Kompleksowy przegląd metod wzrostu monokrystalicznego krzemu

Kompleksowy przegląd metod wzrostu monokrystalicznego krzemu

1. Tło rozwoju krzemu monokrystalicznego

Postęp technologiczny i rosnące zapotrzebowanie na wysokowydajne, inteligentne produkty dodatkowo umocniły kluczową pozycję przemysłu układów scalonych (IC) w rozwoju kraju. Jako kamień węgielny przemysłu IC, monokrystaliczny krzem półprzewodnikowy odgrywa kluczową rolę w napędzaniu innowacji technologicznych i wzrostu gospodarczego.

Według danych Międzynarodowego Stowarzyszenia Przemysłu Półprzewodników (International Semiconductor Industry Association), globalny rynek płytek półprzewodnikowych osiągnął sprzedaż na poziomie 12,6 miliarda dolarów, a dostawy wzrosły do ​​14,2 miliarda cali kwadratowych. Co więcej, popyt na płytki krzemowe stale rośnie.

Jednakże światowy przemysł płytek krzemowych jest bardzo skoncentrowany, a pięciu największych dostawców ma ponad 85% udziałów w rynku, jak pokazano poniżej:

• Shin-Etsu Chemical (Japonia)

• SUMCO (Japonia)

• Globalne Wafle

• Siltronic (Niemcy)

• SK Siltron (Korea Południowa)

Efektem tego oligopolu jest duże uzależnienie Chin od importowanych monokrystalicznych płytek krzemowych, co stało się jednym z głównych wąskich gardeł ograniczających rozwój przemysłu układów scalonych w tym kraju.

Aby sprostać obecnym wyzwaniom w sektorze produkcji monokryształów krzemu półprzewodnikowego, nieuniknioną decyzją jest inwestowanie w prace badawczo-rozwojowe i wzmacnianie krajowych możliwości produkcyjnych.

2. Przegląd materiałów z krzemu monokrystalicznego

Krzem monokrystaliczny stanowi fundament przemysłu układów scalonych. Do tej pory ponad 90% układów scalonych i urządzeń elektronicznych jest wytwarzanych z wykorzystaniem krzemu monokrystalicznego jako materiału podstawowego. Szerokie zapotrzebowanie na krzem monokrystaliczny i jego różnorodne zastosowania przemysłowe wynikają z kilku czynników:

1. Bezpieczeństwo i przyjazność dla środowiska:Krzem występuje obficie w skorupie ziemskiej, jest nietoksyczny i przyjazny dla środowiska.

2. Izolacja elektryczna:Krzem naturalnie wykazuje właściwości izolacji elektrycznej, a po obróbce cieplnej tworzy warstwę ochronną dwutlenku krzemu, która skutecznie zapobiega utracie ładunku elektrycznego.

3. Dojrzała technologia wzrostuDługa historia rozwoju technologicznego procesów wzrostu krzemu sprawiła, że ​​stał się on o wiele bardziej zaawansowany niż inne materiały półprzewodnikowe.

Wszystkie te czynniki sprawiają, że monokrystaliczny krzem jest liderem w branży i nie da się go zastąpić innymi materiałami.

Pod względem struktury krystalicznej, krzem monokrystaliczny to materiał zbudowany z atomów krzemu ułożonych w okresową sieć krystaliczną, tworzących ciągłą strukturę. Jest on podstawą przemysłu produkującego chipy.

Poniższy diagram ilustruje cały proces przygotowania monokrystalicznego krzemu:

Przegląd procesu:
Krzem monokrystaliczny jest pozyskiwany z rudy krzemowej poprzez szereg etapów rafinacji. Najpierw uzyskuje się krzem polikrystaliczny, który następnie jest hodowany w piecu do wzrostu kryształów w formie monokrystalicznego wlewka krzemowego. Następnie jest on cięty, polerowany i przetwarzany na płytki krzemowe nadające się do produkcji chipów.

Płytki krzemowe zazwyczaj dzieli się na dwie kategorie:fotowoltaicznejIpółprzewodnikowyTe dwa typy różnią się przede wszystkim strukturą, czystością i jakością powierzchni.

• Płytki półprzewodnikowecharakteryzują się wyjątkowo wysoką czystością, sięgającą nawet 99,999999999% i muszą być monokrystaliczne.

• Płytki fotowoltaicznesą mniej czyste, o poziomie czystości od 99,99% do 99,9999% i nie mają tak rygorystycznych wymagań co do jakości kryształu.

Ponadto, wafle półprzewodnikowe wymagają większej gładkości powierzchni i czystości niż wafle fotowoltaiczne. Wyższe standardy dla wafli półprzewodnikowych zwiększają zarówno złożoność ich przygotowania, jak i ich późniejszą wartość w zastosowaniach.

Poniższy wykres przedstawia ewolucję specyfikacji płytek półprzewodnikowych, które wzrosły od wczesnych płytek 4-calowych (100 mm) i 6-calowych (150 mm) do obecnych płytek 8-calowych (200 mm) i 12-calowych (300 mm).

W rzeczywistym przygotowaniu monokryształu krzemu, rozmiar wafla różni się w zależności od rodzaju zastosowania i czynników kosztowych. Na przykład, układy pamięci zazwyczaj wykorzystują wafle 12-calowe, podczas gdy w urządzeniach mocy często stosuje się wafle 8-calowe.

Podsumowując, ewolucja rozmiaru wafli jest wynikiem zarówno prawa Moore'a, jak i czynników ekonomicznych. Większy rozmiar wafla umożliwia zwiększenie użytecznej powierzchni krzemu w tych samych warunkach przetwarzania, co obniża koszty produkcji i minimalizuje straty na krawędziach wafli.

