Pluies de siliciumsont les substrats fondamentaux utilisés dans la fabrication de semi-conducteurs. Des circuits intégrés et des capteurs MEMS aux appareils de puissance, à la photonique et aux emballages avancés,le diamètre et l'épaisseur d'une gaufre en silicium ont une influence directe sur la compatibilité des équipements, la stabilité mécanique, le rendement du procédé et le coût de production.

Parmi les substrats de silicium disponibles dans le commerce,Des plaquettes de 100 mm, 150 mm, 200 mm et 300 mmChaque diamètre est associé à des normes d'épaisseur typiques et à différents scénarios d'application.

Ce guide explique les normes communes de diamètre et d'épaisseur des plaquettes en silicium, pourquoi l'épaisseur augmente avec la taille des plaquettes,et comment choisir la bonne spécification de plaque pour différentes applications de semi-conducteurs.

1Pourquoi le diamètre de la gaufre de silicium est important

Le diamètre de la gaufre de silicium détermine la surface utilisable disponible pour la fabrication du dispositif.

Une plaque plus grande peut accueillir plus de matrices de semi-conducteurs pendant le même cycle de traitement.Cela peut améliorer considérablement l'efficacité de la production et réduire le coût de fabrication par puce.

Les diamètres de gaufre commerciaux les plus courants comprennent:

• 100 mm ′′ 4 pouces
• 150 mm ′′ 6 pouces
• 200 mm ′′ 8 pouces
• 300 mm 12 pouces

Des wafers plus petits tels que des substrats de 2 et 3 pouces sont encore utilisés dans les laboratoires de recherche et certaines applications de semi-conducteurs spécialisés, mais ils sont moins courants dans la production industrielle moderne.

La transition vers des plaquettes plus grandes s'est produite progressivement à mesure que les équipements de fabrication de semi-conducteurs sont devenus plus avancés.

Cependant, les plus grandes plaquettes nécessitent des systèmes de manutention, des procédés de polissage et des équipements de fabrication plus sophistiqués.

Pour cette raison, le choix d'un diamètre de gaufre n'est pas simplement une question de sélection de la plus grande taille disponible.

2. Normes typiques de diamètre et d'épaisseur des gaufres en silicium

Les valeurs suivantes représentent les épaisseurs nominales couramment utilisées pour les plaquettes de silicium standard.

Ces valeurs devraient être considérées comme des références typiques de l'industrie plutôt que comme des exigences universelles.

L'épaisseur réelle de la gaufre peut varier selon:

• Processus de fabrication de semi-conducteurs
• Orientation cristalline
• Type de dopant
• Résistance
• Exigence de polissage
• Structure du dispositif
• Exigence de résistance mécanique
• Spécification du client

Les plaquettes en silicium sur mesure peuvent également être fabriquées avec des épaisseurs significativement différentes des valeurs standard.

3. Wafer de silicium de 100 mm

Uneplaquettes de silicium de 100 mm, communément appeléUne gaufre en silicium de 4 pouces, reste largement utilisé pour la recherche, les MEMS, les capteurs et les dispositifs semi-conducteurs spécialisés.

Épaisseur typique

L'épaisseur nominale commune est approximativement:

525 μm

Des épaisseurs personnalisées sont également souvent disponibles.

Avantages des plaquettes de 100 mm

Comparées aux gaufres plus grandes, les gaufres de 100 mm offrent plusieurs avantages pratiques.

Ils nécessitent des équipements moins coûteux et sont relativement faciles à manipuler lors d'un traitement en laboratoire ou à échelle pilote.

Pour les entreprises qui développent de nouveaux appareils semi-conducteurs, l'utilisation de plaquettes de 100 mm peut réduire le coût de la production expérimentale.

Ils sont particulièrement utiles lorsque le volume de fabrication est relativement faible.

