सिलिकॉन वेफर्सकभी भी पूरी तरह से गोलाकार नहीं होते हैं। इसके बजाय, उनमें एक सपाट किनारा (फ्लैट) या एक छोटा सा इंडेंटेशन (नॉट) होता है। हालाँकि ये सुविधाएँ यांत्रिक संरेखण सहायता के रूप में प्रतीत हो सकती हैं, लेकिन उनका वास्तविक कार्य क्रिस्टलोग्राफिक है। आधुनिक सेमीकंडक्टर निर्माण में, वेफर अभिविन्यास एक मौलिक भौतिक चर है जो सीधे ऑक्सीकरण, नक़्क़ाशी, आयन प्रत्यारोपण, तनाव इंजीनियरिंग और वाहक परिवहन को प्रभावित करता है। यह लेख बताता है कि सिंगल-क्रिस्टल सिलिकॉन वेफर्स के लिए अभिविन्यास अंकन क्यों अपरिहार्य है और नैनोमीटर-स्केल उपकरणों में परमाणु-पैमाने की प्रक्रिया नियंत्रण बनाए रखने के लिए फ्लैट और नॉच क्यों आवश्यक हैं।
एक सिलिकॉन वेफर पदार्थ की एक सजातीय डिस्क नहीं है; यह एक अत्यधिक क्रमबद्ध हीरे-क्यूबिक जाली के साथ एक एकल क्रिस्टल है। आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले अभिविन्यास—(100), (110), और (111)—विभिन्न परमाणु तल घनत्व और बंधन ज्यामिति का प्रतिनिधित्व करते हैं।
ये क्रिस्टलोग्राफिक दिशाएँ कई भौतिक और रासायनिक गुणों को निर्धारित करती हैं:
सतह ऊर्जा
ऑक्सीकरण कैनेटीक्स
अनाइसोट्रोपिक गीली और सूखी नक़्क़ाशी दरें
आयन चैनलिंग संभावना
वाहक गतिशीलता विषमता
दोष प्रसार और स्लिप सिस्टम
इसलिए, एक सिलिकॉन वेफर केवल एक सब्सट्रेट नहीं है; यह एक दिशात्मक भौतिक प्रणाली है। इस पर निर्मित प्रत्येक नैनोमीटर-स्केल डिवाइस इस विषमता को विरासत में लेता है।
एक संपूर्ण डिस्क में अनंत घूर्णी समरूपता होती है। बाहरी संदर्भ के बिना, कोई भी भौतिक प्रक्रिया एक इन-प्लेन दिशा को दूसरे से अलग नहीं कर सकती है।
हालांकि, सेमीकंडक्टर निर्माण के लिए आवश्यक है कि प्रत्येक वेफर में अपनी क्रिस्टल जाली के सापेक्ष एक अच्छी तरह से परिभाषित इन-प्लेन अभिविन्यास हो। इसके बिना:
आयन प्रत्यारोपण अनियंत्रित चैनलिंग का अनुभव करेगा
नक़्क़ाशी उपकरणों में भिन्न होगी
तनाव इंजीनियरिंग दिशात्मक सुसंगतता खो देगी
ट्रांजिस्टर गतिशीलता वेफर में सांख्यिकीय रूप से भिन्न होगी
इस प्रकार, एक सिलिकॉन वेफर में एक समरूपता-ब्रेकिंग सुविधा शामिल होनी चाहिए जो एक निश्चित क्रिस्टलोग्राफिक अक्ष को परिभाषित करती है।
फ्लैट और नॉच सूक्ष्म क्रिस्टल अभिविन्यास के मैक्रोस्कोपिक एन्कोडिंग के रूप में कार्य करते हैं।
एकल-क्रिस्टल बाउल से वेफर स्लाइसिंग के दौरान, निर्माता कट को इस प्रकार संरेखित करता है:
फ्लैट या नॉच एक विशिष्ट क्रिस्टल दिशा के समानांतर है (उदाहरण के लिए, ⟨110⟩ या ⟨100⟩)
वेफर सतह तल (उदाहरण के लिए, (100)) और इन-प्लेन दिशा विशिष्ट रूप से परिभाषित हैं
