Sveobuhvatan pregled metoda rasta monokristalnog silicija

Sveobuhvatan pregled metoda rasta monokristalnog silicija

1. Pozadina razvoja monokristalnog silicija

Napredak tehnologije i rastuća potražnja za visoko efikasnim pametnim proizvodima dodatno su učvrstili ključnu poziciju industrije integriranih kola (IC) u nacionalnom razvoju. Kao temelj IC industrije, poluprovodnički monokristalni silicijum igra vitalnu ulogu u podsticanju tehnoloških inovacija i ekonomskog rasta.

Prema podacima Međunarodnog udruženja industrije poluprovodnika, globalno tržište poluprovodničkih pločica dostiglo je prodaju od 12,6 milijardi dolara, a isporuke su porasle na 14,2 milijarde kvadratnih inča. Štaviše, potražnja za silicijumskim pločicama nastavlja stalno rasti.

Međutim, globalna industrija silicijumskih pločica je visoko koncentrisana, pri čemu pet najvećih dobavljača dominira sa preko 85% tržišnog udjela, kao što je prikazano u nastavku:

• Shin-Etsu Chemical (Japan)

• SUMCO (Japan)

• Globalni vafli

• Siltronic (Njemačka)

• SK Siltron (Južna Koreja)

Ovaj oligopol rezultira velikom ovisnošću Kine o uvozu monokristalnih silicijumskih pločica, što je postalo jedno od ključnih uskih grla koja ograničavaju razvoj industrije integriranih kola u zemlji.

Da bi se prevazišli trenutni izazovi u sektoru proizvodnje poluprovodničkih silicijumskih monokristala, ulaganje u istraživanje i razvoj i jačanje domaćih proizvodnih kapaciteta je neizbježan izbor.

2. Pregled monokristalnog silicijskog materijala

Monokristalni silicijum je osnova industrije integriranih kola. Do danas se preko 90% integriranih kola i elektroničkih uređaja proizvodi korištenjem monokristalnog silicija kao primarnog materijala. Široko rasprostranjena potražnja za monokristalnim silicijumom i njegove raznolike industrijske primjene mogu se pripisati nekoliko faktora:

1. Sigurnost i ekološka prihvatljivostSilicij se obilno nalazi u Zemljinoj kori, nije toksičan i ekološki prihvatljiv.

2. Električna izolacijaSilicijum prirodno pokazuje svojstva električne izolacije, a nakon termičke obrade formira zaštitni sloj silicijum dioksida, koji efikasno sprečava gubitak električnog naboja.

3. Tehnologija zrelog rastaDuga historija tehnološkog razvoja procesa rasta silicija učinila ga je daleko sofisticiranijim od drugih poluprovodničkih materijala.

Ovi faktori zajedno drže monokristalni silicij u prvom planu industrije, čineći ga nezamjenjivim drugim materijalima.

Što se tiče kristalne strukture, monokristalni silicijum je materijal napravljen od atoma silicijuma raspoređenih u periodičnoj rešetki, formirajući kontinuiranu strukturu. On je osnova industrije proizvodnje čipova.

Sljedeći dijagram ilustruje kompletan proces pripreme monokristalnog silicija:

Pregled procesa:
Monokristalni silicijum se dobija iz silicijumske rude kroz niz koraka rafiniranja. Prvo se dobija polikristalni silicijum, koji se zatim uzgaja u monokristalni silicijumski ingot u peći za rast kristala. Nakon toga se reže, polira i prerađuje u silicijumske pločice pogodne za proizvodnju čipova.

Silicijumske pločice se obično dijele u dvije kategorije:fotonaponskog kvalitetaipoluprovodničkog kvalitetaOve dvije vrste se uglavnom razlikuju po svojoj strukturi, čistoći i kvaliteti površine.

• Pločice poluprovodničkog kvalitetaimaju izuzetno visoku čistoću do 99,999999999% i strogo se zahtijeva da budu monokristalni.

• Reznice fotonaponskog kvalitetasu manje čisti, sa nivoom čistoće u rasponu od 99,99% do 99,9999%, i nemaju tako stroge zahtjeve za kvalitet kristala.

Osim toga, pločice poluprovodničkog kvaliteta zahtijevaju veću glatkoću i čistoću površine od pločica fotonaponskog kvaliteta. Viši standardi za poluprovodničke pločice povećavaju i složenost njihove pripreme i njihovu naknadnu vrijednost u primjenama.

Sljedeći grafikon prikazuje evoluciju specifikacija poluprovodničkih pločica, koje su se povećale od ranih pločica od 4 inča (100 mm) i 6 inča (150 mm) do trenutnih pločica od 8 inča (200 mm) i 12 inča (300 mm).

U stvarnoj pripremi silicijumskih monokristala, veličina pločice varira ovisno o vrsti primjene i faktorima troškova. Na primjer, memorijski čipovi obično koriste pločice od 12 inča, dok uređaji za napajanje često koriste pločice od 8 inča.

