Qu’est-ce qu’une plaquette de silicium ?

Le silicium est un élément chimique gris, cassant et tétravalent. Il constitue 27,8% de la croûte terrestre et, après l’oxygène, il est l’élément le plus abondant dans la nature. Parmi les matériaux les plus courants qui contiennent du silicium, on trouve le quartz, l’agate, le silex et le sable de plage commun, entre autres. Le silicium est le principal composant des matériaux de construction comme le ciment, la brique et le verre. Le silicium est également le matériau le plus courant pour la fabrication des semi-conducteurs et des micropuces. Ironiquement, le silicium en lui-même ne conduit pas très bien l’électricité ; cependant, il peut se charger précisément de dopants afin de contrôler la résistivité selon une spécification exacte.

Avant qu’un semi-conducteur puisse être construit, le silicium doit se transformer en une plaquette. Cela commence par la croissance d’un lingot de silicium. Un monocristal de silicium est constitué d’atomes disposés selon un motif périodique tridimensionnel qui s’étend sur tout le matériau. Un cristal de polysilicium est formé de nombreux petits monocristaux avec des orientations différentes, qui, seuls, ne peuvent pas être utilisés pour des dispositifs semi-conducteurs.

Fabrication d’une plaquette de silicium

Le temps nécessaire à la croissance d’un lingot de silicium varie, en fonction de nombreux facteurs. Plus de 75 % de toutes les plaquettes de silicium monocristallin croissent par la méthode de Czochralski (CZ). La croissance des lingots CZ nécessite des morceaux de silicium polycristallin vierge. Ces morceaux sont placés dans un creuset en quartz avec de petites quantités d’éléments spécifiques des groupes III et V appelés dopants. Les dopants ajoutés donnent les propriétés électriques souhaitées pour le lingot en croissance. Les dopants les plus courants sont le bore, le phosphore, l’arsenic et l’antimoine. Selon le dopant, le lingot devient un lingot de type P ou N (bore : type P ; Phosphore, antimoine, arsenic : type N).

Croissance du lingot

Pour faire croître un lingot, la première étape consiste à chauffer le silicium à 1420°C, au-dessus du point de fusion du silicium. Une fois que la combinaison polycristalline et dopante a été liquéfiée, un monocristal de silicium, le germe, est positionné au sommet de la fusion, touchant à peine la surface. Le germe a la même orientation cristalline que celle requise dans le lingot fini. Pour obtenir une uniformité de dopage, le cristal germe et le creuset de silicium en fusion tournent dans des directions opposées. Une fois que le système a atteint les conditions appropriées pour la croissance des cristaux, le cristal d’ensemencement se soulève lentement de la masse fondue. La croissance commence par une traction rapide du cristal germe. Cela minimise le nombre de défauts du cristal dans le germe au début du processus de croissance.

Après cela, la vitesse de tirage diminue pour permettre au diamètre du cristal d’augmenter. Lorsque le diamètre souhaité est obtenu, les conditions de croissance sont stabilisées pour maintenir le diamètre. Lorsque le germe est lentement soulevé au-dessus de la masse fondue, la tension superficielle entre le germe et la masse fondue fait qu’un mince film du silicium adhère au germe puis se refroidit. Pendant le refroidissement, les atomes du silicium fondu s’orientent vers la structure cristalline de la graine.

Découpage

Une fois que le lingot est complètement développé, il est broyé à un diamètre de taille grossière qui est légèrement plus grand que le diamètre cible de la plaquette de silicium finale. Le lingot est pourvu d’une encoche ou d’un méplat, afin d’indiquer son orientation. Après avoir passé un certain nombre d’inspections, le lingot passe au tranchage. En raison de la dureté du silicium, une scie diamantée tranche soigneusement les plaquettes de silicium afin qu’elles soient légèrement plus épaisses que la spécification visée. La scie à bord diamanté permet également de minimiser les dommages aux plaquettes, les variations d’épaisseur et les défauts de courbure et de déformation.

