met een breedte van niet meer dan 15 mmvan geïntegreerde schakelingen en MEMS-sensoren tot krachtoestellen, fotonica en geavanceerde verpakkingen,de diameter en dikte van een siliciumwafer hebben een directe invloed op de compatibiliteit van de apparatuur, mechanische stabiliteit, procesopbrengst en productiekosten.

Onder commercieel verkrijgbare siliciumsubstratenWafers van 100 mm, 150 mm, 200 mm en 300 mmElke diameter is gekoppeld aan typische dikte normen en verschillende toepassingsscenario's.

Deze handleiding legt de gemeenschappelijke standaarden voor de diameter en dikte van siliciumwafers uit, waarom de dikte toeneemt met de wafergrootte,en hoe de juiste wafer specificatie voor verschillende halfgeleider toepassingen te selecteren.

1Waarom de Silicon Wafer Diameter Belangrijk Is

De diameter van de siliciumwafer bepaalt het bruikbare oppervlak dat beschikbaar is voor de fabricage van het apparaat.

Een grotere wafer kan meer halfgeleidermatrijzen opnemen tijdens dezelfde verwerkingscyclus.Dit kan de productie-efficiëntie aanzienlijk verbeteren en de productiekosten per chip verlagen..

De meest voorkomende commerciële waferdiameters zijn:

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

Kleine wafers zoals 2-inch en 3-inch substraten worden nog steeds gebruikt in onderzoekslaboratoria en bepaalde speciale halfgeleidertoepassingen, maar ze komen minder vaak voor in de moderne industriële productie.

De overgang naar grotere wafers heeft geleidelijk plaatsgevonden naarmate de apparatuur voor de fabricage van halfgeleiders geavanceerder is geworden.

Voor grotere wafers zijn echter geavanceerdere manipulatiesystemen, poetsprocessen en productieapparatuur nodig.

Om deze reden is het kiezen van een waferdiameter niet alleen een kwestie van het kiezen van de grootste beschikbare maat.

2Typische standaarden voor de diameter en dikte van siliciumwafers

De volgende waarden geven de algemeen gebruikte nominale diktes voor standaard siliciumwafers weer.

Deze waarden moeten worden beschouwd als typische sectorreferenties in plaats van als universele eisen.

De werkelijke waferdikte kan variëren afhankelijk van:

• Vervaardigingsproces van halfgeleiders
• Kristallenoriëntatie
• Type dopant
• Resistiviteit
• Verplichte poetswerkzaamheden
• Structuur van het apparaat
• Mechanische sterkte vereiste
• Specificatie van de klant

Op maat gemaakte siliciumwafers kunnen ook worden vervaardigd met diktes die aanzienlijk verschillen van de standaardwaarden.

3. 100 mm siliciumwafer

Een100 mm siliconen wafer, gewoonlijk een4 inch siliconen wafer, wordt nog steeds veel gebruikt voor onderzoek, MEMS, sensoren en speciale halfgeleiderapparaten.

Typische dikte

De gemeenschappelijke nominale dikte is ongeveer:

525 μm

Er zijn ook vaak aangepaste diktes verkrijgbaar.

Voordelen van wafers van 100 mm

In vergelijking met grotere wafers bieden 100 mm wafers verschillende praktische voordelen.

Ze vereisen minder dure apparatuur en zijn relatief gemakkelijk te hanteren tijdens laboratorium- of proefprocessen.

Voor bedrijven die nieuwe halfgeleiderapparaten ontwikkelen, kan het gebruik van 100 mm-wafers de kosten van experimentele productie verlagen.

Zij zijn vooral nuttig wanneer het productievolume relatief klein is.

Gemeenschappelijke toepassingen

100 mm siliciumwafers worden vaak gebruikt voor:

• Onderzoek op het gebied van halfgeleiders
• Universitaire laboratoria
• Ontwikkeling van MEMS
• Vervaardiging van sensoren
• Onderzoek in de fotonica
• Prototypen van krachtoestellen
• Microfluïde apparaten
• Ontwikkeling van halfgeleiderprocessen

Veel aangepaste waferspecificaties zijn ook beschikbaar in deze diameter vanwege het brede scala aan onderzoekstoepassingen.

4. 150 mm Silicon Wafer

Een150 mm siliconen wafer, ook wel bekend als een6 inch wafer, is een belangrijke overgang tussen laboratoriale substraten en industriële wafers met een hoger volume.

Typische dikte

De gemeenschappelijke nominale dikte is ongeveer:

675 μm

Afhankelijk van het productieproces kunnen ook aangepaste dikte-specificaties worden aangevraagd.

Waarom 150-mm-wafers nog steeds veel worden gebruikt

Hoewel grotere wafergroottes beschikbaar zijn, blijven veel gevestigde halfgeleiderproductielijnen met 150 mm-apparatuur werken.