Jako kluczowy materiał w nowoczesnym rozwoju technologicznym, płytki krzemowe półprzewodnikowe, dzięki precyzyjnym procesom, takim jak fotolitografia i implantacja jonów, umożliwiają produkcję różnorodnych urządzeń elektronicznych, w tym prostowników dużej mocy, tranzystorów, tranzystorów bipolarnych i przełączników. Urządzenia te odgrywają kluczową rolę w takich dziedzinach jak sztuczna inteligencja, komunikacja 5G, elektronika samochodowa, Internet Rzeczy i przemysł lotniczy i kosmiczny, stanowiąc fundament krajowego rozwoju gospodarczego i innowacji technologicznych.

3. Technologia wzrostu monokrystalicznego krzemu

TenMetoda Czochralskiego (CZ)to wydajny proces wydobywania wysokiej jakości monokrystalicznego materiału z topnika. Zaproponowana przez Jana Czochralskiego w 1917 roku, metoda ta jest również znana jakoWyciąganie kryształówmetoda.

Obecnie metoda CZ jest szeroko stosowana w przygotowaniu różnych materiałów półprzewodnikowych. Według niepełnych danych statystycznych, około 98% podzespołów elektronicznych jest wytwarzanych z krzemu monokrystalicznego, a 85% z nich jest wytwarzanych metodą CZ.

Metoda CZ jest preferowana ze względu na doskonałą jakość kryształów, kontrolowany rozmiar, szybkie tempo wzrostu i wysoką wydajność produkcji. Te cechy sprawiają, że monokrystaliczny krzem CZ jest preferowanym materiałem do zaspokajania wysokiej jakości, masowego zapotrzebowania w przemyśle elektronicznym.

Zasada wzrostu monokrystalicznego krzemu CZ jest następująca:

Proces CZ wymaga wysokich temperatur, próżni i zamkniętego środowiska. Kluczowym sprzętem do tego procesu jestpiec do wzrostu kryształów, co ułatwia spełnienie tych warunków.

Poniższy diagram ilustruje strukturę pieca do wzrostu kryształów.

W procesie CZ czysty krzem umieszcza się w tyglu, topi, a następnie do stopionego krzemu wprowadza się kryształ zarodkowy. Dzięki precyzyjnej kontroli parametrów, takich jak temperatura, szybkość wyciągania i prędkość obrotowa tygla, atomy lub cząsteczki na styku kryształu zarodkowego i stopionego krzemu ulegają ciągłej reorganizacji, krzepnąc w miarę stygnięcia układu i ostatecznie tworząc monokryształ.

Ta technika wzrostu kryształów pozwala na produkcję wysokiej jakości monokrystalicznego krzemu o dużej średnicy i określonej orientacji kryształów.

Proces wzrostu obejmuje kilka kluczowych etapów, w tym:

1. Demontaż i załadunek:Usunięcie kryształu i dokładne wyczyszczenie pieca i jego podzespołów z zanieczyszczeń takich jak kwarc, grafit i inne zanieczyszczenia.

2. Próżnia i topienie:Układ zostaje ewakuowany do próżni, a następnie wprowadzony zostaje gaz argonowy i podgrzany ładunek krzemowy.

3. Wyciąganie kryształów:Kryształ zarodkowy zanurza się w stopionym krzemie, a temperaturę międzyfazową starannie kontroluje się, aby zapewnić właściwą krystalizację.

4. Kontrola ramion i średnicy:W miarę wzrostu kryształu jego średnica jest starannie monitorowana i dostosowywana, aby zapewnić równomierny wzrost.

5. Koniec wzrostu i wyłączenie pieca:Po osiągnięciu pożądanego rozmiaru kryształu piec zostaje wyłączony, a kryształ wyjęty.

Szczegółowe kroki tego procesu gwarantują tworzenie wysokiej jakości, wolnych od defektów monokryształów nadających się do produkcji półprzewodników.

4. Wyzwania w produkcji krzemu monokrystalicznego

Jednym z głównych wyzwań w produkcji monokryształów półprzewodnikowych o dużej średnicy jest pokonanie wąskich gardeł technicznych w procesie wzrostu, w szczególności w przewidywaniu i kontrolowaniu defektów kryształu:

1. Niespójna jakość monokryształów i niska wydajnośćWraz ze wzrostem wielkości monokryształów krzemu rośnie złożoność środowiska wzrostu, co utrudnia kontrolę takich czynników, jak pole termiczne, przepływowe i magnetyczne. Utrudnia to osiągnięcie stałej jakości i wyższych wydajności.

2. Niestabilny proces sterowaniaProces wzrostu monokryształów krzemu półprzewodnikowego jest niezwykle złożony, z wieloma oddziałującymi polami fizycznymi, co powoduje niestabilność precyzji sterowania i prowadzi do niskiej wydajności produktu. Obecne strategie sterowania koncentrują się głównie na makroskopowych wymiarach kryształu, podczas gdy jakość jest nadal dostosowywana na podstawie doświadczenia manualnego, co utrudnia spełnienie wymagań dotyczących mikro- i nanoprodukcji układów scalonych.

Aby sprostać tym wyzwaniom, konieczne jest pilne opracowanie metod monitorowania i przewidywania jakości kryształów w czasie rzeczywistym oraz udoskonalenie systemów sterowania w celu zapewnienia stabilnej, wysokiej jakości produkcji dużych monokryształów do zastosowania w układach scalonych.