Свеобухватни преглед метода раста монокристалног силицијума

Свеобухватни преглед метода раста монокристалног силицијума

1. Позадина развоја монокристалног силицијума

Напредак технологије и растућа потражња за високо ефикасним паметним производима додатно су учврстили кључну позицију индустрије интегрисаних кола (ИЦ) у националном развоју. Као камен темељац индустрије ИЦ-а, полупроводнички монокристални силицијум игра виталну улогу у покретању технолошких иновација и економског раста.

Према подацима Међународног удружења полупроводничке индустрије, глобално тржиште полупроводничких плочица достигло је продају од 12,6 милијарди долара, а испоруке су порасле на 14,2 милијарде квадратних инча. Штавише, потражња за силицијумским плочицама наставља да стално расте.

Међутим, глобална индустрија силицијумских плочица је високо концентрисана, са пет највећих добављача који доминирају са преко 85% тржишног удела, као што је приказано у наставку:

• Шин-Ецу Кемикал (Јапан)

• SUMCO (Јапан)

• Глобални вафли

• Силтроник (Немачка)

• СК Силтрон (Јужна Кореја)

Овај олигопол резултира великом зависношћу Кине од увоза монокристалних силицијумских плочица, што је постало једно од кључних уских грла која ограничавају развој индустрије интегрисаних кола у земљи.

Да би се превазишли тренутни изазови у сектору производње полупроводничких силицијумских монокристала, улагање у истраживање и развој и јачање домаћих производних капацитета је неизбежан избор.

2. Преглед монокристалног силицијумског материјала

Монокристални силицијум је темељ индустрије интегрисаних кола. До данас, преко 90% интегрисаних кола и електронских уређаја се прави коришћењем монокристалног силицијума као примарног материјала. Широко распрострањена потражња за монокристалним силицијумом и његове разноврсне индустријске примене могу се приписати неколико фактора:

1. Безбедност и еколошки прихватљивостСилицијум је обилан у Земљиној кори, нетоксичан је и еколошки прихватљив.

2. Електрична изолацијаСилицијум природно показује својства електричне изолације, а након термичке обраде формира заштитни слој силицијум диоксида, који ефикасно спречава губитак електричног набоја.

3. Технологија зрелог растаДуга историја технолошког развоја процеса раста силицијума учинила га је далеко софистициранијим од других полупроводничких материјала.

Ови фактори заједно држе монокристални силицијум на челу индустрије, чинећи га незаменљивим другим материјалима.

Што се тиче кристалне структуре, монокристални силицијум је материјал направљен од атома силицијума распоређених у периодичну решетку, формирајући континуирану структуру. Он је основа индустрије производње чипова.

Следећи дијаграм илуструје комплетан процес припреме монокристалног силицијума:

Преглед процеса:
Монокристални силицијум се добија из силицијумске руде кроз низ корака рафинисања. Прво се добија поликристални силицијум, који се затим узгаја у монокристални силицијумски ингот у пећи за раст кристала. Након тога, сече се, полира и обрађује у силицијумске плочице погодне за производњу чипова.

Силицијумске плочице се обично деле у две категорије:фотонапонског квалитетаиполупроводничког квалитетаОва два типа се разликују углавном по својој структури, чистоћи и квалитету површине.

• Полупроводничке плочицеимају изузетно високу чистоћу до 99,999999999% и строго се захтева да буду монокристални.

• Фотонапонске плочицесу мање чисти, са нивоом чистоће од 99,99% до 99,9999%, и немају тако строге захтеве за квалитет кристала.

Поред тога, полупроводничке плочице захтевају већу глаткоћу и чистоћу површине од плочица фотонапонског квалитета. Виши стандарди за полупроводничке плочице повећавају и сложеност њихове припреме и њихову каснију вредност у применама.

Следећи графикон приказује еволуцију спецификација полупроводничких плочица, које су се повећале од раних плочица од 4 инча (100 мм) и 6 инча (150 мм) до тренутних плочица од 8 инча (200 мм) и 12 инча (300 мм).

У стварној припреми силицијумских монокристала, величина плочице варира у зависности од типа примене и фактора трошкова. На пример, меморијски чипови обично користе плочице од 12 инча, док уређаји за напајање често користе плочице од 8 инча.