Applications communes

Les plaquettes en silicium de 100 mm sont fréquemment utilisées pour:

• Recherche sur les semi-conducteurs
• Les laboratoires universitaires
• Développement des MEMS
• Fabrication de capteurs
• Recherche en photonie
• Prototypes de dispositifs de puissance
• Dispositifs de micropluidisme
• Développement de procédés de semi-conducteurs

De nombreuses spécifications de plaquettes personnalisées sont également disponibles dans ce diamètre en raison du large éventail d'applications de recherche.

4. Wafer de silicium de 150 mm

Uneplaquettes en silicium de 150 mm, également appeléUne galette de 6 pouces, représente une transition importante entre les substrats à l'échelle du laboratoire et les plaquettes industrielles à plus grand volume.

Épaisseur typique

L'épaisseur nominale commune est approximativement:

675 μm

En fonction du procédé de fabrication, des spécifications d'épaisseur personnalisées peuvent également être demandées.

Pourquoi les plaquettes de 150 mm sont- elles encore largement utilisées

Bien que de plus grandes tailles de plaquettes soient disponibles, de nombreuses lignes de production de semi-conducteurs établies continuent de fonctionner avec des équipements de 150 mm.

Le remplacement d'une ligne de fabrication de semi-conducteurs entière par un équipement de plaquettes plus grand nécessite des investissements importants.

En conséquence, les plaquettes de 150 mm restent importantes pour les technologies de semi-conducteurs matures.

Applications typiques

Les applications courantes sont les suivantes:

• Dispositifs analogiques à semi-conducteurs
• Composants discrets de semi-conducteurs
• Capteurs MEMS
• Électronique automobile
• Dispositifs industriels à semi-conducteurs
• électronique de puissance
• Appareils optoélectroniques

Pour une production de volume moyen, les plaquettes de 150 mm peuvent fournir un équilibre efficace entre les coûts de fabrication et l'efficacité de la production.

5. Wafer de silicium de 200 mm

Uneplaquettes en silicium de 200 mm, communément appeléplaquette en silicium de 8 pouces, est l'une des tailles de plaquette les plus importantes utilisées dans la fabrication de semi-conducteurs.

Épaisseur typique

L'épaisseur nominale standard est généralement autour de:

725 μm

Les plaquettes de 200 mm sont largement utilisées dans les chaînes de production à volume élevé.

Pourquoi les gaufres de 200 mm restent importantes

Bien que les usines de semi-conducteurs avancées utilisent de plus en plus des plaquettes de 300 mm, la plate-forme de 200 mm reste extrêmement importante pour les technologies de semi-conducteurs matures.

Beaucoup de produits semi-conducteurs ne nécessitent pas les derniers nœuds de processus.

Pour ces appareils, l'exploitation d'une ligne de production de 200 mm peut fournir une excellente économie de fabrication.

Applications communes

Les plaquettes en silicium de 200 mm sont largement utilisées dans:

• Dispositifs à semi-conducteurs de puissance
• Capteurs MEMS
• Électronique automobile
• IC analogiques
• Dispositifs RF
• Capteurs d'image CMOS
• électronique industrielle
• Les circuits intégrés du pilote d'affichage

La croissance des véhicules électriques, de l'automatisation industrielle et des capteurs continue de soutenir une forte demande de fabrication de semi-conducteurs de 200 mm.

6. Wafer en silicium de 300 mm

Uneplaquettes en silicium de 300 mm, également appeléWafer en silicium de 12 pouces, est actuellement la plate-forme dominante pour la fabrication de semi-conducteurs avancés à haut volume.

Épaisseur typique

L'épaisseur nominale standard est approximativement:

775 μm

En raison du diamètre plus grand, les plaquettes de 300 mm nécessitent une épaisseur plus grande pour maintenir la rigidité mécanique pendant le traitement.

Avantages des plaquettes de 300 mm

Le principal avantage d'une plaque de 300 mm est la grande surface utilisable.

