A monokristályos szilícium növekedési módszereinek átfogó áttekintése

A monokristályos szilícium növekedési módszereinek átfogó áttekintése

1. A monokristályos szilícium fejlesztésének háttere

A technológia fejlődése és a nagy hatékonyságú intelligens termékek iránti növekvő kereslet tovább szilárdította az integrált áramköri (IC) iparág központi pozícióját a nemzeti fejlődésben. Az IC iparág sarokköveként a félvezető monokristályos szilícium létfontosságú szerepet játszik a technológiai innováció és a gazdasági növekedés előmozdításában.

A Nemzetközi Félvezető Ipari Szövetség adatai szerint a globális félvezető ostya piac elérte a 12,6 milliárd dolláros értékesítési adatot, a szállítmányok pedig 14,2 milliárd négyzethüvelykre nőttek. Ráadásul a szilícium ostyák iránti kereslet továbbra is folyamatosan növekszik.

A globális szilíciumlapka-ipar azonban erősen koncentrált, az öt legnagyobb beszállító a piaci részesedés több mint 85%-át uralja, az alábbiak szerint:

• Shin-Etsu Chemical (Japán)

• SUMCO (Japán)

• Globális ostyák

• Siltronic (Németország)

• SK Siltron (Dél-Korea)

Ez az oligopólium Kína nagyfokú függőségét eredményezi az importált monokristályos szilícium ostyáktól, ami az ország integrált áramköri iparának fejlődését korlátozó egyik fő szűk keresztmetszetké vált.

A félvezető szilícium-monokristály gyártási szektorában jelenlegi kihívások leküzdéséhez elkerülhetetlen a kutatás-fejlesztésbe való befektetés, valamint a hazai termelési kapacitások megerősítése.

2. A monokristályos szilícium anyag áttekintése

A monokristályos szilícium az integrált áramköri ipar alapja. Napjainkban az IC-chipek és elektronikus eszközök több mint 90%-át monokristályos szilíciumból, mint elsődleges anyagból gyártják. A monokristályos szilícium iránti széles körű kereslet és sokrétű ipari alkalmazásai számos tényezőnek tudhatók be:

1. Biztonságos és környezetbarátA szilícium bőségesen előfordul a földkéregben, nem mérgező és környezetbarát.

2. Elektromos szigetelésA szilícium természetes módon rendelkezik elektromos szigetelő tulajdonságokkal, és hőkezelés hatására védő szilícium-dioxid réteget képez, amely hatékonyan megakadályozza az elektromos töltés elvesztését.

3. Érett növekedési technológiaA szilíciumnövesztési folyamatok technológiai fejlődésének hosszú története sokkal kifinomultabbá tette azt, mint más félvezető anyagokat.

Ezek a tényezők együttesen tartják a monokristályos szilíciumot az iparág élvonalában, és más anyagok számára helyettesíthetetlenné teszik.

Kristályszerkezetét tekintve a monokristályos szilícium egy periodikus rácsban elrendezett szilíciumatomokból álló anyag, amely folytonos szerkezetet alkot. Ez a chipgyártó ipar alapja.

A következő ábra a monokristályos szilícium előállításának teljes folyamatát szemlélteti:

Folyamat áttekintése:
A monokristályos szilíciumot szilíciumércből nyerik egy sor finomítási lépéssel. Először polikristályos szilíciumot nyernek, amelyet ezután kristálynövesztő kemencében monokristályos szilíciumöntvényekké növesztenek. Ezt követően vágják, polírozzák, és chipgyártásra alkalmas szilíciumlapkákká dolgozzák fel.

A szilícium lapkákat általában két kategóriába sorolják:fotovoltaikus minőségűésfélvezető minőségűEz a két típus főként szerkezetében, tisztaságában és felületi minőségében különbözik egymástól.

• Félvezető minőségű ostyákkivételesen magas, akár 99,999999999%-os tisztasággal rendelkeznek, és szigorúan monokristályosaknak kell lenniük.

• Fotovoltaikus minőségű ostyákkevésbé tiszták, tisztasági szintjük 99,99% és 99,9999% között mozog, és nincsenek ilyen szigorú követelményeik a kristályminőségre vonatkozóan.

Ezenkívül a félvezető minőségű ostyáknak nagyobb felületi simaságra és tisztaságra van szükségük, mint a fotovoltaikus minőségű ostyáknak. A félvezető ostyákkal szemben támasztott magasabb szabványok növelik mind az előállításuk összetettségét, mind pedig későbbi alkalmazási értéküket.

A következő ábra a félvezető ostyák specifikációinak fejlődését vázolja fel, amely a korai 4 hüvelykes (100 mm) és 6 hüvelykes (150 mm) ostyáktól a jelenlegi 8 hüvelykes (200 mm) és 12 hüvelykes (300 mm) ostyákig terjedt.

A tényleges szilícium-monokristály előállítása során az ostya mérete az alkalmazás típusától és a költségtényezőktől függően változik. Például a memóriachipek általában 12 hüvelykes ostyákat használnak, míg a teljesítményeszközök gyakran 8 hüvelykes ostyákat.

Összefoglalva, a szeletek méretének alakulása Moore törvényének és gazdasági tényezőknek az eredménye. A nagyobb szeletméret lehetővé teszi a felhasználhatóbb szilíciumfelület növekedését azonos feldolgozási körülmények között, csökkentve a termelési költségeket, miközben minimalizálja a szeletek széleiből származó hulladékot.