Het vervangen van een hele productielijn voor halfgeleiders door grotere waferapparatuur vereist aanzienlijke investeringen.

Als gevolg daarvan blijven 150 mm-wafers belangrijk voor volwassen halfgeleidertechnologieën.

Typische toepassingen

De meest voorkomende toepassingen zijn:

• Analoog halfgeleiderapparaten
• Discrete halfgeleidercomponenten
• MEMS-sensoren
• Elektronica voor de automobielindustrie
• industriële halfgeleiderapparaten
• Vermogenselektronica
• Opto-elektronica-apparaten

Voor de productie van middelgrote hoeveelheden kunnen 150 mm-wafers een effectief evenwicht bieden tussen productiekosten en productie-efficiëntie.

5. 200 mm Silicon Wafer

Een200 mm siliconen wafer, gewoonlijk een8 inch siliconen wafer, is een van de belangrijkste wafergroottes die wordt gebruikt bij de vervaardiging van halfgeleiders.

Typische dikte

De standaard nominale dikte is gewoonlijk ongeveer:

725 μm

200 mm-wafers worden veel gebruikt in gevestigde productielijnen voor grote hoeveelheden.

Waarom 200-mm-wafers nog steeds belangrijk zijn

Hoewel geavanceerde halfgeleiderfabrieken steeds vaker 300 mm-wafers gebruiken, blijft het 200 mm-platform uiterst belangrijk voor volwassen halfgeleidertechnologieën.

Veel halfgeleiderproducten vereisen niet de nieuwste procesknooppunten.

Voor deze apparaten kan het gebruik van een productielijn van 200 mm een uitstekende productie-economie opleveren.

Gemeenschappelijke toepassingen

200 mm siliciumwafers worden veel gebruikt in:

• Elektrische apparaten
• MEMS-sensoren
• Elektronica voor de automobielindustrie
• analoge IC's
• RF-apparaten
• CMOS-beeldsensoren
• Industriële elektronica
• IC's voor het weergeven van stuurprogramma's

De groei van elektrische voertuigen, industriële automatisering en sensoren blijft de sterke vraag naar 200 mm halfgeleiderproductie ondersteunen.

6. 300 mm Silicon Wafer

Een300 mm siliconen wafer, ook wel een12 inch siliconen wafer, is momenteel het dominante platform voor geavanceerde productie van hoogvolume halfgeleiders.

Typische dikte

De standaard nominale dikte is ongeveer:

775 μm

Vanwege de grotere diameter vereisen 300 mm-wafers een grotere dikte om de mechanische stijfheid tijdens de verwerking te behouden.

Voordelen van wafers van 300 mm

Het belangrijkste voordeel van een 300 mm wafer is de grote bruikbare oppervlakte.

In vergelijking met een 200 mm-wafer biedt een 300 mm-substraat aanzienlijk meer ruimte voor de fabricage van halfgeleiders.

Hierdoor kunnen fabrikanten tijdens elke productiecyclus meer chips produceren.

Bij zeer grote productievolumes kan dit de verwerkingskosten per matras verlagen.

Typische toepassingen

Wafers van 300 mm worden gewoonlijk gebruikt voor:

• Geavanceerde verwerkers
• Geheugenapparaten
• Logische IC's
• High-performance computing
• AI-verwerkers
• Productie van CMOS in grote hoeveelheden
• Geavanceerde halfgeleidergieterijen
• chips voor consumentenelektronica

De productielijnen voor halfgeleiders van 300 mm vereisen echter een uitgebreide automatisering en zeer hoge kapitaalinvesteringen.

Daarom wordt deze wafergrootte over het algemeen gebruikt door grootschalige halfgeleiderfabrikanten.

7. Waarom neemt de waferdikte toe met de diameter?

Een veelgestelde vraag is waarom grotere siliconen wafers over het algemeen dikker zijn.

De belangrijkste reden is de mechanische stabiliteit.

Naarmate de waferdiameter toeneemt, wordt het substraat gevoeliger voor buiging en vervorming.

Een wafer moet voldoende stijf blijven tijdens stappen van de halfgeleiderverwerking, zoals:

• Robotic wafer handling
• Vacuümschieten
• Spincoating
• Lithografie
• Plasma-etsen
• Dunne film afzetting
• natte reiniging
• Inspectie
• Metrologie

Als een grote wafer te dun is, kan deze overmatig gebogen, vervormd of zelfs mechanisch gebroken raken.

Door de dikte van de wafer te vergroten, wordt de structurele stijfheid verbeterd en wordt het risico op beschadiging bij het hanteren verminderd.

Daarom is een typische 300 mm siliconen wafer aanzienlijk dikker dan een 100 mm wafer.

8. Waferdikte Tolerantie

De nominale dikte alleen beschrijft niet volledig de dimensionale kwaliteit van de wafer.