यह अन्यथा घूर्णी रूप से सममित वस्तु को दिशात्मक रूप से अनुक्रमित सब्सट्रेट में परिवर्तित करता है।
प्रत्येक निर्माण उपकरण—लिथोग्राफी, प्रत्यारोपण, नक़्क़ाशी, सीएमपी, और मेट्रोलॉजी—अपने संचालन को क्रिस्टल जाली के साथ संरेखित करने के लिए इस संदर्भ का उपयोग करता है।
आधुनिक सीएमओएस, फिनफेट, और गेट-ऑल-अराउंड (जीएए) डिवाइस ऐसे शासन में काम करते हैं जहां परमाणु-पैमाने का भौतिकी हावी है।
कई उदाहरण बताते हैं कि क्रिस्टल अभिविन्यास को क्यों लॉक किया जाना चाहिए:
डोपेंट आयन कम-इंडेक्स क्रिस्टल चैनलों के साथ गहराई तक यात्रा कर सकते हैं। यदि वेफर अभिविन्यास भिन्न होता है, तो चैनलिंग गहराई और डोपेंट प्रोफाइल अप्रत्याशित हो जाते हैं।
सिलिकॉन नक़्क़ाशी दरें (100), (110), और (111) तलों के बीच भारी अंतर करती हैं। गलत संरेखण खाई के आकार, पार्श्व कोण और महत्वपूर्ण आयामों को बदलता है।
सिलिकॉन में इलेक्ट्रॉन और होल गतिशीलता दिशा-निर्भर होती है। डिवाइस के प्रदर्शन को विशिष्ट क्रिस्टल दिशाओं के साथ चैनलों को संरेखित करके अनुकूलित किया जाता है।
एक निश्चित वेफर संदर्भ के बिना, इनमें से किसी भी पैरामीटर को नैनोमीटर-स्तर की पुनरावृत्ति के साथ नियंत्रित नहीं किया जा सकता है।
प्रारंभिक वेफर्स (4–6 इंच) ने लंबे फ्लैट का उपयोग किया। जैसे-जैसे वेफर का व्यास 200 मिमी और 300 मिमी तक बढ़ा, उद्योग ने भौतिक और आर्थिक कारणों से नॉच को अपनाया:
एक नॉच बहुत कम किनारा क्षेत्र घेरता है, जिससे उपयोगी डाई गणना बढ़ जाती है
यह यांत्रिक समरूपता को संरक्षित करता है, जिससे वेफर हैंडलिंग में सुधार होता है
रोबोटिक और ऑप्टिकल संरेखण प्रणालियों के लिए इसका पता लगाना आसान है
यह वेफर परिधि पर तनाव क्षेत्रों को विकृत नहीं करता है
इस प्रकार, नॉच एक उच्च-सटीक क्रिस्टलोग्राफिक मार्कर है जो स्वचालित फैब के लिए अनुकूलित है।
उन्नत सेमीकंडक्टर निर्माण में, नैनोमीटर-स्केल भौतिक घटनाओं को मिलीमीटर-स्केल यांत्रिक प्रणालियों के साथ संरेखित किया जाना चाहिए।
फ्लैट या नॉच यह अनुवाद करता है:
यह परमाणु जाली को फैक्ट्री समन्वय प्रणाली से जोड़ता है।
इसके बिना, आधुनिक लिथोग्राफी, नक़्क़ाशी, प्रत्यारोपण और तनाव इंजीनियरिंग अपना भौतिक संदर्भ फ्रेम खो देंगे।
एक सिलिकॉन वेफर पर फ्लैट या नॉच एक यांत्रिक कलाकृति नहीं है—यह एक क्रिस्टलोग्राफिक एंकर है।
यह सुनिश्चित करता है कि प्रत्येक ट्रांजिस्टर, प्रत्येक चैनल और प्रत्येक परमाणु परत सिलिकॉन जाली के साथ एक निश्चित संबंध में बनाई गई है। एक ऐसे युग में जहां डिवाइस के आयाम कुछ दर्जन परमाणुओं के आकार के करीब हैं, यह छोटी ज्यामितीय विशेषता पूरे सेमीकंडक्टर पारिस्थितिकी तंत्र में सबसे महत्वपूर्ण संरचनाओं में से एक बन जाती है।
