Как 12-дюймовый выращиватель кристаллов MCZ выращивает кремний? Затравка, расплав, вытягивание

Как маленький кремниевый кристалл-затравка превращается в кристалл, пригодный для чипа? Я видел, как это происходило несколько раз за мои 8+ лет работы с оборудованием для производства полупроводниковых пластин. Каждый раз это меня впечатляет. Чистый кремний для производства чипов производится с использованием 12-дюймового кристаллизатора MCZ.

В этой статье я шаг за шагом опишу, как 12-дюймовый кристаллизатор MCZ выращивает кремний. Вы узнаете о затравке, расплаве, вытягивании и многом другом.

Что такое 12-дюймовый кристаллизатор MCZ и как он работает?

Машина для выращивания монокристаллического кремния — это 12-дюймовая установка для выращивания кристаллов MCZ. Он основан на методе магнитного Чохральского (MCZ). Кварцевый тигель. Поликремний расплавляется. Он погружается, затем медленно вытягивается вверх, вращаясь. Атомы кремния присоединяются к затравке, образуя монокристаллический слиток. 

Буква ‘M’ в MCZ означает магнитный. Магнитное поле стабилизирует расплав и регулирует содержание кислорода в нем. Это очень важно для производства слитков кремния класса IC. Затем слиток диаметром 300 мм разрезается на пластины.

12-дюймовый кристаллизатор MCZ – Краткие характеристики

Почему кристалл-затравка так важен при выращивании кремния?

Отправной точкой является кристалл-затравка. Без хорошей затравки не будет хорошего слитка. Это маленький, чистый кусочек кремния с четко определенной кристаллической ориентацией. Каждый новый атом, соприкасаясь с расплавом, повторяет его структуру. Качество затравки является важной проблемой в оборудовании для выращивания кристаллов MCZ. 

Плохая затравка вызывает трещины и снижает производительность пластины. После замачивания затравка сужается – это называется шейкой. Это этап, который выполняет каждая приличная машина для выращивания кремниевых слитков диаметром 300 мм.

Как готовится затравка перед использованием?

• Затравки вырезаются из лучших кремниевых кристаллов.
• Они шлифуются для гладкой поверхности.
• Используйте рентгеновские приборы для определения направления кристалла.
• Затравки хранятся в стерильной камере для сохранения чистоты.

Контакт затравки с расплавом – на что обратить внимание

Ключевые моменты, касающиеся контакта затравки с расплавом:

• Зона контакта должна быть термически стабильной до начала вытягивания. 
• Хорошее смачивание означает, что затравка и расплав правильно связаны. 
• Сужение ~10 мм затравки до ~3 мм для предотвращения трещин.
• Скорость вытягивания здесь самая медленная за всю операцию. 

Как магнитное поле улучшает качество кремниевых кристаллов?

MCZ отличается от обычного CZ-пуллера. В обычной CZ-машине расплавленный кремний много перемещается. Это переносит кислород из кварцевых стенок в расплав. Слишком много кислорода вызывает дефекты пластин. Это исправляется с помощью процесса выращивания кристаллов по методу Магнитного Чохральского. 

Вокруг тигля создается магнитное поле. Оно замедляет жидкий кремний. Это снижает содержание кислорода в слитке. Затем инженеры могут точно регулировать количество кислорода. Это приводит к более чистым и лучшим системам выращивания полупроводниковых кристаллов.

Типы конфигураций магнитного поля

Горизонтальное магнитное поле (HMF):

• Простая конструкция. Используется в старых MCZ-машинах.
• Уменьшает поток кислорода через расплав.
• Хорошо подходит для слитков среднего размера.

Куспидное магнитное поле (CMF):

• Более продвинутое. Используется в современных машинах для выращивания кремниевых слитков диаметром 300 мм.
• Две катушки создают особую форму поля.
• Лучше всего подходит для очень низких или строго заданных уровней кислорода.

Сравнение типов магнитных полей:

Куспидные поля в настоящее время являются лучшим выбором для производственных линий по производству кремниевых слитков IC-класса.

Преимущества магнитного контроля:

• Может снизить содержание растворенного кислорода до 40% по сравнению с обычным CZ. .
• Делает сопротивление более равномерным по всей пластине.
• Снижает риск аномалий, связанных с кислородом.
• Дает одинаковый результат каждый раз.

Недостатки / Проблемы:

• Требуются сверхпроводящие магниты, что делает оборудование более дорогим.
• Требуется больше времени и внимания для настройки.
• Требуется больше времени на прогрев перед каждым запуском.

Каковы ключевые этапы процесса вытягивания от начала до конца?

Процесс вытягивания состоит из нескольких фаз. Каждый этап влияет на качество слитка. Сначала поликремний загружается и расплавляется при температуре около 1420 °C. Если расплав стабилен, добавляется затравка. После сужения кристалл осторожно расширяется. Это известно как фаза короны или плеча. Затем фаза тела. 

Здесь слиток выращивается до заданной ширины 300 мм. Ближе к концу он сужается до конуса. Это предотвращает тепловой удар. Затем слиток извлекается и охлаждается. На превосходной машине для выращивания кристаллов полный 12-дюймовый слиток занимает от 40 до 60 часов. Каждая пластина начинается внутри 12-дюймовая установка для выращивания кристаллов MCZ. 

Примеры из практики – реальные результаты вытягивания

Все четыре случая были весьма успешными. Системы MCZ 300 мм дали хорошие выходы и чистые слитки. Критическими переменными в каждом случае были магнитное управление и низкое содержание кислорода. 12-дюймовая установка для выращивания кристаллов MCZ дает высокий выход и чистые слитки при каждом прогоне. 

