Celovit pregled metod rasti monokristalnega silicija

Celovit pregled metod rasti monokristalnega silicija

1. Ozadje razvoja monokristalnega silicija

Napredek tehnologije in naraščajoče povpraševanje po visoko učinkovitih pametnih izdelkih sta še utrdila osrednji položaj industrije integriranih vezij (IC) v nacionalnem razvoju. Polprevodniški monokristalni silicij kot temelj industrije IC igra ključno vlogo pri spodbujanju tehnoloških inovacij in gospodarske rasti.

Po podatkih Mednarodnega združenja polprevodniške industrije je svetovni trg polprevodniških rezin dosegel prodajo v vrednosti 12,6 milijarde dolarjev, pošiljke pa so se povečale na 14,2 milijarde kvadratnih palcev. Poleg tega povpraševanje po silicijevih rezinah še naprej vztrajno narašča.

Vendar pa je svetovna industrija silicijevih rezin zelo koncentrirana, saj pet največjih dobaviteljev obvladuje več kot 85 % tržnega deleža, kot je prikazano spodaj:

• Shin-Etsu Chemical (Japonska)

• SUMCO (Japonska)

• Globalne rezine

• Siltronic (Nemčija)

• SK Siltron (Južna Koreja)

Zaradi tega oligopola je Kitajska močno odvisna od uvoženih monokristalnih silicijevih rezin, kar je postalo eno ključnih ozkih grl, ki omejujejo razvoj industrije integriranih vezij v državi.

Za premagovanje trenutnih izzivov v sektorju proizvodnje polprevodniških silicijevih monokristalov je vlaganje v raziskave in razvoj ter krepitev domačih proizvodnih zmogljivosti neizogibna izbira.

2. Pregled monokristalnega silicijevega materiala

Monokristalni silicij je temelj industrije integriranih vezij. Danes je več kot 90 % integriranih vezij in elektronskih naprav izdelanih z uporabo monokristalnega silicija kot primarnega materiala. Široko povpraševanje po monokristalnem siliciju in njegove raznolike industrijske uporabe je mogoče pripisati več dejavnikom:

1. Varnost in okolju prijaznostSilicij je v Zemljini skorji v izobilju, ni strupen in okolju prijazen.

2. Električna izolacijaSilicij ima naravno električne izolacijske lastnosti in po toplotni obdelavi tvori zaščitno plast silicijevega dioksida, ki učinkovito preprečuje izgubo električnega naboja.

3. Tehnologija zrele rastiDolga zgodovina tehnološkega razvoja procesov rasti silicija ga je naredila veliko bolj dovršenega od drugih polprevodniških materialov.

Zaradi teh dejavnikov je monokristalni silicij v ospredju industrije, zaradi česar ga drugi materiali ne morejo nadomestiti.

Kar zadeva kristalno strukturo, je monokristalni silicij material, sestavljen iz silicijevih atomov, razporejenih v periodični mreži, ki tvorijo neprekinjeno strukturo. Je osnova industrije proizvodnje čipov.

Naslednji diagram prikazuje celoten postopek priprave monokristalnega silicija:

Pregled procesa:
Monokristalni silicij se pridobiva iz silicijeve rude z vrsto korakov rafiniranja. Najprej se pridobi polikristalni silicij, ki se nato v peči za rast kristalov vzgoji v monokristalni silicijev ingot. Nato se razreže, polira in predela v silicijeve rezine, primerne za izdelavo čipov.

Silicijeve rezine so običajno razdeljene v dve kategoriji:fotovoltaičnega razredainpolprevodniškega razredaTi dve vrsti se razlikujeta predvsem po strukturi, čistosti in kakovosti površine.

• Polprevodniške rezineimajo izjemno visoko čistost do 99,999999999 % in morajo biti strogo monokristalni.

• Fotovoltaične rezineso manj čisti, s stopnjo čistosti od 99,99 % do 99,9999 %, in nimajo tako strogih zahtev glede kakovosti kristalov.

Poleg tega rezine polprevodniškega razreda zahtevajo večjo gladkost in čistočo površine kot rezine fotovoltaičnega razreda. Višji standardi za polprevodniške rezine povečujejo tako kompleksnost njihove priprave kot tudi njihovo nadaljnjo vrednost v aplikacijah.

Naslednji grafikon prikazuje razvoj specifikacij polprevodniških rezin, ki so se povečale od zgodnjih 4-palčnih (100 mm) in 6-palčnih (150 mm) rezin do trenutnih 8-palčnih (200 mm) in 12-palčnih (300 mm) rezin.

Pri dejanski pripravi silicijevih monokristalov se velikost rezin razlikuje glede na vrsto uporabe in stroškovne dejavnike. Na primer, pomnilniški čipi običajno uporabljajo 12-palčne rezine, medtem ko napajalne naprave pogosto uporabljajo 8-palčne rezine.

Skratka, razvoj velikosti rezin je posledica Moorovega zakona in ekonomskih dejavnikov. Večja velikost rezine omogoča rast večje uporabne površine silicija pod enakimi pogoji obdelave, kar zmanjšuje proizvodne stroške in hkrati zmanjšuje odpadke na robovih rezin.

