O prezentare generală cuprinzătoare a metodelor de creștere a siliciului monocristalin

O prezentare generală cuprinzătoare a metodelor de creștere a siliciului monocristalin

1. Contextul dezvoltării siliciului monocristalin

Avansul tehnologiei și cererea tot mai mare de produse inteligente de înaltă eficiență au consolidat și mai mult poziția centrală a industriei circuitelor integrate (IC) în dezvoltarea națională. Fiind piatra de temelie a industriei IC, siliciul monocristalin semiconductor joacă un rol vital în stimularea inovației tehnologice și a creșterii economice.

Conform datelor de la Asociația Internațională a Industriei Semiconductorilor, piața globală de napolitane semiconductoare a atins o cifră de vânzări de 12,6 miliarde de dolari, livrările crescând la 14,2 miliarde de inci pătrați. Mai mult, cererea de napolitane de siliciu continuă să crească constant.

Cu toate acestea, industria globală a napolitanelor de siliciu este extrem de concentrată, primii cinci furnizori dominând peste 85% din cota de piață, după cum se arată mai jos:

• Shin-Etsu Chemical (Japonia)

• SUMCO (Japonia)

• Napolitane globale

• Siltronic (Germania)

• SK Siltron (Coreea de Sud)

Acest oligopol are ca rezultat o dependență puternică a Chinei de napolitanele de siliciu monocristalin importate, care a devenit unul dintre principalele blocaje în calea dezvoltării industriei de circuite integrate a țării.

Pentru a depăși provocările actuale din sectorul de fabricație a semiconductorilor din siliciu monocristal, investițiile în cercetare și dezvoltare și consolidarea capacităților de producție interne reprezintă o alegere inevitabilă.

2. Prezentare generală a materialului de siliciu monocristalin

Siliciul monocristalin este fundamentul industriei circuitelor integrate. Până în prezent, peste 90% din cipurile și dispozitivele electronice integrate sunt fabricate folosind siliciu monocristalin ca material principal. Cererea pe scară largă de siliciu monocristalin și diversele sale aplicații industriale pot fi atribuite mai multor factori:

1. Siguranță și ecologiceSiliciul este abundent în scoarța terestră, este netoxic și ecologic.

2. Izolație electricăSiliciul prezintă în mod natural proprietăți de izolare electrică, iar în urma tratamentului termic, formează un strat protector de dioxid de siliciu, care previne eficient pierderea sarcinii electrice.

3. Tehnologie de creștere maturăLunga istorie a dezvoltării tehnologice în procesele de creștere a siliciului a făcut ca acesta să fie mult mai sofisticat decât alte materiale semiconductoare.

Acești factori împreună mențin siliciul monocristalin în fruntea industriei, făcându-l de neînlocuit de alte materiale.

În ceea ce privește structura cristalină, siliciul monocristalin este un material realizat din atomi de siliciu aranjați într-o rețea periodică, formând o structură continuă. Acesta stă la baza industriei de fabricație a cipurilor.

Următoarea diagramă ilustrează procesul complet de preparare a siliciului monocristalin:

Prezentare generală a procesului:
Siliciul monocristalin este derivat din minereul de siliciu printr-o serie de etape de rafinare. Mai întâi, se obține siliciul policristalin, care este apoi crescut într-un lingou de siliciu monocristalin într-un cuptor de creștere a cristalelor. Ulterior, este tăiat, lustruit și procesat în napolitane de siliciu potrivite pentru fabricarea de cipuri.

Napolitanele de siliciu sunt de obicei împărțite în două categorii:grad fotovoltaicşisemiconductoriAceste două tipuri diferă în principal prin structură, puritate și calitatea suprafeței.

• Napolitane de calitate semiconductoareau o puritate excepțional de ridicată, de până la 99,999999999% și trebuie să fie strict monocristaline.

• Napolitane de calitate fotovoltaicăsunt mai puțin pure, cu niveluri de puritate cuprinse între 99,99% și 99,9999% și nu au cerințe atât de stricte privind calitatea cristalelor.

În plus, napolitanele de calitate semiconductoare necesită o netezime și o curățenie a suprafeței mai ridicate decât napolitanele de calitate fotovoltaică. Standardele mai ridicate pentru napolitanele semiconductoare cresc atât complexitatea preparării lor, cât și valoarea lor ulterioară în aplicații.

Următorul grafic prezintă evoluția specificațiilor plachetelor semiconductoare, care au crescut de la plachetele inițiale de 4 inch (100 mm) și 6 inch (150 mm) la plachetele actuale de 8 inch (200 mm) și 12 inch (300 mm).

În prepararea reală a monocristalelor de siliciu, dimensiunea plachetei variază în funcție de tipul aplicației și de factorii de cost. De exemplu, cipurile de memorie utilizează în mod obișnuit plachete de 12 inci, în timp ce dispozitivele de alimentare utilizează adesea plachete de 8 inci.

În concluzie, evoluția dimensiunii plachetelor este rezultatul atât al Legii lui Moore, cât și al factorilor economici. O dimensiune mai mare a plachetelor permite creșterea unei suprafețe de siliciu mai utilizabile în aceleași condiții de procesare, reducând costurile de producție și minimizând în același timp risipa provenită de la marginile plachetelor.

