Szczegóły bloga

Płytki krzemowe nigdy nie są idealnie okrągłe. Zamiast tego zawierają płaską krawędź (płaską) lub małe wcięcie (nacięcie). Chociaż te cechy mogą wydawać się pomocami w mechanicznym wyrównywaniu, ich prawdziwą funkcją jest krystalograficzna. We współczesnej produkcji półprzewodników orientacja płytki jest podstawową zmienną fizyczną, która bezpośrednio wpływa na utlenianie, wytrawianie, implantację jonów, inżynierię naprężeń i transport nośników. Ten artykuł wyjaśnia, dlaczego znakowanie orientacji jest niezbędne dla monokrystalicznych płytek krzemowych i dlaczego płaskie powierzchnie i nacięcia są niezbędne do utrzymania kontroli procesów w skali atomowej w urządzeniach nanometrowych.

1. Płytki krzemowe nie są materiałami izotropowymi

Płytka krzemowa nie jest jednorodnym dyskiem materii; jest to pojedynczy kryształ o wysoce uporządkowanej sieci diamentowo-sześcianowej. Powszechnie stosowane orientacje—(100), (110) i (111)—reprezentują różne gęstości płaszczyzn atomowych i geometrie wiązań.

Te kierunki krystalograficzne określają wiele właściwości fizycznych i chemicznych:

• Energia powierzchniowa

• Kinetyka utleniania

• Anizotropowe szybkości wytrawiania na mokro i na sucho

• Prawdopodobieństwo kanałowania jonów

• Anizotropia ruchliwości nośników

• Rozprzestrzenianie się defektów i systemy poślizgu

Dlatego płytka krzemowa to nie tylko podłoże; jest to kierunkowy system fizyczny. Każde urządzenie nanometrowe zbudowane na nim dziedziczy tę anizotropię.

2. Okrągła płytka nie ma wewnętrznego układu współrzędnych

Idealny dysk ma nieskończoną symetrię obrotową. Bez odniesienia zewnętrznego żaden proces fizyczny nie może odróżnić jednego kierunku w płaszczyźnie od innego.

Jednak produkcja półprzewodników wymaga, aby każda płytka miała dobrze zdefiniowaną orientację w płaszczyźnie w stosunku do swojej sieci krystalicznej. Bez tego:

• Implantacja jonów doświadczyłaby niekontrolowanego kanałowania

• Wytrawianie różniłoby się w zależności od urządzeń

• Inżynieria naprężeń straciłaby spójność kierunkową

• Ruchliwość tranzystorów różniłaby się statystycznie na całej płytce

Zatem płytka krzemowa musi zawierać cechę łamiącą symetrię, która definiuje stałą oś krystalograficzną.

3. Płaska powierzchnia lub nacięcie tworzy krystalograficzny układ odniesienia

Płaskie powierzchnie i nacięcia służą jako makroskopowe kodowanie mikroskopowej orientacji kryształu.

Podczas krojenia płytki z monokrystalicznego boulu, producent wyrównuje cięcie tak, aby:

• Płaska powierzchnia lub nacięcie były równoległe do określonego kierunku kryształu (np. ⟨110⟩ lub ⟨100⟩)

• Płaszczyzna powierzchni płytki (np. (100)) i kierunek w płaszczyźnie są jednoznacznie zdefiniowane

To przekształca w przeciwnym razie symetryczny obrotowo obiekt w podłoże indeksowane kierunkowo.

Każde narzędzie produkcyjne—litografia, implantacja, wytrawianie, CMP i metrologia—używa tego odniesienia do wyrównywania swoich operacji z siecią krystaliczną.

4. Dlaczego orientacja ma znaczenie w skali nanometrowej

Nowoczesne urządzenia CMOS, FinFET i gate-all-around (GAA) działają w reżimach, w których dominuje fizyka w skali atomowej.

Kilka przykładów ilustruje, dlaczego orientacja kryształu musi być zablokowana:

4.1 Implantacja jonów

Jony domieszkujące mogą przemieszczać się głęboko wzdłuż kanałów kryształowych o niskim indeksie. Jeśli orientacja płytki się zmienia, głębokość kanałowania i profile domieszkujące stają się nieprzewidywalne.

4.2 Anizotropowe wytrawianie

Szybkości wytrawiania krzemu różnią się drastycznie między płaszczyznami (100), (110) i (111). Niewspółosiowość zmienia kształty rowków, kąty ścian bocznych i wymiary krytyczne.

4.3 Ruchliwość nośników

Ruchliwość elektronów i dziur w krzemie zależy od kierunku. Wydajność urządzenia jest optymalizowana przez wyrównywanie kanałów wzdłuż określonych kierunków kryształów.

Bez stałego odniesienia do płytki żaden z tych parametrów nie może być kontrolowany z powtarzalnością na poziomie nanometrowym.

5. Dlaczego nowoczesne płytki używają nacięć zamiast płaskich powierzchni

Wczesne płytki (4–6 cali) używały długich płaskich powierzchni. Wraz ze wzrostem średnic płytek do 200 mm i 300 mm, przemysł przyjął nacięcia z powodów fizycznych i ekonomicznych:

• Nacięcie zajmuje znacznie mniej powierzchni krawędzi, zwiększając liczbę użytecznych kostek

• Zachowuje symetrię mechaniczną, poprawiając obsługę płytek

• Jest łatwiejsze do wykrycia przez systemy wyrównywania robotycznego i optycznego

• Nie zniekształca pól naprężeń na obwodzie płytki

Zatem nacięcie jest precyzyjnym markerem krystalograficznym zoptymalizowanym pod kątem zautomatyzowanych fabryk.

6. Płaska powierzchnia lub nacięcie to most między atomami a maszynami

W zaawansowanej produkcji półprzewodników zjawiska fizyczne w skali nanometrowej muszą być wyrównane z systemami mechanicznymi w skali milimetrowej.

Płaska powierzchnia lub nacięcie wykonuje to tłumaczenie:
Łączy sieć atomową z fabrycznym układem współrzędnych.

Bez tego nowoczesna litografia, wytrawianie, implantacja i inżynieria naprężeń straciłyby swój fizyczny układ odniesienia.

Wnioski

Płaska powierzchnia lub nacięcie na płytce krzemowej to nie artefakt mechaniczny—to zakotwiczenie krystalograficzne.

Zapewnia, że każdy tranzystor, każdy kanał i każda warstwa atomowa są zbudowane w stałym związku z siecią krzemową. W erze, w której wymiary urządzeń zbliżają się do rozmiaru kilkudziesięciu atomów, ta maleńka cecha geometryczna staje się jedną z najbardziej krytycznych struktur w całym ekosystemie półprzewodników.