Kot ključni material v sodobnem tehnološkem razvoju polprevodniške silicijeve rezine s pomočjo natančnih postopkov, kot sta fotolitografija in ionska implantacija, omogočajo proizvodnjo različnih elektronskih naprav, vključno z visokozmogljivimi usmerniki, tranzistorji, bipolarnimi tranzistorji in stikalnimi napravami. Te naprave igrajo ključno vlogo na področjih, kot so umetna inteligenca, komunikacije 5G, avtomobilska elektronika, internet stvari in vesoljska industrija, ter tvorijo temelj nacionalnega gospodarskega razvoja in tehnoloških inovacij.

3. Tehnologija rasti monokristalnega silicija

TheCzochralski (CZ) metodaje učinkovit postopek za pridobivanje visokokakovostnega monokristalnega materiala iz taline. Ta metoda, ki jo je leta 1917 predlagal Jan Czochralski, je znana tudi kotVlečenje kristalovmetoda.

Trenutno se metoda CZ pogosto uporablja pri pripravi različnih polprevodniških materialov. Po nepopolnih statističnih podatkih je približno 98 % elektronskih komponent izdelanih iz monokristalnega silicija, pri čemer je 85 % teh komponent proizvedenih z uporabo metode CZ.

Metoda CZ je priljubljena zaradi odlične kakovosti kristalov, nadzorovane velikosti, hitre stopnje rasti in visoke proizvodne učinkovitosti. Zaradi teh lastnosti je monokristalni silicij CZ prednostni material za zadovoljevanje visokokakovostnega in obsežnega povpraševanja v elektronski industriji.

Načelo rasti monokristalnega silicija CZ je naslednje:

Postopek CZ zahteva visoke temperature, vakuum in zaprto okolje. Ključna oprema za ta postopek jepeč za rast kristalov, kar olajša te pogoje.

Naslednji diagram prikazuje strukturo peči za rast kristalov.

V postopku CZ se čisti silicij namesti v lonček, stopi in v staljeni silicij se vnese kristalni semenski kristal. Z natančnim nadzorom parametrov, kot so temperatura, hitrost vlečenja in hitrost vrtenja lončka, se atomi ali molekule na vmesniku med kristalnim semenskim kristalom in staljenim silicijem nenehno reorganizirajo, strjujejo se, ko se sistem ohlaja, in na koncu tvorijo en sam kristal.

Ta tehnika rasti kristalov proizvaja visokokakovosten monokristalni silicij velikega premera s specifičnimi kristalnimi orientacijami.

Proces rasti vključuje več ključnih korakov, vključno z:

1. Razstavljanje in nalaganjeOdstranitev kristala in temeljito čiščenje peči in komponent onesnaževalcev, kot so kremen, grafit ali druge nečistoče.

2. Vakuum in taljenjeSistem se evakuira v vakuum, sledi uvedba plina argona in segrevanje silicijeve polnitve.

3. Vlečenje kristalovKalcij se spusti v staljeni silicij, temperatura vmesnika pa se skrbno nadzoruje, da se zagotovi pravilna kristalizacija.

4. Nadzor ramen in premeraMed rastjo kristala se njegov premer skrbno spremlja in prilagaja, da se zagotovi enakomerna rast.

5. Konec rasti in zaustavitev pečiKo je dosežena želena velikost kristalov, se peč ugasne in kristal se odstrani.

Podrobni koraki v tem postopku zagotavljajo izdelavo visokokakovostnih monokristalov brez napak, primernih za proizvodnjo polprevodnikov.

4. Izzivi pri proizvodnji monokristalnega silicija

Eden glavnih izzivov pri izdelavi polprevodniških monokristalov velikega premera je premagovanje tehničnih ozkih grl med procesom rasti, zlasti pri napovedovanju in nadzoru kristalnih napak:

1. Nedosledna kakovost monokristalov in nizek izkoristekZ naraščanjem velikosti silicijevih monokristalov se povečuje kompleksnost rastnega okolja, zaradi česar je težko nadzorovati dejavnike, kot so toplotna, pretočna in magnetna polja. To otežuje doseganje dosledne kakovosti in višjih izkoristkov.

2. Nestabilen krmilni procesProces rasti polprevodniških silicijevih monokristalov je zelo kompleksen, saj medsebojno delujejo številna fizikalna polja, zaradi česar je natančnost krmiljenja nestabilna in donosi nizki. Trenutne strategije krmiljenja se osredotočajo predvsem na makroskopske dimenzije kristala, medtem ko se kakovost še vedno prilagaja na podlagi ročnih izkušenj, zaradi česar je težko izpolniti zahteve za mikro in nano izdelavo integriranih vezij.

Za reševanje teh izzivov je nujno potreben razvoj metod za spremljanje in napovedovanje kakovosti kristalov v realnem času na spletu, skupaj z izboljšavami nadzornih sistemov, da se zagotovi stabilna in visokokakovostna proizvodnja velikih monokristalov za uporabo v integriranih vezjih.