Скорость вытягивания и температура – как они работают вместе

• Скорость вытягивания от 0,3 до 1,5 мм/мин в зависимости от стадии.
• Тяните сильнее, делайте кристалл меньше. Медленнее – шире.
• Мониторинг и контроль температуры в реальном времени.
• Для равномерного роста кристалл и тигель вращаются в противоположных направлениях.
• Это делается с помощью интеллектуальных систем управления в ведущих системах выращивания полупроводниковых кристаллов.

Что еще влияет на качество кремниевых слитков в системе MCZ?

Затравка и магнит – не единственное. Поток газа, давление и чистота тигля имеют значение. Даже небольшие вибрации на полу могут помешать развитию кристалла. Современное оборудование для выращивания кристаллов MCZ включает контроль вибрации, чистые газовые линии и автоматическую обратную связь. 

Расплав легируется бором или фосфором. Они контролируют электрическое поведение пластины. Отличный поставщик машин для выращивания кристаллов сможет делать все это правильно, каждый раз.

Дополнительные факторы качества в обзоре

• Чистота аргона: должна быть 99,9999%, чтобы избежать загрязнения.
• Давление в камере: поддерживается на уровне 10–30 Торр для снижения потерь SiO.
• Вращение тигля: контролирует, сколько кислорода попадает в расплав.
• Однородность легирования: обеспечивает равномерное удельное сопротивление по всем пластинам.
• Тепловая симметрия: горячая зона должна быть сбалансирована для получения круглого слитка.

Часто задаваемые вопросы о 12-дюймовом кристаллизаторе MCZ

В чем основное отличие выращивания кристаллов CZ от MCZ?

Процедура MCZ добавляет магнитное поле к обычной методике CZ. Это поле уменьшает поток расплава. Оно также позволяет тщательно контролировать содержание кислорода в слитке. Результат – лучшие пластины с меньшим количеством дефектов.

• Стандартный C-Z без магнита – уровни кислорода значительно меняются.
• MCZ позволяет регулировать содержание кислорода от высокого до очень низкого.
• MCZ является стандартом для ИС-пластин 300 мм.

Сколько времени требуется для выращивания полного 12-дюймового кремниевого слитка?

В общей сложности примерно 40–60 часов. Время зависит от длины слитка и скорости вытягивания. “У нас есть собственные настройки процесса для каждого завода”,”

• Плавление и осаждение: 8–12 часов.
• Затравка, шейка и корона: ~ 4–6 часов.
• Стадия роста тела: ~ 24–36 часов.

Какой уровень чистоты требуется для кремниевых слитков ИС-класса?

Кремний ИС-класса чистотой 9N–11N. Что означает, что он практически чист. Даже следы металлов на уровне триллионных долей могут вызвать сбои в работе чипов.

• Поликремний должен пройти строгие тесты на чистоту перед использованием.
• Тигель и газовые линии также должны быть чрезвычайно чистыми.
• Машины MCZ имеют герметичные камеры, которые защищают от загрязнителей.

Почему размер пластины 300 мм важен для производителей чипов?

Пластина 300 мм имеет площадь в 2,3 раза больше, чем пластина 200 мм. Большая площадь – больше чипов на пластину. Чем больше чипов на пластине, тем ниже стоимость одного чипа.

• В настоящее время большинство ведущих фабрик используют производственные линии 300 мм.
• Пластины 300 мм в основном производятся на кристаллизаторах MCZ.
• Переход на 300 мм был взаимовыгодной ситуацией, которая снизила стоимость чипов.

Как контролируется содержание кислорода в кристаллизаторе MCZ?

Существует три основных фактора, влияющих на содержание кислорода. Это магнитное поле, скорость вращения тигля и поток аргона. Более сильное поле означает, что в слитке меньше кислорода.

• Меньше кислорода = больше магнитное поле
• Более быстрое вращение тигля = больше кислорода, поглощаемого со стенок.
• Объедините их, и вы получите точное количество кислорода, которое вам нужно.

На что следует обратить внимание при выборе поставщика машины для выращивания кристаллов?

Выбирайте поставщика с подтвержденными результатами работы систем MCZ 300 мм. Они должны иметь надежную послепродажную поддержку. Они также должны помогать в настройке и отладке процессов.

• Предоставьте информацию о выходе, контроле кислорода и времени безотказной работы машины.
• Узнайте, могут ли они адаптировать процедуру к вашим требованиям.
• И вам нужен поставщик, такой как Vimfun, который предлагает фантастическое оборудование и надежный сервис.

Заключение 

Любая эффективная линия производства пластин начинается с компетентного 12-дюймовая установка для выращивания кристаллов MCZ. Каждый этап должен быть выполнен правильно – затравка, плавление и вытягивание. Правильная машина обеспечит вам чистые слитки, высокий выход, стабильные результаты. 

Если вы ищете надежного поставщика оборудования для выращивания кристаллов, обратите внимание на Vimfun. Они поставляют высококачественное оборудование для выращивания кристаллов MCZ для работы класса IC. Обратитесь в Vimfun прямо сейчас и выведите производство полупроводниковых пластин на новый уровень.

Для полного обзора вышестоящего процесса, см. нашу печь для выращивания кристаллов страницу, посвященную выращиванию кристаллов CZ/MCZ, выбору печи роста и интеграции последующего производства пластин.