeen belangrijker zullen zijn wanneer de oppervlakte van de matrijs groot is in vergelijking met de totale oppervlakte van de wafer. In het andere beperkende geval (infinitesimaal kleine matrijzen of oneindig grote wafers) is de randcorrectie verwaarloosbaar.
de correctiefactor of correctieterm neemt in het algemeen een van de door de Vries genoemde vormen aan:
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 {2}}}}
(oppervlakte verhouding omtrek/(die diagonaal)) of 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)}
(area ratio geschaald door een exponentiële factor) of D P W = π d 2 4 S ( 1 − 2 S d ) 2 {\displaystyle DPW={\frac {\displaystyle \pi d^{2}}{4S}}\left(1-{\frac {\displaystyle 2{\sqrt {S}}}{d}}\right)^{2}}
(area ratio geschaald door een polynoom factor).
Studies vergelijken van deze analytische formules te brute-force rekenkundige resultaten laten zien dat de formules kunnen worden gemaakt, meer nauwkeurige, over praktische bereiken van die grootte en aspect ratio ‘ s, door het aanpassen van de coëfficiënten van de correcties aan waarden boven of onder de eenheid, en door het vervangen van de lineaire sterven dimensie S {\displaystyle {\sqrt {S}}}
met ( H + B ) / 2 {\displaystyle (H+B)/2}
(gemiddelde lengte) in het geval van matrijzen met een groot aspect ratio: 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}}}}
of 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)}
of D P W = π d 2 4 S ( 1 − 1.16 ∗ S d ) 2 {\displaystyle DPW={\frac {\displaystyle \pi d^{2}}{4S}}\left(1-{\frac {\displaystyle 1.16^{*}{\sqrt {S}}}{d}}\right)^{2}}
.
Kristallijne orientationEdit
Wafers worden geteeld uit kristal met een regelmatige kristalstructuur, met silicium met een diamantvormige kubieke structuur met een rasterafstand van 5,430710 Å (0,5430710 nm). Wanneer gesneden in wafers, wordt het oppervlak uitgelijnd in een van de verschillende relatieve richtingen bekend als kristaloriëntaties. De oriëntatie wordt gedefinieerd door de Miller-index met (100) of (111) zijden die het meest voorkomen voor silicium.Oriëntatie is belangrijk omdat veel van de structurele en elektronische eigenschappen van een enkel kristal zeer anisotroop zijn. Ionenimplantatiedieptes zijn afhankelijk van de kristaloriëntatie van de wafer, aangezien elke richting verschillende transportwegen biedt.
de splitsing van de Wafer vindt meestal slechts in een paar goed gedefinieerde richtingen plaats. Het scoren van de wafer langs decolletévlakken maakt het mogelijk om gemakkelijk in blokjes te snijden in individuele chips (“dies”), zodat de miljarden individuele circuitelementen op een gemiddelde wafer kunnen worden gescheiden in vele individuele circuits.
kristallografische oriëntatie notchesEdit
Wafers met een diameter van minder dan 200 mm hebben vlakten die in een of meer zijden zijn gesneden en de kristallografische vlakken van de wafer aangeven (gewoonlijk een zijde {110}). In wafers van de vorige generatie bracht een paar flats onder verschillende hoeken bovendien het dopingtype over (zie illustratie voor conventies). Wafers met een diameter van 200 mm en meer gebruiken een enkele kleine inkeping om de oriëntatie van de wafer over te brengen, zonder visuele indicatie van het dopingtype.
onzuiverheid doping edit
siliciumwafers zijn over het algemeen niet 100% zuiver silicium, maar worden in plaats daarvan gevormd met een initiële onzuiverheid dopingconcentratie tussen 1013 en 1016 atomen per cm3 boor, fosfor, arseen of antimoon die aan de smelt wordt toegevoegd en de wafer definieert als bulk n-type of p-type. Vergeleken met de atomaire dichtheid van eenkristal silicium van 5×1022 atomen per cm3 geeft dit echter nog steeds een zuiverheid van meer dan 99,9999%. De wafers kunnen ook in eerste instantie worden voorzien van enige interstitiële zuurstofconcentratie. Koolstof – en metaalverontreiniging wordt tot een minimum beperkt. Met name transitiemetalen moeten voor elektronische toepassingen onder delen per miljard concentraties worden gehouden.