Išsami monokristalinio silicio augimo metodų apžvalga

Išsami monokristalinio silicio augimo metodų apžvalga

1. Monokristalinio silicio kūrimo aplinkybės

Technologijų pažanga ir auganti didelio efektyvumo išmaniųjų gaminių paklausa dar labiau sustiprino integrinių grandynų (IC) pramonės pagrindinę poziciją nacionalinėje plėtroje. Puslaidininkinis monokristalinis silicis, kaip IC pramonės kertinis akmuo, atlieka gyvybiškai svarbų vaidmenį skatinant technologines inovacijas ir ekonomikos augimą.

Remiantis Tarptautinės puslaidininkių pramonės asociacijos duomenimis, pasaulinės puslaidininkių plokštelių rinkos pardavimai pasiekė 12,6 mlrd. JAV dolerių, o siuntų apimtis išaugo iki 14,2 mlrd. kvadratinių colių. Be to, silicio plokštelių paklausa ir toliau nuolat auga.

Tačiau pasaulinė silicio plokštelių pramonė yra labai koncentruota, o penki didžiausi tiekėjai užima daugiau nei 85 % rinkos dalies, kaip parodyta toliau:

• „Shin-Etsu Chemical“ (Japonija)

• SUMCO (Japonija)

• Pasauliniai vafliai

• „Siltronic“ (Vokietija)

• SK Siltron (Pietų Korėja)

Dėl šios oligopolijos Kinija yra labai priklausoma nuo importuojamų monokristalinių silicio plokštelių, o tai tapo viena iš pagrindinių kliūčių, ribojančių šalies integrinių grandynų pramonės plėtrą.

Norint įveikti dabartinius iššūkius puslaidininkių silicio monokristalų gamybos sektoriuje, neišvengiamai reikia investuoti į mokslinius tyrimus ir plėtrą bei stiprinti vidaus gamybos pajėgumus.

2. Monokristalinio silicio medžiagos apžvalga

Monokristalinis silicis yra integruotų grandynų pramonės pagrindas. Iki šiol daugiau nei 90 % integrinių grandynų lustų ir elektroninių prietaisų yra pagaminti naudojant monokristalinį silicį kaip pagrindinę medžiagą. Plačią monokristalinio silicio paklausą ir įvairiapusį jo pramoninį pritaikymą galima paaiškinti keliais veiksniais:

1. Saugus ir draugiškas aplinkaiSilicio gausu Žemės plutoje, jis netoksiškas ir nekenksmingas aplinkai.

2. Elektros izoliacijaSilicis natūraliai pasižymi elektros izoliacijos savybėmis, o termiškai apdorojamas sudaro apsauginį silicio dioksido sluoksnį, kuris veiksmingai apsaugo nuo elektros krūvio praradimo.

3. Subrendusio augimo technologijaIlga silicio auginimo procesų technologinės plėtros istorija padarė jį daug sudėtingesnį nei kitas puslaidininkines medžiagas.

Šie veiksniai kartu išlaiko monokristalinį silicį pramonės priešakyje, todėl jis yra nepakeičiamas kitoms medžiagoms.

Kalbant apie kristalinę struktūrą, monokristalinis silicis yra medžiaga, pagaminta iš silicio atomų, išsidėsčiusių periodinėje gardelėje, sudarančia ištisinę struktūrą. Tai yra lustų gamybos pramonės pagrindas.

Šioje diagramoje pavaizduotas visas monokristalinio silicio paruošimo procesas:

Proceso apžvalga:
Monokristalinis silicis išgaunamas iš silicio rūdos atliekant keletą rafinavimo etapų. Pirmiausia gaunamas polikristalinis silicis, kuris kristalų auginimo krosnyje auginamas į monokristalinio silicio luitą. Vėliau jis pjaustomas, poliruojamas ir perdirbamas į silicio plokšteles, tinkamas lustų gamybai.

Silicio plokštelės paprastai skirstomos į dvi kategorijas:fotovoltinės klasėsirpuslaidininkinės klasėsŠie du tipai daugiausia skiriasi savo struktūra, grynumu ir paviršiaus kokybe.

• Puslaidininkinės klasės plokštelėspasižymi itin dideliu grynumu – iki 99,999999999 % – ir griežtai reikalaujama, kad jie būtų monokristaliniai.

• Fotovoltinės klasės plokštelėsyra mažiau gryni, jų grynumo lygis svyruoja nuo 99,99 % iki 99,9999 %, ir jiems netaikomi tokie griežti kristalų kokybės reikalavimai.

Be to, puslaidininkinėms plokštelėms reikalingas didesnis paviršiaus lygumas ir švarumas nei fotovoltinėms plokštelėms. Aukštesni puslaidininkinėms plokštelėms keliami standartai padidina jų paruošimo sudėtingumą ir vėlesnę vertę įvairiose srityse.

Šioje diagramoje aprašoma puslaidininkinių plokštelių specifikacijų raida, kuri padidėjo nuo ankstyvųjų 4 colių (100 mm) ir 6 colių (150 mm) plokštelių iki dabartinių 8 colių (200 mm) ir 12 colių (300 mm) plokštelių.

Faktiškai ruošiant silicio monokristalus, plokštelių dydis skiriasi priklausomai nuo taikymo tipo ir kainos veiksnių. Pavyzdžiui, atminties lustuose dažniausiai naudojamos 12 colių plokštelės, o maitinimo įrenginiuose – 8 colių.

