Visaptverošs monokristāliskā silīcija augšanas metožu pārskats

Visaptverošs monokristāliskā silīcija augšanas metožu pārskats

1. Monokristāliskā silīcija attīstības pamatojums

Tehnoloģiju attīstība un pieaugošais pieprasījums pēc augstas efektivitātes viedajiem produktiem ir vēl vairāk nostiprinājis integrēto shēmu (IC) nozares galveno pozīciju valsts attīstībā. Kā IC nozares stūrakmenim, pusvadītāju monokristāliskajam silīcijam ir būtiska loma tehnoloģisko inovāciju un ekonomiskās izaugsmes veicināšanā.

Saskaņā ar Starptautiskās pusvadītāju rūpniecības asociācijas datiem, globālais pusvadītāju plākšņu tirgus pārdošanas apjoms sasniedza 12,6 miljardus ASV dolāru, piegādēm pieaugot līdz 14,2 miljardiem kvadrātcollu. Turklāt pieprasījums pēc silīcija plāksnēm turpina nepārtraukti pieaugt.

Tomēr globālā silīcija plākšņu nozare ir ļoti koncentrēta, un pieci lielākie piegādātāji dominē vairāk nekā 85% tirgus daļas, kā parādīts turpmāk:

• Shin-Etsu Chemical (Japāna)

• SUMCO (Japāna)

• Globālās vafeles

• Siltronic (Vācija)

• SK Siltron (Dienvidkoreja)

Šis oligopols rada Ķīnas lielo atkarību no importētajām monokristāliskajām silīcija plāksnēm, kas ir kļuvusi par vienu no galvenajiem šķēršļiem, kas ierobežo valsts integrēto shēmu nozares attīstību.

Lai pārvarētu pašreizējās problēmas pusvadītāju silīcija monokristālu ražošanas nozarē, neizbēgama izvēle ir investīcijas pētniecībā un attīstībā, kā arī vietējo ražošanas spēju stiprināšana.

2. Monokristāliskā silīcija materiāla pārskats

Monokristāliskais silīcijs ir integrēto shēmu nozares pamats. Līdz šim vairāk nekā 90% integrālo shēmu mikroshēmu un elektronisko ierīču tiek izgatavotas, izmantojot monokristālisko silīciju kā galveno materiālu. Plaši izplatītais pieprasījums pēc monokristāliskā silīcija un tā daudzveidīgie rūpnieciskie pielietojumi ir saistīti ar vairākiem faktoriem:

1. Drošība un videi draudzīgumsSilīcijs ir bagātīgs Zemes garozā, netoksisks un videi draudzīgs.

2. Elektriskā izolācijaSilīcijs dabiski piemīt elektriskās izolācijas īpašības, un termiskās apstrādes rezultātā tas veido aizsargslāni no silīcija dioksīda, kas efektīvi novērš elektriskā lādiņa zudumu.

3. Nobriedušas izaugsmes tehnoloģijaIlgā tehnoloģiskās attīstības vēsture silīcija audzēšanas procesos ir padarījusi to daudz sarežģītāku nekā citi pusvadītāju materiāli.

Šie faktori kopā nodrošina monokristāliskā silīcija vadošo pozīciju nozarē, padarot to neaizstājamu citiem materiāliem.

Kristāla struktūras ziņā monokristālisks silīcijs ir materiāls, kas izgatavots no silīcija atomiem, kas sakārtoti periodiskā režģī, veidojot nepārtrauktu struktūru. Tas ir mikroshēmu ražošanas nozares pamats.

Šī diagramma ilustrē pilnīgu monokristāliskā silīcija sagatavošanas procesu:

Procesa pārskats:
Monokristāliskais silīcijs tiek iegūts no silīcija rūdas, veicot virkni rafinēšanas darbību. Vispirms iegūst polikristālisko silīciju, kas pēc tam tiek audzēts monokristāliskā silīcija stieņos kristālu audzēšanas krāsnī. Pēc tam to griež, pulē un apstrādā silīcija plāksnēs, kas piemērotas mikroshēmu ražošanai.