A modern technológiai fejlődés kulcsfontosságú anyagaként a félvezető szilícium ostyák olyan precíz eljárásokon, mint a fotolitográfia és az ionimplantáció, lehetővé teszik különféle elektronikus eszközök, többek között nagy teljesítményű egyenirányítók, tranzisztorok, bipoláris átmenetű tranzisztorok és kapcsolóeszközök gyártását. Ezek az eszközök kulcsszerepet játszanak olyan területeken, mint a mesterséges intelligencia, az 5G kommunikáció, az autóipari elektronika, a dolgok internete és a repülőgépipar, a nemzeti gazdasági fejlődés és a technológiai innováció sarokkövét képezve.

3. Monokristályos szilícium növekedési technológia

ACzochralski (CZ) módszeregy hatékony eljárás kiváló minőségű monokristályos anyag olvadékból történő kinyerésére. Jan Czochralski által 1917-ben javasolt módszer, más névenKristályhúzásmódszer.

Jelenleg a CZ módszert széles körben alkalmazzák különféle félvezető anyagok előállításában. A hiányos statisztikák szerint az elektronikus alkatrészek mintegy 98%-a monokristályos szilíciumból készül, ezen alkatrészek 85%-át CZ módszerrel állítják elő.

A CZ módszert kiváló kristályminősége, szabályozható mérete, gyors növekedési sebessége és magas termelési hatékonysága miatt részesítik előnyben. Ezek a tulajdonságok teszik a CZ monokristályos szilíciumot az elektronikai ipar kiváló minőségű, nagyméretű keresletének kielégítésére alkalmas anyaggá.

A CZ monokristályos szilícium növekedési elve a következő:

A CZ eljárás magas hőmérsékletet, vákuumot és zárt környezetet igényel. A folyamat kulcsfontosságú berendezése akristálynövesztő kemence, ami megkönnyíti ezeket a feltételeket.

A következő ábra egy kristálynövesztő kemence szerkezetét szemlélteti.

A CZ eljárás során a tiszta szilíciumot egy olvasztótégelybe helyezik, megolvasztják, majd egy oltókristályt juttatnak az olvadt szilíciumba. A hőmérséklet, a húzási sebesség és a olvasztótégely forgási sebességének pontos szabályozásával az oltókristály és az olvadt szilícium határfelületén lévő atomok vagy molekulák folyamatosan átszerveződnek, a rendszer hűlésével megszilárdulnak, és végül egyetlen kristályt képeznek.

Ez a kristálynövekedési technika kiváló minőségű, nagy átmérőjű, specifikus kristályorientációjú monokristályos szilíciumot állít elő.

A növekedési folyamat több kulcsfontosságú lépésből áll, beleértve:

1. Szétszerelés és berakodásA kristály eltávolítása és a kemence, valamint az alkatrészek alapos megtisztítása a szennyeződésektől, például kvarctól, grafittól vagy egyéb szennyeződésektől.

2. Vákuum és olvasztásA rendszert vákuum alá helyezik, majd argongázt vezetnek be és felmelegítik a szilíciumtöltetet.

3. KristályhúzásA vetőkristályt az olvadt szilíciumba helyezik, és a határfelület hőmérsékletét gondosan szabályozzák a megfelelő kristályosodás biztosítása érdekében.

4. Váll- és átmérőszabályozásAhogy a kristály növekszik, az átmérőjét gondosan figyelik és állítják be az egyenletes növekedés biztosítása érdekében.

5. A növekedés vége és a kemence leállításaA kívánt kristályméret elérése után a kemencét leállítják, és a kristályt eltávolítják.

A folyamat részletes lépései biztosítják a félvezetőgyártáshoz alkalmas, kiváló minőségű, hibamentes monokristályok létrehozását.

4. Kihívások a monokristályos szilícium előállításában

A nagy átmérőjű félvezető monokristályok előállításának egyik fő kihívása a növekedési folyamat során fellépő technikai szűk keresztmetszetek leküzdése, különösen a kristályhibák előrejelzése és szabályozása terén:

1. Inkonzisztens monokristály minőség és alacsony hozamA szilícium-monokristályok méretének növekedésével a növekedési környezet összetettsége is növekszik, ami megnehezíti az olyan tényezők szabályozását, mint a hő-, áramlási és mágneses mezők. Ez megnehezíti az állandó minőség és a magasabb hozamok elérését.

2. Instabil szabályozási folyamatA félvezető szilícium monokristályok növekedési folyamata rendkívül összetett, több fizikai mező kölcsönhatása jellemzi, ami instabillá teszi a szabályozási pontosságot és alacsony termékhozamokhoz vezet. A jelenlegi szabályozási stratégiák főként a kristály makroszkopikus méreteire összpontosítanak, míg a minőséget továbbra is a kézi tapasztalatok alapján állítják be, ami megnehezíti az IC-chipek mikro- és nanotechnológiás gyártására vonatkozó követelmények teljesítését.

Ezen kihívások megoldása érdekében sürgősen szükség van a kristályminőség valós idejű, online monitorozási és előrejelzési módszereinek fejlesztésére, valamint a vezérlőrendszerek fejlesztésére, hogy biztosítsák az integrált áramkörökben használható nagyméretű monokristályok stabil, kiváló minőségű gyártását.