Сеопфатен преглед на методите за раст на монокристален силициум

Сеопфатен преглед на методите за раст на монокристален силициум

1. Позадина на развојот на монокристален силициум

Напредокот на технологијата и растечката побарувачка за високоефикасни паметни производи дополнително ја зацврстија основната позиција на индустријата за интегрирани кола (IC) во националниот развој. Како камен-темелник на индустријата за интегрирани кола, полупроводничкиот монокристален силициум игра витална улога во поттикнувањето на технолошките иновации и економскиот раст.

Според податоците од Меѓународното здружение на полупроводнички индустриски капацитети, глобалниот пазар на полупроводнички плочки достигна бројка на продажба од 12,6 милијарди долари, со испораки кои пораснаа на 14,2 милијарди квадратни инчи. Покрај тоа, побарувачката за силиконски плочки продолжува постојано да расте.

Сепак, глобалната индустрија за силиконски плочки е високо концентрирана, при што петте најголеми добавувачи доминираат со над 85% од пазарниот удел, како што е прикажано подолу:

• Шин-Ецу Хемикал (Јапонија)

• СУМКО (Јапонија)

• Глобални вафли

• Силтроник (Германија)

• СК Силтрон (Јужна Кореја)

Овој олигопол резултира со голема зависност на Кина од увезени монокристални силиконски плочки, што стана едно од клучните тесни грла што го ограничува развојот на индустријата за интегрирани кола во земјата.

За да се надминат моменталните предизвици во секторот за производство на полупроводнички силициумски монокристали, инвестирањето во истражување и развој и зајакнување на домашните производствени капацитети е неизбежен избор.

2. Преглед на монокристален силиконски материјал

Монокристалниот силициум е основа на индустријата за интегрирани кола. До денес, над 90% од интегралните чипови и електронските уреди се направени со употреба на монокристален силициум како примарен материјал. Широката побарувачка за монокристален силициум и неговите разновидни индустриски примени може да се припишат на неколку фактори:

1. Безбедност и екологијаСилициумот е изобилен во Земјината кора, нетоксичен и еколошки.

2. Електрична изолацијаСилициумот природно покажува електрични изолациски својства, а по термичка обработка формира заштитен слој од силициум диоксид, кој ефикасно спречува губење на електричен полнеж.

3. Технологија за зрел растДолгата историја на технолошки развој во процесите на раст на силициум го направи многу пософистициран од другите полупроводнички материјали.

Овие фактори заедно го одржуваат монокристалниот силициум на чело на индустријата, правејќи го незаменлив во однос на другите материјали.

Во однос на кристалната структура, монокристалниот силициум е материјал направен од атоми на силициум распоредени во периодична решетка, формирајќи континуирана структура. Тој е основа на индустријата за производство на чипови.

Следната дијаграма го илустрира целиот процес на подготовка на монокристален силициум:

Преглед на процесот:
Монокристалниот силициум се добива од силициумска руда преку серија чекори на рафинирање. Прво, се добива поликристален силициум, кој потоа се одгледува во монокристален силициумски ингот во печка за раст на кристали. Потоа, се сече, полира и преработува во силициумски плочки погодни за производство на чипови.

Силиконските плочки обично се поделени во две категории:фотоволтаичен квалитетиполупроводнички квалитетОвие два вида се разликуваат главно по нивната структура, чистота и квалитет на површината.

• Полупроводнички плочиимаат исклучително висока чистота до 99,999999999% и строго се бара да бидат монокристални.

• Фотоволтаични плочисе помалку чисти, со нивоа на чистота кои се движат од 99,99% до 99,9999% и немаат толку строги барања за квалитет на кристалот.

Покрај тоа, плочките од полупроводнички квалитет бараат поголема мазност и чистота на површината од плочките од фотоволтаичен квалитет. Повисоките стандарди за полупроводнички плочки ја зголемуваат и сложеноста на нивната подготовка и нивната последователна вредност во апликациите.

Следната табела ја прикажува еволуцијата на спецификациите на полупроводничките плочки, кои се зголемија од раните плочки од 4 инчи (100 mm) и 6 инчи (150 mm) до сегашните плочки од 8 инчи (200 mm) и 12 инчи (300 mm).

Во вистинската подготовка на силициумски монокристали, големината на плочката варира во зависност од видот на примена и факторите на цена. На пример, мемориските чипови најчесто користат 12-инчни плочки, додека уредите за напојување често користат 8-инчни плочки.

Накратко, еволуцијата на големината на плочката е резултат и на Муровиот закон и на економските фактори. Поголемата големина на плочката овозможува раст на поголема употреблива силиконска површина под исти услови на обработка, намалувајќи ги трошоците за производство, а минимизирајќи го отпадот од рабовите на плочката.