Koper dient ook aandacht te schenken aandiktevertrouwenenTotaal dikteverschil, algemeen aangeduid als TTV.

Dikte Tolerantie

De dikte-tolerantie bepaalt de toegestane afwijking van de doelwaferdikte.

Een wafer kan bijvoorbeeld worden gespecificeerd als:

725 ± 20 μm

Dit betekent dat de einddikte van de wafel binnen het vastgestelde bereik moet blijven.

Totaal dikteverschil

TTV meet het verschil tussen de maximale en minimale waferdikte over het hele substraat.

Een lagere TTV is bijzonder belangrijk bij toepassingen waarbij:

• Waferbinding
• Lithografie
• Geavanceerde verpakking
• Vervaardiging van MEMS
• Precision grinding
• Verwerking van dunne wafers

Een wafer kan de juiste gemiddelde dikte hebben, maar toch een overmatige dikte variatie hebben.

Daarom moeten zowel de nominale dikte als de TTV in de kritische waferspecificaties worden opgenomen.

9Boog en warp zijn ook belangrijk.

De diktespecificaties moeten gewoonlijk samen met de waferboog en de warp worden geëvalueerd.

Buigen.

Bow beschrijft de afwijking van het wafercentrum van een referentievlak.

Warp snelheid.

Warp vertegenwoordigt de totale afwijking van het oppervlak van de wafer van een vlak referentievlak.

Overmatige boog of warp kan problemen veroorzaken tijdens:

• Lithografie-uitlijning
• Waferbinding
• Vacuümschieten
• Vervaardiging
• Inspectie
• Geautomatiseerde behandeling

Grotere wafers zijn bijzonder gevoelig voor deze geometrische parameters.

Daarom kunnen toepassingen voor precisie-halfgeleiders strikte limieten vereisen voor TTV, boog en warp.

10. Standaarddikte vs. aangepaste dikte

Standaard waferdiktes zijn handig omdat ze compatibel zijn met gewone halfgeleiderapparatuur.

Veel toepassingen vereisen echter een aangepaste dikte.

Voor gebruik in de volgende toepassingen kunnen op maat gemaakte siliciumwafers worden geproduceerd:

• Verpakkingen van dunne wafers
• MEMS-diafragma's
• Tijdelijke binding van wafers
• Elektrische apparaten
• andere, met een breedte van niet meer dan 50 mm
• Sensoren
• Photonics
• Geavanceerde verpakking

Afhankelijk van de toepassing kunnen wafers mechanisch worden gemalen, chemisch worden gegraveerd of gepolijst om de vereiste uiteindelijke dikte te bereiken.

Ultradunne wafers vereisen vaak tijdelijke binding aan een dragerwafer omdat hun mechanische sterkte onvoldoende wordt voor conventionele behandeling.

11. Silicon Wafer Orientatie

Diameter en dikte zijn slechts een deel van de volledige specificatie van siliciumwafers.

De oriëntatie van de kristallen is een andere belangrijke parameter.

De twee meest voorkomende siliciumoriëntatie zijn:

Si (100)

en

Si (111)

(100) silicium wordt veel gebruikt in CMOS-productie, MEMS en veel algemene halfgeleidertoepassingen.

(111) Silicium wordt vaak geselecteerd voor gespecialiseerde halfgeleiderapparaten, onderzoek en bepaalde MEMS-structuren.

De juiste oriëntatie is afhankelijk van de structuur van het apparaat en het fabricageproces.

12. P-type versus N-type siliciumwafers

Silicon wafers kunnen ook worden ingedeeld naar geleidbaarheidstype.

P-type silicium

P-type wafers worden gewoonlijk gedopeerd met boor.

Ze bevatten gaten als de meeste ladingsdragers.

Silicium van het type N

N-type siliciumwafers kunnen worden gedopt met elementen zoals:

• Fosfor
• Arseen
• Antimon

Elektronen zijn de meeste ladingdragers.

De keuze tussen P-type en N-type silicium is afhankelijk van de architectuur van het halfgeleiderapparaat.

13Resistiviteit van siliciumwafers

De elektrische weerstand is een andere belangrijke aankoopparameter.

De resistiviteit van siliciumwafers kan variëren van zeer lage waarden voor zwaar gedopeerde substraten tot extreem hoge waarden voor toepassingen met een hoge resistiviteit.

Typische toepassingen die een zorgvuldig gecontroleerde weerstand vereisen zijn:

• RF-apparaten
• Sensoren
• andere elektrische apparaten
• MEMS
• Photonics
• Geïntegreerde schakelingen

Bij het aanvragen van een offerte moeten kopers het vereiste weerstandsbereik specificeren in plaats van eenvoudig materiaal van het type P of N te vragen.