Comparé à une plaque de 200 mm, un substrat de 300 mm fournit beaucoup plus d'espace pour la fabrication de dispositifs semi-conducteurs.

Cela permet aux fabricants de produire plus de puces au cours de chaque cycle de fabrication.

Pour une production à très grand volume, cela peut réduire le coût de transformation par matériau.

Applications typiques

Les plaquettes de 300 mm sont couramment utilisées pour:

• Processeurs avancés
• Dispositifs de mémoire
• Circuits intégrés logiques
• L'informatique haute performance
• Processeurs à IA
• Production de CMOS à grande échelle
• Fonderies de semi-conducteurs avancées
• Puces pour appareils électroniques grand public

Cependant, les lignes de fabrication de semi-conducteurs de 300 mm nécessitent une automatisation étendue et un investissement en capital très élevé.

Par conséquent, cette taille de gaufre est généralement utilisée par les fabricants de semi-conducteurs à grande échelle.

7Pourquoi l'épaisseur de la gaufre augmente-t-elle avec le diamètre?

Une question courante est de savoir pourquoi les plus grandes plaquettes de silicium sont généralement plus épaisses.

La raison principale est la stabilité mécanique.

À mesure que le diamètre de la gaufre augmente, le substrat devient plus sensible à la flexion et à la déformation.

Une plaque doit rester suffisamment rigide pendant les étapes de traitement des semi-conducteurs telles que:

• Manipulation robotique des plaquettes
• Écoulement sous vide
• Couche de spinning
• Lithographie
• Détection par gravure au plasma
• Dépôts à couches minces
• Nettoyage à l'eau
• Inspection
• Métrologie

Si une grosse plaquette est trop mince, elle peut subir un arc, une déformation ou même une rupture mécanique excessifs.

L'augmentation de l'épaisseur des plaquettes améliore la rigidité de la structure et réduit le risque de dommages.

C'est pourquoi une plaquette de silicium typique de 300 mm est considérablement plus épaisse qu'une plaquette de 100 mm.

8Tolérance d'épaisseur de la gaufre

L'épaisseur nominale seule ne décrit pas pleinement la qualité dimensionnelle de la gaufre.

Les acheteurs devraient également prêter attentiontolérance d'épaisseuretVariation de l'épaisseur totale, communément appelée TTV.

Tolérance à l'épaisseur

La tolérance d'épaisseur définit l'écart autorisé par rapport à l'épaisseur cible de la gaufre.

Par exemple, une plaque peut être spécifiée comme:

725 ± 20 μm

Cela signifie que l'épaisseur de la gaufre finie doit rester dans la plage définie.

Variation de l'épaisseur totale

Le TTV mesure la différence entre l'épaisseur maximale et minimale de la plaque sur l'ensemble du substrat.

Un TTV inférieur est particulièrement important dans les applications impliquant:

• Collage de gaufres
• Lithographie
• Emballage avancé
• Fabrication de MEMS
• Le broyage de précision
• Traitement des plaquettes minces

Une gaufre peut avoir l'épaisseur moyenne correcte tout en ayant une variation d'épaisseur excessive.

Par conséquent, l'épaisseur nominale et la TTV devraient être incluses dans les spécifications critiques des plaquettes.

9L' arc et la distorsion sont également importants.

Les spécifications d'épaisseur doivent généralement être évaluées en même temps que l'arête et la déformation des plaquettes.

Faites une fleur.

L'arc décrit l'écart du centre de la gaufre par rapport à un plan de référence.

La distorsion.

La distorsion représente l'écart global de la surface de la gaufre par rapport à un plan de référence plat.

L'excès de courbure ou de déformation peut causer des problèmes pendant:

• Alignement de la lithographie
• Collage de gaufres
• Écoulement sous vide
• Le broyage
• Inspection
• Traitement automatisé

Les gaufres plus grandes sont particulièrement sensibles à ces paramètres géométriques.