Après le tranchage des plaquettes, le processus de rodage commence. Le rodage de la plaquette élimine les marques de scie et les défauts de surface de l’avant et de l’arrière de la plaquette. Il permet également d’amincir la plaquette et de soulager les contraintes accumulées dans la plaquette lors du processus de découpage. Après le rodage, les plaquettes de silicium sont soumises à un processus de gravure et de nettoyage. L’hydroxyde de sodium ou les acides acétique et nitrique atténuent les fissures microscopiques et/ou les dommages de surface qui ont pu se produire pendant le rodage. Une procédure de meulage des bords critiques a lieu pour arrondir les bords, ce qui réduit considérablement la probabilité de rupture dans les étapes restantes de la fabrication et plus tard lorsque les fabricants de dispositifs utilisent les plaquettes.

Après avoir arrondi les bords, selon les spécifications de l’utilisateur final, les bords passent souvent par une étape de polissage supplémentaire, améliorant la propreté globale et réduisant encore plus la rupture jusqu’à 400%.

Nettoyage

L’étape finale et la plus cruciale du processus de fabrication est le polissage de la plaquette. Ce processus se déroule dans une salle blanche. Les salles blanches ont un système de classification qui va de la classe 1 à la classe 10 000. Le classement correspond au nombre de particules par pied cube. Ces particules ne sont pas visibles à l’œil nu et dans une atmosphère non contrôlée, comme un salon ou un bureau, le nombre de particules serait probablement de 5 millions par pied cube. Pour contribuer à maintenir ce niveau de propreté, les travailleurs doivent porter des combinaisons de salle blanche qui couvrent leur corps de la tête aux pieds et ne recueillent ni ne transportent aucune particule. Ils se tiennent également sous un ventilateur qui souffle toutes les petites particules qui auraient pu s’accumuler avant d’entrer dans la salle.

Polissage

La plupart des plaquettes de silicium de première qualité passent par 2 ou 3 étapes de polissage, en utilisant des boues ou des composés de polissage progressivement plus fins. La majorité du temps, les plaquettes sont polies sur la face avant uniquement, à l’exception des plaquettes de 300 mm qui sont polies sur les deux faces. Le polissage produit une finition miroir. Le polissage permet également de distinguer la face à utiliser pour la fabrication du dispositif. Cette surface doit être exempte de topographie, de microfissures, de rayures et de dommages de travail résiduels.

Le processus de polissage se déroule en deux étapes, qui sont l’enlèvement du stock et le polissage mécanique chimique (CMP) final. Les deux processus utilisent des tampons de polissage et une boue de polissage. Le processus d’enlèvement du matériau enlève une très fine couche de silicium et est nécessaire pour produire une surface de plaquette sans dommage. En revanche, le polissage final ne retire aucun matériau. Au cours du processus d’enlèvement du stock, un voile se forme à la surface de la plaquette, de sorte qu’une étape supplémentaire de polissage donne à la plaquette une finition miroir.

Après le polissage, les plaquettes de silicium passent à une étape de nettoyage final qui utilise une longue série de bains propres. Ce processus permet d’éliminer les particules de surface, les traces de métaux et les résidus. Souvent, un lavage de la face arrière est effectué pour éliminer les plus petites particules.

Emballage

Une fois que les plaquettes ont terminé l’étape de nettoyage final, les ingénieurs les trient par spécification et les inspectent sous des lumières à haute intensité ou des systèmes de balayage laser. Cela permet de détecter les particules indésirables ou d’autres défauts qui ont pu se produire pendant la fabrication. Toutes les plaquettes qui répondent aux spécifications appropriées sont emballées dans des cassettes et scellées avec du ruban adhésif. Les plaquettes sont expédiées dans un sac en plastique sous vide avec un sac extérieur en aluminium hermétique. Cela garantit qu’aucune particule ou humidité ne pénètre dans la cassette à la sortie de la salle blanche.