Како клучен материјал во современиот технолошки развој, полупроводничките силиконски плочки, преку прецизни процеси како што се фотолитографија и јонска имплантација, овозможуваат производство на разни електронски уреди, вклучувајќи исправувачи со голема моќност, транзистори, биполарни спојни транзистори и прекинувачки уреди. Овие уреди играат клучна улога во области како што се вештачката интелигенција, 5G комуникациите, автомобилската електроника, Интернетот на нештата и воздухопловството, формирајќи го камен-темелникот на националниот економски развој и технолошките иновации.

3. Технологија за раст на монокристален силициум

НаМетод на Чохралски (CZ)е ефикасен процес за извлекување на висококвалитетен монокристален материјал од стопената маса. Предложен од Јан Чохралски во 1917 година, овој метод е познат и какоКристално влечењеметод.

Моментално, CZ методот е широко користен во подготовката на разни полупроводнички материјали. Според нецелосни статистички податоци, околу 98% од електронските компоненти се направени од монокристален силициум, при што 85% од овие компоненти се произведуваат со користење на CZ методот.

CZ методот е фаворизиран поради неговиот одличен квалитет на кристалот, контролираната големина, брзата стапка на раст и високата ефикасност на производството. Овие карактеристики го прават CZ монокристалниот силициум претпочитан материјал за задоволување на висококвалитетната, голема побарувачка во електронската индустрија.

Принципот на раст на CZ монокристален силициум е како што следува:

CZ процесот бара високи температури, вакуум и затворена средина. Клучната опрема за овој процес епечка за раст на кристали, што ги олеснува овие услови.

Следната дијаграма ја илустрира структурата на печка за раст на кристали.

Во CZ процесот, чистиот силициум се става во сад за печење, се топи и во него се внесува кристал-основач. Со прецизно контролирање на параметрите како што се температурата, брзината на влечење и брзината на ротација на садот за печење, атомите или молекулите на интерфејсот на кристал-основачот и стопениот силициум континуирано се реорганизираат, стврднувајќи се додека системот се лади и на крајот формирајќи монокристал.

Оваа техника на раст на кристали произведува висококвалитетен монокристален силициум со голем дијаметар со специфични кристални ориентации.

Процесот на раст вклучува неколку клучни фази, вклучувајќи:

1. Расклопување и вчитувањеОтстранување на кристалот и темелно чистење на печката и компонентите од загадувачи како што се кварц, графит или други нечистотии.

2. Вакуум и топењеСистемот се евакуира во вакуум, по што се внесува аргонски гас и се загрева силициумскиот полнеж.

3. Кристално влечењеКристалот за основа се спушта во стопениот силициум, а температурата на интерфејсот внимателно се контролира за да се обезбеди правилна кристализација.

4. Контрола на рамената и дијаметаротКако што кристалот расте, неговиот дијаметар внимателно се следи и прилагодува за да се обезбеди рамномерен раст.

5. Крај на растот и исклучување на печкатаОткако ќе се постигне саканата големина на кристалот, печката се исклучува и кристалот се отстранува.

Деталните чекори во овој процес обезбедуваат создавање на висококвалитетни монокристали без дефекти, погодни за производство на полупроводници.

4. Предизвици во производството на монокристален силициум

Еден од главните предизвици во производството на полупроводнички монокристали со голем дијаметар лежи во надминувањето на техничките тесни грла за време на процесот на раст, особено во предвидувањето и контролирањето на дефектите на кристалите:

1. Неконзистентен квалитет на монокристали и низок приносКако што се зголемува големината на силициумските монокристали, се зголемува и комплексноста на средината за раст, што го отежнува контролирањето на фактори како што се топлинските, проточните и магнетните полиња. Ова ја комплицира задачата за постигнување постојан квалитет и повисоки приноси.

2. Нестабилен контролен процесПроцесот на раст на полупроводнички силициумски монокристали е многу сложен, со повеќе физички полиња кои меѓусебно дејствуваат, што ја прави прецизноста на контролата нестабилна и води до ниски приноси на производот. Сегашните стратегии за контрола главно се фокусираат на макроскопските димензии на кристалот, додека квалитетот сè уште се прилагодува врз основа на рачно искуство, што го отежнува исполнувањето на барањата за микро и нано производство во IC чипови.

За да се справат со овие предизвици, итно е потребен развој на методи за следење и предвидување на квалитетот на кристалите во реално време, онлајн, заедно со подобрувања во контролните системи за да се обезбеди стабилно, висококвалитетно производство на големи монокристали за употреба во интегрирани кола.