Par conséquent, les applications de semi-conducteurs de précision peuvent exiger des limites strictes pour le TTV, l'arc et la déformation.

10Épaisseur standard contre épaisseur personnalisée

Les épaisseurs standard des plaquettes sont pratiques car elles sont compatibles avec les équipements de semi-conducteurs courants.

Cependant, de nombreuses applications nécessitent une épaisseur personnalisée.

Les plaquettes de silicium sur mesure peuvent être produites pour des applications telles que:

• Emballages en plaquettes minces
• Dispositifs de détection des émissions
• Collage temporaire des plaquettes
• Dispositifs à semi-conducteurs de puissance
• D'une teneur en silicium supérieure ou égale à 50%
• Capteurs
• Photonics
• Emballage avancé

Selon l'application, les plaquettes peuvent être broyées mécaniquement, gravées chimiquement ou polies pour obtenir l'épaisseur finale requise.

Les plaquettes ultra-minces nécessitent souvent une liaison temporaire à une plaquette porteuse car leur résistance mécanique devient insuffisante pour la manutention conventionnelle.

11. Orientation des plaquettes de silicium

Le diamètre et l'épaisseur ne sont qu'une partie de la spécification complète des plaquettes de silicium.

L'orientation des cristaux est un autre paramètre important.

Les deux orientations de silicium les plus courantes sont:

Si (100)

et

Si (111)

(100) le silicium est largement utilisé dans la fabrication de CMOS, MEMS et de nombreuses applications générales de semi-conducteurs.

(111) Le silicium est fréquemment choisi pour les dispositifs semi-conducteurs spécialisés, la recherche et certaines structures MEMS.

L'orientation correcte dépend de la structure du dispositif et du processus de fabrication.

12Wafers de silicium de type P ou de type N

Les plaquettes de silicium peuvent également être classées selon le type de conductivité.

Silicium de type P

Les plaquettes de type P sont généralement dopées de bore.

Ils contiennent des trous en tant que porteurs de charge majoritaires.

Silicium de type N

Les plaquettes de silicium de type N peuvent être dotées d'éléments tels que:

• Période d'utilisation
• L'arsenic
• Antimonyme

Les électrons sont les principaux porteurs de charge.

Le choix entre le silicium de type P et le silicium de type N dépend de l'architecture du dispositif semi-conducteur.

13Résistance des plaquettes de silicium

La résistivité électrique est un autre paramètre d'achat important.

La résistivité des plaquettes de silicium peut aller de très faibles valeurs pour les substrats fortement dopés à des valeurs extrêmement élevées pour les applications à haute résistivité.

Les applications typiques nécessitant une résistivité soigneusement contrôlée comprennent:

• Dispositifs RF
• Capteurs
• autres appareils pour le traitement de l'électricité
• MEMS
• Photonics
• Circuits intégrés

Lorsqu'ils demandent un devis, les acheteurs doivent préciser la fourchette de résistivité requise plutôt que de simplement demander un matériau de type P ou N.

14Les plaquettes de silicium SSP et DSP

Les plaquettes de silicium sont généralement disponibles sous les formes suivantes:

SSP Polie à une face

L'une des surfaces est polie tandis que la face opposée reste relativement rugueuse.

Les plaquettes SSP sont couramment utilisées pour le traitement standard des semi-conducteurs et de nombreuses applications de recherche.

DSP Polie à double face

Les deux surfaces sont polies.

Les plaquettes DSP sont souvent nécessaires pour:

• MEMS
• Collage de gaufres
• Applications optiques
• Emballage avancé
• Métrologie de précision

Les exigences en matière de rugosité de surface doivent également être précisées lorsque le polissage de haute qualité est nécessaire.

15. Identification à plat et en encoche

L'identification du bord de la gaufre a évolué à mesure que le diamètre de la gaufre augmentait.