सिलिकॉन वेफर्सकभी भी पूरी तरह से गोलाकार नहीं होते हैं। इसके बजाय, उनमें एक सपाट किनारा (फ्लैट) या एक छोटा सा इंडेंटेशन (नॉट) होता है। हालाँकि ये सुविधाएँ यांत्रिक संरेखण सहायता के रूप में प्रतीत हो सकती हैं, लेकिन उनका वास्तविक कार्य क्रिस्टलोग्राफिक है। आधुनिक सेमीकंडक्टर निर्माण में, वेफर अभिविन्यास एक मौलिक भौतिक चर है जो सीधे ऑक्सीकरण, नक़्क़ाशी, आयन प्रत्यारोपण, तनाव इंजीनियरिंग और वाहक परिवहन को प्रभावित करता है। यह लेख बताता है कि सिंगल-क्रिस्टल सिलिकॉन वेफर्स के लिए अभिविन्यास अंकन क्यों अपरिहार्य है और नैनोमीटर-स्केल उपकरणों में परमाणु-पैमाने की प्रक्रिया नियंत्रण बनाए रखने के लिए फ्लैट और नॉच क्यों आवश्यक हैं।
एक सिलिकॉन वेफर पदार्थ की एक सजातीय डिस्क नहीं है; यह एक अत्यधिक क्रमबद्ध हीरे-क्यूबिक जाली के साथ एक एकल क्रिस्टल है। आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले अभिविन्यास—(100), (110), और (111)—विभिन्न परमाणु तल घनत्व और बंधन ज्यामिति का प्रतिनिधित्व करते हैं।
ये क्रिस्टलोग्राफिक दिशाएँ कई भौतिक और रासायनिक गुणों को निर्धारित करती हैं:
सतह ऊर्जा
ऑक्सीकरण कैनेटीक्स
अनाइसोट्रोपिक गीली और सूखी नक़्क़ाशी दरें
आयन चैनलिंग संभावना
वाहक गतिशीलता विषमता
दोष प्रसार और स्लिप सिस्टम
इसलिए, एक सिलिकॉन वेफर केवल एक सब्सट्रेट नहीं है; यह एक दिशात्मक भौतिक प्रणाली है। इस पर निर्मित प्रत्येक नैनोमीटर-स्केल डिवाइस इस विषमता को विरासत में लेता है।
एक संपूर्ण डिस्क में अनंत घूर्णी समरूपता होती है। बाहरी संदर्भ के बिना, कोई भी भौतिक प्रक्रिया एक इन-प्लेन दिशा को दूसरे से अलग नहीं कर सकती है।
हालांकि, सेमीकंडक्टर निर्माण के लिए आवश्यक है कि प्रत्येक वेफर में अपनी क्रिस्टल जाली के सापेक्ष एक अच्छी तरह से परिभाषित इन-प्लेन अभिविन्यास हो। इसके बिना:
आयन प्रत्यारोपण अनियंत्रित चैनलिंग का अनुभव करेगा
नक़्क़ाशी उपकरणों में भिन्न होगी
तनाव इंजीनियरिंग दिशात्मक सुसंगतता खो देगी
ट्रांजिस्टर गतिशीलता वेफर में सांख्यिकीय रूप से भिन्न होगी
इस प्रकार, एक सिलिकॉन वेफर में एक समरूपता-ब्रेकिंग सुविधा शामिल होनी चाहिए जो एक निश्चित क्रिस्टलोग्राफिक अक्ष को परिभाषित करती है।
फ्लैट और नॉच सूक्ष्म क्रिस्टल अभिविन्यास के मैक्रोस्कोपिक एन्कोडिंग के रूप में कार्य करते हैं।
एकल-क्रिस्टल बाउल से वेफर स्लाइसिंग के दौरान, निर्माता कट को इस प्रकार संरेखित करता है:
फ्लैट या नॉच एक विशिष्ट क्रिस्टल दिशा के समानांतर है (उदाहरण के लिए, ⟨110⟩ या ⟨100⟩)
वेफर सतह तल (उदाहरण के लिए, (100)) और इन-प्लेन दिशा विशिष्ट रूप से परिभाषित हैं
