Équipements de traitement des semi-conducteurs : fabrication de plaquettes

La fabrication des plaquettes de silicium, de la transformation du sable en plaquettes gravées, est un processus complexe et long. Cet article présente les étapes suivantes : purification du silicium, étirage des cristaux, découpe, polissage et production de plaquettes utilisables. Il détaille également le processus principal, ses objectifs et la conception des équipements.

Commencez par examiner quelques informations de base sur les plaquettes et le processus de fabrication.

Les principaux formats de plaquettes de silicium sont de 4 et 6 pouces, et l'utilisation des plaquettes de 8 et 12 pouces est en pleine expansion. Les diamètres disponibles sont de 100 mm, 150 mm, 200 mm et 300 mm. L'augmentation du diamètre de la plaquette de silicium permet de réduire le coût de fabrication d'une puce.

L'équipement de préparation de plaquettes consiste à transformer le matériau polysilicium pur en une tige monocristalline de silicium d'un certain diamètre et d'une certaine longueur, puis à soumettre cette tige monocristalline de silicium à une série de traitements mécaniques, chimiques et autres pour obtenir une plaquette de silicium ou une plaquette de silicium épitaxiale répondant à certaines exigences de précision géométrique et de qualité de surface, afin de fournir le substrat de silicium requis pour l'équipement de fabrication de puces.

Le procédé typique de préparation des plaquettes de silicium d'un diamètre inférieur à 200 mm est le suivant :

Croissance monocristalline → troncature → laminage du diamètre extérieur → découpe → chanfreinage → meulage → gravure → absorption des impuretés → polissage → nettoyage → épitaxie → emballage ;

1, Caractéristiques des matériaux à base de silicium

Le silicium est un matériau semi-conducteur car il possède quatre électrons de valence et appartient, avec d'autres éléments, au groupe IVA du tableau périodique. Le nombre d'électrons de valence du silicium le situe à mi-chemin entre un bon conducteur (1 électron de valence) et un isolant (8 électrons de valence).

2, Purification du silicium

Le silicium pur n'existe pas à l'état naturel ; il doit être raffiné et purifié pour obtenir le silicium pur nécessaire à la fabrication. On le trouve généralement dans la silice (oxyde de silicium ou SiO₂) et d'autres silicates. Le silicium doit être purifié avant de pouvoir être utilisé pour fabriquer des puces.

3, Ctirage de cristal

Le procédé de fabrication du silicium monocristallin à partir de silicium polycristallin se divise principalement en deux catégories : Czochralski (CZ) et FZ. Actuellement, la plupart des plaquettes de semi-conducteurs sont produites par la méthode Czochralski. Cette méthode, utilisée pour la fabrication de monocristaux métalliques, a été inventée par Cekolowski en 1916. Le procédé de fabrication du silicium monocristallin par étirage en spirale comprend les étapes suivantes : fusion, soudage, étirage du col, positionnement des épaulements, tournage des épaulements, croissance de diamètre constant et finition.

4, recuit des plaquettes de silicium

Effet du four de recuit : Il s’agit d’un équipement de traitement qui, sous atmosphère d’hydrogène ou d’argon, porte la température du four à 1 000 à 1 200 °C. L’oxygène présent près de la surface de la plaquette de silicium polie est alors vaporisé par la chaleur, ce qui provoque la précipitation de l’oxygène en couches, la dissolution des microdéfauts à la surface de la plaquette, la réduction de la quantité d’impuretés et des défauts, et la formation d’une zone relativement propre à la surface de la plaquette de silicium.

En raison de la température élevée du tube du four de recuit, celui-ci est également appelé four à haute température. Le procédé de recuit des plaquettes de silicium est aussi désigné dans l'industrie sous le nom d'absorption d'impuretés.

Le four de recuit des plaquettes de silicium est divisé en :

· - four de recuit horizontal ;

· - four de recuit vertical ;

· - Four de recuit rapide.

5, tranche de lingot de silicium

Les extrémités du lingot sont coupées et leurs dimensions sont contrôlées (afin de déterminer les paramètres de traitement ultérieurs). Actuellement, la méthode la plus couramment utilisée est la découpe multifils, qui offre une efficacité supérieure et une meilleure qualité de coupe.

La découpe multifil est une méthode de découpe récente qui consiste à acheminer l'abrasif dans la zone de traitement des semi-conducteurs grâce au mouvement alternatif à grande vitesse d'un fil métallique. Ce procédé permet de découper simultanément des matériaux durs et fragiles, tels que les semi-conducteurs, en centaines de feuilles. Les machines de découpe multifil à commande numérique (CNC) ont progressivement remplacé la découpe circulaire traditionnelle et sont devenues la principale méthode de traitement des plaquettes de silicium.

6, bords arrondis et surface de meulage

Lorsqu'un lingot est découpé en plaquette, il présente un bord tranchant, ainsi que des bavures, des ébréchures, de petites fissures et autres défauts. La forme du bord et le diamètre extérieur de la plaquette doivent être ajustés afin d'éviter que les fissures n'affectent sa résistance, n'endommagent sa surface et n'introduisent des particules polluantes dans l'étape de post-traitement. Le meulage permet d'éliminer les marques de scie et les cassures présentes à la surface de la plaquette lors de la découpe, lui conférant ainsi la finition requise.

7, Gravure

On utilise une solution chimique pour éliminer par gravure la couche endommagée à la surface de la plaquette, causée par la pression de traitement.

8, Polissage

Le polissage des plaquettes à l'aide d'une suspension ultra-fine (diamètre des particules de 10 à 100 nm, composée d'Al2O3, de SiO2 ou de CeO2), combinée à des méthodes de pression, d'érosion, mécaniques et chimiques pour polir la surface de la plaquette entre les deux joints rotatifs, afin d'obtenir une excellente planéité de surface.

Le procédé de polissage (ci-après dénommé méthode de polissage) peut être divisé en principe en trois catégories selon l'action entre le liquide de polissage et la surface de la plaquette de silicium.

1. polissage mécanique

Actuellement, la méthode de polissage mécanique n'est généralement plus utilisée dans l'industrie.

2. polissage chimique

En production industrielle, le polissage chimique n'est généralement utilisé qu'en tant que prétraitement avant le polissage, et non comme procédé de polissage à part entière.

3. méthode de polissage chimico-mécanique(CMP)

La méthode de polissage chimico-mécanique (CMP) exploite la double action d'un liquide de polissage sur la surface des plaquettes de silicium, combinant le meulage mécanique et la corrosion chimique. Elle présente ainsi les avantages du polissage mécanique et du polissage chimique. La CMP est une technologie développée par l'industrie pour la fabrication de plaquettes de grand diamètre et constitue la méthode de polissage la plus couramment utilisée dans l'industrie moderne des semi-conducteurs.

9, Nettoyage

Nettoyer soigneusement les plaquettes avec des produits chimiques ultra-purs afin d'éliminer les contaminants du processus

10, Inspection

Par inspection optique, s'assurer que la taille, la forme, l'état de surface, la planéité et les autres indicateurs techniques de la plaquette répondent aux spécifications.

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