Silīcija plāksnes parasti iedala divās kategorijās:fotoelektriskās kvalitātesunpusvadītāju klasesŠie divi veidi galvenokārt atšķiras pēc struktūras, tīrības un virsmas kvalitātes.

• Pusvadītāju klases vafelesir ārkārtīgi augsta tīrības pakāpe līdz 99,999999999%, un tiem ir stingri noteikta monokristāliskuma prasība.

• Fotoelektriskās kvalitātes vafelesir mazāk tīri, to tīrības līmenis svārstās no 99,99% līdz 99,9999%, un tiem nav tik stingru prasību attiecībā uz kristāla kvalitāti.

Turklāt pusvadītāju klases plāksnēm ir nepieciešams augstāks virsmas gludums un tīrība nekā fotoelektriskajām plāksnēm. Augstāki standarti pusvadītāju plāksnēm palielina gan to sagatavošanas sarežģītību, gan to turpmāko vērtību pielietojumos.

Nākamajā diagrammā ir aprakstīta pusvadītāju plākšņu specifikāciju evolūcija, kas ir palielinājusies no agrīnajām 4 collu (100 mm) un 6 collu (150 mm) plāksnēm līdz pašreizējām 8 collu (200 mm) un 12 collu (300 mm) plāksnēm.

Faktiskajā silīcija monokristāla sagatavošanā vafeļu izmērs mainās atkarībā no pielietojuma veida un izmaksu faktoriem. Piemēram, atmiņas mikroshēmās parasti tiek izmantotas 12 collu vafeļu plāksnes, savukārt barošanas ierīcēs bieži tiek izmantotas 8 collu vafeļu plāksnes.

Rezumējot, plākšņu izmēru evolūcija ir gan Mūra likuma, gan ekonomisko faktoru rezultāts. Lielāks plākšņu izmērs ļauj palielināt izmantojamo silīcija laukumu tādos pašos apstrādes apstākļos, samazinot ražošanas izmaksas un vienlaikus samazinot atkritumus no plākšņu malām.

Kā izšķirošs materiāls mūsdienu tehnoloģiskajā attīstībā, pusvadītāju silīcija plāksnes, izmantojot precīzus procesus, piemēram, fotolitogrāfiju un jonu implantāciju, ļauj ražot dažādas elektroniskas ierīces, tostarp lieljaudas taisngriežus, tranzistorus, bipolārus tranzistorus un komutācijas ierīces. Šīm ierīcēm ir galvenā loma tādās jomās kā mākslīgais intelekts, 5G sakari, automobiļu elektronika, lietu internets un kosmosa rūpniecība, veidojot valsts ekonomiskās attīstības un tehnoloģisko inovāciju stūrakmeni.

3. Monokristāliskā silīcija augšanas tehnoloģija

TheČohraļska (Čehijas) metodeir efektīvs process augstas kvalitātes monokristāliska materiāla iegūšanai no kausējuma. Šo metodi 1917. gadā ierosināja Jans Čohraļskis, un tā ir pazīstama arī kāKristāla vilkšanametode.

Pašlaik CZ metode tiek plaši izmantota dažādu pusvadītāju materiālu sagatavošanā. Saskaņā ar nepilnīgu statistiku, aptuveni 98% elektronisko komponentu ir izgatavoti no monokristāliskā silīcija, un 85% no šiem komponentiem tiek ražoti, izmantojot CZ metodi.

CZ metode ir iecienīta tās izcilās kristālu kvalitātes, kontrolējamā izmēra, straujā augšanas ātruma un augstās ražošanas efektivitātes dēļ. Šīs īpašības padara CZ monokristālisko silīciju par vēlamo materiālu augstas kvalitātes, liela mēroga pieprasījuma apmierināšanai elektronikas rūpniecībā.