यह अन्यथा घूर्णी रूप से सममित वस्तु को दिशात्मक रूप से अनुक्रमित सब्सट्रेट में परिवर्तित करता है।
प्रत्येक निर्माण उपकरण—लिथोग्राफी, प्रत्यारोपण, नक़्क़ाशी, सीएमपी, और मेट्रोलॉजी—अपने संचालन को क्रिस्टल जाली के साथ संरेखित करने के लिए इस संदर्भ का उपयोग करता है।
आधुनिक सीएमओएस, फिनफेट, और गेट-ऑल-अराउंड (जीएए) डिवाइस ऐसे शासन में काम करते हैं जहां परमाणु-पैमाने का भौतिकी हावी है।
कई उदाहरण बताते हैं कि क्रिस्टल अभिविन्यास को क्यों लॉक किया जाना चाहिए:
डोपेंट आयन कम-इंडेक्स क्रिस्टल चैनलों के साथ गहराई तक यात्रा कर सकते हैं। यदि वेफर अभिविन्यास भिन्न होता है, तो चैनलिंग गहराई और डोपेंट प्रोफाइल अप्रत्याशित हो जाते हैं।
सिलिकॉन नक़्क़ाशी दरें (100), (110), और (111) तलों के बीच भारी अंतर करती हैं। गलत संरेखण खाई के आकार, पार्श्व कोण और महत्वपूर्ण आयामों को बदलता है।
सिलिकॉन में इलेक्ट्रॉन और होल गतिशीलता दिशा-निर्भर होती है। डिवाइस के प्रदर्शन को विशिष्ट क्रिस्टल दिशाओं के साथ चैनलों को संरेखित करके अनुकूलित किया जाता है।
एक निश्चित वेफर संदर्भ के बिना, इनमें से किसी भी पैरामीटर को नैनोमीटर-स्तर की पुनरावृत्ति के साथ नियंत्रित नहीं किया जा सकता है।
प्रारंभिक वेफर्स (4–6 इंच) ने लंबे फ्लैट का उपयोग किया। जैसे-जैसे वेफर का व्यास 200 मिमी और 300 मिमी तक बढ़ा, उद्योग ने भौतिक और आर्थिक कारणों से नॉच को अपनाया:
एक नॉच बहुत कम किनारा क्षेत्र घेरता है, जिससे उपयोगी डाई गणना बढ़ जाती है
यह यांत्रिक समरूपता को संरक्षित करता है, जिससे वेफर हैंडलिंग में सुधार होता है
रोबोटिक और ऑप्टिकल संरेखण प्रणालियों के लिए इसका पता लगाना आसान है
यह वेफर परिधि पर तनाव क्षेत्रों को विकृत नहीं करता है
इस प्रकार, नॉच एक उच्च-सटीक क्रिस्टलोग्राफिक मार्कर है जो स्वचालित फैब के लिए अनुकूलित है।
उन्नत सेमीकंडक्टर निर्माण में, नैनोमीटर-स्केल भौतिक घटनाओं को मिलीमीटर-स्केल यांत्रिक प्रणालियों के साथ संरेखित किया जाना चाहिए।
फ्लैट या नॉच यह अनुवाद करता है:
यह परमाणु जाली को फैक्ट्री समन्वय प्रणाली से जोड़ता है।
इसके बिना, आधुनिक लिथोग्राफी, नक़्क़ाशी, प्रत्यारोपण और तनाव इंजीनियरिंग अपना भौतिक संदर्भ फ्रेम खो देंगे।
एक सिलिकॉन वेफर पर फ्लैट या नॉच एक यांत्रिक कलाकृति नहीं है—यह एक क्रिस्टलोग्राफिक एंकर है।
यह सुनिश्चित करता है कि प्रत्येक ट्रांजिस्टर, प्रत्येक चैनल और प्रत्येक परमाणु परत सिलिकॉन जाली के साथ एक निश्चित संबंध में बनाई गई है। एक ऐसे युग में जहां डिवाइस के आयाम कुछ दर्जन परमाणुओं के आकार के करीब हैं, यह छोटी ज्यामितीय विशेषता पूरे सेमीकंडक्टर पारिस्थितिकी तंत्र में सबसे महत्वपूर्ण संरचनाओं में से एक बन जाती है।