Ukratko, evolucija veličine pločice rezultat je i Murovog zakona i ekonomskih faktora. Veća veličina pločice omogućava rast veće iskoristive površine silicija pod istim uslovima obrade, smanjujući troškove proizvodnje i minimizirajući otpad sa ivica pločice.

Kao ključni materijal u modernom tehnološkom razvoju, poluprovodničke silicijumske pločice, kroz precizne procese poput fotolitografije i ionske implantacije, omogućavaju proizvodnju različitih elektronskih uređaja, uključujući ispravljače velike snage, tranzistore, bipolarne tranzistore i prekidačke uređaje. Ovi uređaji igraju ključnu ulogu u oblastima kao što su vještačka inteligencija, 5G komunikacije, automobilska elektronika, Internet stvari i vazduhoplovstvo, čineći temelj nacionalnog ekonomskog razvoja i tehnoloških inovacija.

3. Tehnologija rasta monokristalnog silicija

TheCzochralski (CZ) metodaje efikasan proces za izvlačenje visokokvalitetnog monokristalnog materijala iz taline. Predložio ju je Jan Czochralski 1917. godine, a ova metoda je poznata i kaoIzvlačenje kristalametoda.

Trenutno se CZ metoda široko koristi u pripremi različitih poluprovodničkih materijala. Prema nepotpunim statistikama, oko 98% elektronskih komponenti je napravljeno od monokristalnog silicija, pri čemu se 85% ovih komponenti proizvodi CZ metodom.

CZ metoda je preferirana zbog odličnog kvaliteta kristala, kontrolisane veličine, brze stope rasta i visoke efikasnosti proizvodnje. Ove karakteristike čine CZ monokristalni silicijum preferiranim materijalom za zadovoljavanje visokokvalitetne, velike potražnje u elektronskoj industriji.

Princip rasta CZ monokristalnog silicija je sljedeći:

CZ proces zahtijeva visoke temperature, vakuum i zatvorenu okolinu. Ključna oprema za ovaj proces jepeć za rast kristala, što olakšava ove uslove.

Sljedeći dijagram ilustruje strukturu peći za rast kristala.

U CZ procesu, čisti silicijum se stavlja u lončić za pečenje, topi, a zatim se u rastopljeni silicijum uvodi kristalni semenik. Preciznom kontrolom parametara kao što su temperatura, brzina izvlačenja i brzina rotacije lončića, atomi ili molekuli na granici kristalnog semena i rastopljenog silicijuma se kontinuirano reorganizuju, učvršćujući se kako se sistem hladi i na kraju formirajući monokristal.

Ova tehnika rasta kristala proizvodi visokokvalitetni monokristalni silicij velikog promjera sa specifičnim kristalnim orijentacijama.

Proces rasta uključuje nekoliko ključnih koraka, uključujući:

1. Rastavljanje i utovarUklanjanje kristala i temeljito čišćenje peći i komponenti od zagađivača poput kvarca, grafita ili drugih nečistoća.

2. Vakuum i topljenjeSistem se evakuira u vakuum, nakon čega slijedi uvođenje argona i zagrijavanje silicijumskog uloška.

3. Izvlačenje kristalaKristalna sjeme se spušta u rastopljeni silicijum, a temperatura na granici se pažljivo kontroliše kako bi se osigurala pravilna kristalizacija.

4. Kontrola ramena i prečnikaKako kristal raste, njegov prečnik se pažljivo prati i podešava kako bi se osigurao ujednačen rast.

5. Kraj rasta i gašenje pećiKada se postigne željena veličina kristala, peć se isključuje i kristal se uklanja.

Detaljni koraci u ovom procesu osiguravaju stvaranje visokokvalitetnih, monokristala bez defekata pogodnih za proizvodnju poluprovodnika.

4. Izazovi u proizvodnji monokristalnog silicija

Jedan od glavnih izazova u proizvodnji poluprovodničkih monokristala velikog prečnika leži u prevazilaženju tehničkih uskih grla tokom procesa rasta, posebno u predviđanju i kontroli kristalnih defekata:

1. Nedosljedan kvalitet monokristala i nizak prinosKako se veličina silicijumskih monokristala povećava, povećava se i složenost okruženja za rast, što otežava kontrolu faktora poput termičkih, protočnih i magnetskih polja. To komplikuje zadatak postizanja konzistentne kvalitete i većih prinosa.

2. Nestabilan proces upravljanjaProces rasta poluprovodničkih silicijumskih monokristala je veoma složen, sa višestrukim fizičkim poljima koja međusobno djeluju, što čini preciznost kontrole nestabilnom i dovodi do niskog prinosa proizvoda. Trenutne strategije kontrole uglavnom se fokusiraju na makroskopske dimenzije kristala, dok se kvalitet i dalje podešava na osnovu ručnog iskustva, što otežava ispunjavanje zahtjeva za mikro i nano izradu IC čipova.

Da bi se riješili ovi izazovi, hitno je potreban razvoj metoda za praćenje i predviđanje kvalitete kristala u stvarnom vremenu, uz poboljšanja kontrolnih sistema kako bi se osigurala stabilna i visokokvalitetna proizvodnja velikih monokristala za upotrebu u integriranim krugovima.