CZ monokristāliskā silīcija augšanas princips ir šāds:

CZ procesam ir nepieciešama augsta temperatūra, vakuums un slēgta vide. Šī procesa galvenais aprīkojums irkristālu augšanas krāsns, kas atvieglo šos apstākļus.

Nākamajā diagrammā ir parādīta kristālu augšanas krāsns struktūra.

CZ procesā tīru silīciju ievieto tīģelī, izkausē, un izkausētajā silīcijā ievada sēklas kristālu. Precīzi kontrolējot tādus parametrus kā temperatūra, vilkšanas ātrums un tīģeļa rotācijas ātrums, atomi vai molekulas sēklas kristāla un izkausētā silīcija saskarnē nepārtraukti reorganizējas, sacietējot, sistēmai atdziestot, un galu galā veidojot monokristālu.

Šī kristālu audzēšanas metode rada augstas kvalitātes, liela diametra monokristālisku silīciju ar specifiskām kristālu orientācijām.

Izaugsmes process ietver vairākus galvenos soļus, tostarp:

1. Demontāža un iekraušanaKristāla noņemšana un krāsns un tā sastāvdaļu rūpīga tīrīšana no tādiem piesārņotājiem kā kvarcs, grafīts vai citi piemaisījumi.

2. Vakuums un kausēšanaSistēma tiek iztukšota vakuumā, pēc tam tiek ievadīta argona gāze un uzkarsēts silīcija lādiņš.

3. Kristāla vilkšanaSēklas kristāls tiek ievietots izkausētajā silīcijā, un saskarnes temperatūra tiek rūpīgi kontrolēta, lai nodrošinātu pareizu kristalizāciju.

4. Plecu un diametra kontroleKristālam augot, tā diametrs tiek rūpīgi uzraudzīts un pielāgots, lai nodrošinātu vienmērīgu augšanu.

5. Izaugsmes beigas un krāsns izslēgšanaKad ir sasniegts vēlamais kristāla izmērs, krāsns tiek izslēgta un kristāls tiek izņemts.

Šī procesa detalizētie soļi nodrošina augstas kvalitātes, bez defektiem monokristālu izveidi, kas piemēroti pusvadītāju ražošanai.

4. Monokristāliskā silīcija ražošanas izaicinājumi

Viens no galvenajiem izaicinājumiem liela diametra pusvadītāju monokristālu ražošanā ir tehnisko šķēršļu pārvarēšana augšanas procesā, jo īpaši kristālu defektu prognozēšanā un kontrolē:

1. Nekonsekventa monokristālu kvalitāte un zema ražaPalielinoties silīcija monokristālu izmēram, pieaug augšanas vides sarežģītība, apgrūtinot tādu faktoru kā termiskā, plūsmas un magnētiskā lauka kontroli. Tas sarežģī uzdevumu sasniegt nemainīgu kvalitāti un lielāku ražu.

2. Nestabils vadības processPusvadītāju silīcija monokristālu augšanas process ir ļoti sarežģīts, un tajā mijiedarbojas vairāki fizikāli lauki, padarot vadības precizitāti nestabilu un novedot pie zemas produktu ražas. Pašreizējās vadības stratēģijas galvenokārt koncentrējas uz kristāla makroskopiskajiem izmēriem, savukārt kvalitāte joprojām tiek pielāgota, pamatojoties uz manuālo pieredzi, tāpēc ir grūti izpildīt mikro un nano izgatavošanas prasības IC mikroshēmās.

Lai risinātu šīs problēmas, steidzami jāizstrādā reāllaika, tiešsaistes uzraudzības un prognozēšanas metodes kristālu kvalitātei, kā arī jāuzlabo vadības sistēmas, lai nodrošinātu stabilu un augstas kvalitātes lielu monokristālu ražošanu izmantošanai integrētajās shēmās.