14. SSP vs. DSP Silicon Wafers

Siliciumwafers zijn gewoonlijk verkrijgbaar als:

SSP ¢ eenzijdig gepolijst

Het ene oppervlak wordt gepolijst, terwijl de andere zijde relatief ruw blijft.

SSP-wafers worden gewoonlijk gebruikt voor standaard halfgeleiderverwerking en veel onderzoekstoepassingen.

DSP dubbelzijdig gepolijst

Beide oppervlakken zijn gepolijst.

DSP-wafers zijn vaak vereist voor:

• MEMS
• Waferbinding
• Optische toepassingen
• Geavanceerde verpakking
• Precision metrology

Er moeten ook eisen worden gesteld aan de oppervlaktebuigzaamheid wanneer een hoogwaardige polijst nodig is.

15. Identificatie van platte en inkeringen

Waferrandidentificatie is geëvolueerd naarmate de waferdiameter is toegenomen.

Kleine siliciumwafers gebruiken vaak flats voor oriëntatie-identificatie.

Grotere wafers gebruiken over het algemeen een inkeping.

Bijvoorbeeld:

• Veel wafers van 100 mm en 150 mm gebruiken platte wafers
• 200 mm en 300 mm wafers gebruiken vaak inkeringen

De inkeping of het vlak maakt het mogelijk voor halfgeleiderapparatuur om de oriëntatie van het kristal en de uitlijning van de wafer te bepalen.

De correcte oriëntatie is bijgevolg bijzonder belangrijk in geautomatiseerde wafersystemen.

16. Het kiezen van de juiste waferdiameter

De juiste waferdiameter hangt vooral af van de productieapparatuur en het productievolume.

Kies 100 mm wanneer:

• Het uitvoeren van laboratoriumonderzoek
• Ontwikkeling van halfgeleiderprocessen
• Productie in kleine hoeveelheden
• Gebruik bestaande apparatuur van 4 inch

Kies 150 mm wanneer:

• Productie van volwassen halfgeleiders
• Vervaardiging van MEMS-systemen of sensoren
• Productie van speciale hulpmiddelen
• Gebruik van gevestigde apparatuur van 6 inch

Kies 200 mm wanneer:

• Vervaardiging van halfgeleiders voor de automobielindustrie
• Productie-energieapparatuur
• Het uitvoeren van volwassen processen met een groot volume
• Gebruik van gevestigde 8-inch productielijnen

Kies 300 mm wanneer:

• Productie van geavanceerde geïntegreerde schakelingen
• Vervaardiging in zeer grote hoeveelheden
• Vervaardiging van geheugen of geavanceerde logica
• Met behulp van zeer geautomatiseerde halfgeleiderfabrieken

In de meeste gevallen is de compatibiliteit van de apparatuur de eerste factor die de waferdiameter bepaalt.

17. Checklijst met specificaties voor siliciumwafers

Alvorens siliciumwafers te kopen, is het nuttig om een volledige technische specificatie op te stellen.

Belangrijke parameters zijn:

• Wafermateriaal
• Diameter
• Dikte
• Tolerantie voor dikte
• Kristallenoriëntatie
• P-type of N-type
• Dopant
• Resistiviteit
• TTV
• Buigen.
• Warp snelheid.
• SSP of DSP
• Ruwheid van het oppervlak
• Specificatie van platte of inkeping
• Randprofiel
• Deeltjesvereiste
• Hoeveelheid
• Verpakkingsvereisten

Het verstrekken van deze parameters helpt de waferfabrikant te beoordelen of standaard voorraadmateriaal kan worden gebruikt of een aangepaste verwerking vereist is.

18Conclusies

De diameter en de dikte van de siliciumwafer behoren tot de meest elementaire maar toch belangrijke parameters bij de selectie van halfgeleidersubstraten.

De meest gebruikte wafer maten zijn100 mm, 150 mm, 200 mm en 300 mm, met een typische nominale dikte van ongeveer525 μm, 675 μm, 725 μm en 775 μm, respectievelijk.

Kleine wafers blijven waardevol voor onderzoek, MEMS en speciale halfgeleiderproductie, terwijl 200 mm wafers een groot deel van de volwassen industriële halfgeleiderproductie blijven ondersteunen.Ondertussen..., 300 mm wafers domineren de geavanceerde, grote volume halfgeleider fabricage.

Het kiezen van de juiste wafer vereist echter meer dan alleen het kiezen van de diameter en dikte.

De oriëntatie van de kristallen, het type geleidbaarheid, de resistiviteit, de polijstconditie, de TTV, de boog, de warp en de oppervlaktekwaliteit moeten samen worden overwogen.

Voor halfgeleiderfabrikanten, onderzoekslaboratoria en ontwikkelaars van apparateneen duidelijke omschrijving van deze specificaties zorgt ervoor dat de geselecteerde siliciumwafer volledig compatibel is met zowel het fabricageproces als de eisen van het eindtoestel.