Fiind un material crucial în dezvoltarea tehnologică modernă, plachetele de siliciu semiconductoare, prin procese precise precum fotolitografia și implantarea ionilor, permit producerea diverselor dispozitive electronice, inclusiv redresoare de mare putere, tranzistoare, tranzistoare cu joncțiune bipolară și dispozitive de comutare. Aceste dispozitive joacă un rol cheie în domenii precum inteligența artificială, comunicațiile 5G, electronica auto, Internetul Lucrurilor și industria aerospațială, formând piatra de temelie a dezvoltării economice naționale și a inovării tehnologice.

3. Tehnologia de creștere a siliciului monocristalin

Cel/Cea/Cei/CeleMetoda Czochralski (CZ)este un proces eficient pentru extragerea materialului monocristalin de înaltă calitate din topitură. Propusă de Jan Czochralski în 1917, această metodă este cunoscută și sub numele deTragerea cristalelormetodă.

În prezent, metoda CZ este utilizată pe scară largă în prepararea diferitelor materiale semiconductoare. Conform unor statistici incomplete, aproximativ 98% din componentele electronice sunt fabricate din siliciu monocristalin, 85% dintre aceste componente fiind produse folosind metoda CZ.

Metoda CZ este preferată datorită calității excelente a cristalelor, dimensiunii controlabile, ratei rapide de creștere și eficienței ridicate a producției. Aceste caracteristici fac din siliciul monocristalin CZ materialul preferat pentru a satisface cererea de înaltă calitate și la scară largă din industria electronică.

Principiul de creștere al siliciului monocristalin CZ este următorul:

Procesul CZ necesită temperaturi ridicate, vid și un mediu închis. Echipamentul cheie pentru acest proces estecuptor de creștere a cristalelor, ceea ce facilitează aceste condiții.

Următoarea diagramă ilustrează structura unui cuptor de creștere a cristalelor.

În procesul CZ, siliciul pur este plasat într-un creuzet, topit, iar un cristal de însămânțare este introdus în siliciul topit. Prin controlul precis al parametrilor precum temperatura, rata de tragere și viteza de rotație a creuzetului, atomii sau moleculele de la interfața dintre cristalul de însămânțare și siliciul topit se reorganizează continuu, solidificându-se pe măsură ce sistemul se răcește și formând în cele din urmă un monocristal.

Această tehnică de creștere a cristalelor produce siliciu monocristalin de înaltă calitate, cu diametru mare, cu orientări cristaline specifice.

Procesul de creștere implică mai mulți pași cheie, printre care:

1. Dezasamblare și încărcareÎndepărtarea cristalului și curățarea temeinică a cuptorului și a componentelor de contaminanți precum cuarț, grafit sau alte impurități.

2. Vid și topireSistemul este evacuat în vid, urmat de introducerea de argon gazos și încălzirea încărcăturii de siliciu.

3. Tragerea cristalelorCristalul de însămânțare este coborât în ​​siliciul topit, iar temperatura la interfață este controlată cu atenție pentru a asigura o cristalizare corectă.

4. Controlul umărului și al diametruluiPe măsură ce cristalul crește, diametrul său este atent monitorizat și ajustat pentru a asigura o creștere uniformă.

5. Sfârșitul creșterii și oprirea cuptoruluiOdată ce se obține dimensiunea dorită a cristalului, cuptorul se oprește și cristalul se îndepărtează.

Pașii detaliați din acest proces asigură crearea unor monocristale de înaltă calitate, fără defecte, potrivite pentru fabricarea semiconductorilor.

4. Provocări în producția de siliciu monocristalin

Una dintre principalele provocări în producerea de monocristale semiconductoare cu diametru mare constă în depășirea blocajelor tehnice din timpul procesului de creștere, în special în prezicerea și controlul defectelor cristaline:

1. Calitate inconsistentă a monocristalelor și randament scăzutPe măsură ce dimensiunea monocristalelor de siliciu crește, complexitatea mediului de creștere crește, ceea ce face dificilă controlul unor factori precum câmpurile termice, de flux și magnetice. Acest lucru complică sarcina de a obține o calitate constantă și randamente mai mari.

2. Proces de control instabilProcesul de creștere a monocristalelor de siliciu semiconductor este extrem de complex, cu multiple câmpuri fizice care interacționează, ceea ce face ca precizia controlului să fie instabilă și să ducă la randamente scăzute ale produsului. Strategiile actuale de control se concentrează în principal pe dimensiunile macroscopice ale cristalului, în timp ce calitatea este încă ajustată pe baza experienței manuale, ceea ce face dificilă îndeplinirea cerințelor pentru micro și nanofabricarea în cipurile IC.

Pentru a aborda aceste provocări, este nevoie urgentă de dezvoltarea unor metode de monitorizare și predicție online și în timp real pentru calitatea cristalelor, împreună cu îmbunătățiri ale sistemelor de control pentru a asigura o producție stabilă și de înaltă calitate a monocristalelor mari pentru utilizare în circuite integrate.