Apibendrinant galima teigti, kad plokštelių dydžio evoliucija yra ir Moore'o dėsnio, ir ekonominių veiksnių rezultatas. Didesnis plokštelių dydis leidžia padidinti naudojamą silicio plotą tomis pačiomis apdorojimo sąlygomis, sumažinant gamybos sąnaudas ir sumažinant plokštelių kraštų atliekas.

Puslaidininkinės silicio plokštelės, kaip itin svarbi šiuolaikinės technologinės plėtros medžiaga, naudojant tikslius procesus, tokius kaip fotolitografija ir jonų implantacija, leidžia gaminti įvairius elektroninius prietaisus, įskaitant didelės galios lygintuvus, tranzistorius, bipolinius tranzistorius ir perjungimo įtaisus. Šie prietaisai atlieka pagrindinį vaidmenį tokiose srityse kaip dirbtinis intelektas, 5G ryšys, automobilių elektronika, daiktų internetas ir aviacija, sudarydami nacionalinės ekonominės plėtros ir technologinių inovacijų kertinį akmenį.

3. Monokristalinio silicio augimo technologija

TheČochralskio (Čekijos) metodasyra efektyvus aukštos kokybės monokristalinės medžiagos ištraukimo iš lydalo procesas. Šį metodą 1917 m. pasiūlė Janas Čochralskis, ir jis dar žinomas kaipKristalų traukimasmetodas.

Šiuo metu CZ metodas plačiai naudojamas įvairių puslaidininkinių medžiagų gamyboje. Remiantis nepilna statistika, apie 98 % elektroninių komponentų yra pagaminti iš monokristalinio silicio, o 85 % šių komponentų – naudojant CZ metodą.

CZ metodas yra populiarus dėl puikios kristalų kokybės, kontroliuojamo dydžio, spartaus augimo greičio ir didelio gamybos efektyvumo. Šios savybės daro CZ monokristalinį silicį pageidaujama medžiaga, siekiant patenkinti aukštos kokybės ir didelio masto elektronikos pramonės paklausą.

CZ monokristalinio silicio augimo principas yra toks:

CZ procesui reikalinga aukšta temperatūra, vakuumas ir uždara aplinka. Pagrindinė šio proceso įranga yrakristalų augimo krosnis, o tai palengvina šias sąlygas.

Šioje diagramoje pavaizduota kristalų auginimo krosnies struktūra.

CZ procese grynas silicis dedamas į tiglį, išlydomas, o į išlydytą silicį įterpiamas užkemiamas kristalas. Tiksliai kontroliuojant tokius parametrus kaip temperatūra, tempimo greitis ir tiglio sukimosi greitis, užkemšamo kristalo ir išlydyto silicio sąsajoje esantys atomai arba molekulės nuolat reorganizuojasi, sistemai vėstant kietėja ir galiausiai sudaro monokristalą.

Šis kristalų auginimo būdas leidžia gauti aukštos kokybės, didelio skersmens monokristalinį silicį su specifinėmis kristalų orientacijomis.

Augimo procesas apima kelis pagrindinius etapus, įskaitant:

1. Išardymas ir pakrovimasKristalo pašalinimas ir kruopštus krosnies bei komponentų valymas nuo tokių teršalų kaip kvarcas, grafitas ar kitos priemaišos.

2. Vakuuminis ir lydymosiSistema išsiurbiama iki vakuumo, po to įvedamos argono dujos ir kaitinamas silicio įkrova.

3. Kristalų traukimasSėklų kristalas nuleidžiamas į išlydytą silicį, o sąsajos temperatūra kruopščiai kontroliuojama, kad būtų užtikrinta tinkama kristalizacija.

4. Pečių ir skersmens valdymasKristalui augant, jo skersmuo yra atidžiai stebimas ir reguliuojamas, siekiant užtikrinti tolygų augimą.

5. Augimo pabaiga ir krosnies išjungimasKai pasiekiamas norimas kristalo dydis, krosnis išjungiama ir kristalas išimamas.

Išsamūs šio proceso etapai užtikrina aukštos kokybės, be defektų monokristalų, tinkamų puslaidininkių gamybai, sukūrimą.

4. Monokristalinio silicio gamybos iššūkiai

Vienas iš pagrindinių iššūkių gaminant didelio skersmens puslaidininkinius monokristalus yra įveikti techninius kliūtis augimo proceso metu, ypač prognozuojant ir kontroliuojant kristalų defektus:

1. Nenuosekli monokristalų kokybė ir mažas derliusDidėjant silicio monokristalų dydžiui, augimo aplinka tampa vis sudėtingesnė, todėl sunku kontroliuoti tokius veiksnius kaip terminiai, srauto ir magnetiniai laukai. Tai apsunkina užduotį pasiekti pastovią kokybę ir didesnį derlių.

2. Nestabilus valdymo procesasPuslaidininkinių silicio monokristalų augimo procesas yra labai sudėtingas, jame sąveikauja daug fizikinių laukų, todėl valdymo tikslumas yra nestabilus ir produkto išeiga maža. Dabartinės valdymo strategijos daugiausia dėmesio skiria makroskopiniams kristalo matmenims, o kokybė vis dar reguliuojama remiantis rankine patirtimi, todėl sunku įvykdyti mikro ir nano gamybos reikalavimus IC lustuose.

Norint išspręsti šiuos iššūkius, skubiai reikia sukurti realaus laiko, internetinius kristalų kokybės stebėjimo ir prognozavimo metodus, taip pat patobulinti valdymo sistemas, kad būtų užtikrinta stabili ir aukštos kokybės didelių monokristalų, naudojamų integrinėse grandinėse, gamyba.