Les plus petites plaquettes en silicium utilisent souvent des plaquettes pour l'identification de l'orientation.

Les gaufres plus grandes utilisent généralement une encoche.

Par exemple:

• Beaucoup de plaquettes de 100 mm et 150 mm utilisent des plaques plates
• Les plaquettes de 200 mm et 300 mm utilisent généralement des encoches

L'encoche ou le plan permet à l'équipement de semi-conducteurs de déterminer l'orientation du cristal et l'alignement de la plaque.

L'identification correcte de l'orientation est particulièrement importante dans les systèmes automatisés de manutention des plaquettes.

16. Sélectionner le diamètre correct de la gaufre

Le diamètre approprié de la gaufre dépend principalement de l'équipement de fabrication et du volume de production.

Choisissez 100 mm lorsque:

• Réalisation de recherches en laboratoire
• Développement de procédés de semi-conducteurs
• Produire de petites quantités
• Utilisation de l'équipement existant de 4 pouces

Choisissez 150 mm lorsque:

• Production de semi-conducteurs matures en exploitation
• Fabrication de MEMS ou de capteurs
• Fabrication de dispositifs spéciaux
• Utiliser un équipement de 6 pouces

Choisissez 200 mm lorsque:

• Fabrication de semi-conducteurs pour l'automobile
• Appareils de production de puissance
• Exécution de processus matures à volume élevé
• Utilisation de lignes de production 8 pouces établies

Choisissez 300 mm lorsque:

• Fabrication de circuits intégrés avancés
• Exploitation de fabrication à très grand volume
• Fabrication de mémoire ou de logique avancée
• Utilisation d'usines de semi-conducteurs hautement automatisées

Dans la plupart des cas, la compatibilité des équipements est le premier facteur qui détermine le diamètre de la gaufre.

17. Liste de vérification des spécifications des plaquettes de silicium

Avant d'acheter des plaquettes en silicium, il est utile de préparer une spécification technique complète.

Les paramètres importants sont les suivants:

• Matériau de gaufre
• Diamètre
• Épaisseur
• Tolérance d'épaisseur
• Orientation cristalline
• Type P ou type N
• Dépendant
• Résistance
• TTV
• Faites une fleur.
• La distorsion.
• SSP ou DSP
• Roughness de la surface
• Spécification de l'appareil plat ou à encoche
• Profil du bord
• Exigence de particules
• Quantité
• Exigences relatives à l'emballage

La fourniture de ces paramètres aide le fabricant de gaufres à évaluer si le matériau de stock standard peut être utilisé ou si un traitement personnalisé est nécessaire.

18Conclusion

Le diamètre et l'épaisseur des plaquettes de silicium sont parmi les paramètres les plus fondamentaux mais les plus importants dans la sélection du substrat de semi-conducteur.

Les tailles de gaufres les plus utilisées sont100 mm, 150 mm, 200 mm et 300 mm, avec une épaisseur nominale typique d'environ525 μm, 675 μm, 725 μm et 775 μm, respectivement.

Les plus petites plaquettes restent précieuses pour la recherche, les MEMS et la production de semi-conducteurs spécialisés, tandis que les plaquettes de 200 mm continuent de prendre en charge une grande partie de la fabrication industrielle de semi-conducteurs matures.En attendant., les plaquettes de 300 mm dominent la fabrication avancée de semi-conducteurs à volume élevé.

Cependant, pour choisir la bonne gaufre, il ne suffit pas de choisir le diamètre et l'épaisseur.

L'orientation cristalline, le type de conductivité, la résistivité, l'état de polissage, le TTV, l'arc, la déformation et la qualité de la surface doivent tous être considérés ensemble.

Pour les fabricants de semi-conducteurs, les laboratoires de recherche et les développeurs de dispositifs,La définition claire de ces spécifications permet de s'assurer que la plaque de silicium sélectionnée est entièrement compatible avec le processus de fabrication et les exigences du dispositif final..