Укратко, еволуција величине плочице је резултат и Муровог закона и економских фактора. Већа величина плочице омогућава раст веће употребљиве површине силицијума под истим условима обраде, смањујући трошкове производње уз минимизирање отпада са ивица плочице.

Као кључни материјал у савременом технолошком развоју, полупроводничке силицијумске плочице, кроз прецизне процесе као што су фотолитографија и јонска имплантација, омогућавају производњу разних електронских уређаја, укључујући исправљаче велике снаге, транзисторе, биполарне спојне транзисторе и прекидачке уређаје. Ови уређаји играју кључну улогу у областима као што су вештачка интелигенција, 5G комуникације, аутомобилска електроника, Интернет ствари и ваздухопловство, чинећи темељ националног економског развоја и технолошких иновација.

3. Технологија раста монокристалног силицијума

TheЧохралски (CZ) методје ефикасан процес за извлачење висококвалитетног монокристалног материјала из растопа. Предложио га је Јан Чохралски 1917. године, а овај метод је познат и каоИзвлачење кристаламетод.

Тренутно се CZ метода широко користи у припреми различитих полупроводничких материјала. Према непотпуним статистикама, око 98% електронских компоненти је направљено од монокристалног силицијума, при чему се 85% ових компоненти производи помоћу CZ методе.

CZ метода је фаворизована због одличног квалитета кристала, контролисане величине, брзе стопе раста и високе ефикасности производње. Ове карактеристике чине CZ монокристални силицијум преферираним материјалом за задовољавање висококвалитетне, велике потражње у електронској индустрији.

Принцип раста монокристалног силицијума CZ је следећи:

Процес CZ захтева високе температуре, вакуум и затворену средину. Кључна опрема за овај процес јепећ за раст кристала, што олакшава ове услове.

Следећи дијаграм илуструје структуру пећи за раст кристала.

У CZ процесу, чисти силицијум се ставља у лончић, топи, а затим се у растопљени силицијум уводи кристална семена. Прецизном контролом параметара као што су температура, брзина извлачења и брзина ротације лончића, атоми или молекули на граници кристалне семене и растопљеног силицијума се континуирано реорганизују, учвршћују се како се систем хлади и на крају формирају један кристал.

Ова техника раста кристала производи висококвалитетни монокристални силицијум великог пречника са специфичним кристалним оријентацијама.

Процес раста укључује неколико кључних корака, укључујући:

1. Растављање и утоварУклањање кристала и темељно чишћење пећи и компоненти од загађивача као што су кварц, графит или друге нечистоће.

2. Вакуум и топљењеСистем се евакуише до вакуума, након чега следи увођење аргонског гаса и загревање силицијумског узорка.

3. Извлачење кристалаСеме кристала се спушта у растопљени силицијум, а температура међуфазе се пажљиво контролише како би се осигурала правилна кристализација.

4. Контрола рамена и пречникаКако кристал расте, његов пречник се пажљиво прати и подешава како би се осигурао равномерни раст.

5. Крај раста и гашење пећиКада се постигне жељена величина кристала, пећ се искључује и кристал се уклања.

Детаљни кораци у овом процесу осигуравају стварање висококвалитетних, монокристала без дефеката погодних за производњу полупроводника.

4. Изазови у производњи монокристалног силицијума

Један од главних изазова у производњи полупроводничких монокристала великог пречника лежи у превазилажењу техничких уских грла током процеса раста, посебно у предвиђању и контроли кристалних дефеката:

1. Недоследан квалитет монокристала и низак приносКако се величина силицијумских монокристала повећава, сложеност окружења за раст се повећава, што отежава контролу фактора попут термичких, проточних и магнетних поља. Ово компликује задатак постизања конзистентног квалитета и већих приноса.

2. Нестабилан процес управљањаПроцес раста полупроводничких силицијумских монокристала је веома сложен, са вишеструким физичким пољима која међусобно делују, што чини прецизност контроле нестабилном и доводи до ниског приноса производа. Тренутне стратегије контроле се углавном фокусирају на макроскопске димензије кристала, док се квалитет и даље подешава на основу ручног искуства, што отежава испуњавање захтева за микро и нано израду интегрисаних кола.

Да би се решили ови изазови, хитно је потребан развој метода за праћење и предвиђање квалитета кристала у реалном времену, онлајн, заједно са побољшањима система управљања како би се осигурала стабилна, висококвалитетна производња великих монокристала за употребу у интегрисаним колима.