En omfattende oversikt over monokrystallinske silisiumvekstmetoder

En omfattende oversikt over monokrystallinske silisiumvekstmetoder

1. Bakgrunn for utvikling av monokrystallinsk silisium

Teknologiske fremskritt og den økende etterspørselen etter høyeffektive smarte produkter har ytterligere befestet kjerneposisjonen til integrerte kretser (IC) i nasjonal utvikling. Som hjørnesteinen i IC-industrien spiller halvledermonokrystallinsk silisium en viktig rolle i å drive teknologisk innovasjon og økonomisk vekst.

Ifølge data fra International Semiconductor Industry Association nådde det globale markedet for halvlederskiver et salgstall på 12,6 milliarder dollar, med forsendelser som vokste til 14,2 milliarder kvadrattommer. Dessuten fortsetter etterspørselen etter silisiumskiver å øke jevnt.

Den globale silisiumskiveindustrien er imidlertid svært konsentrert, med de fem største leverandørene som dominerer over 85 % av markedsandelen, som vist nedenfor:

• Shin-Etsu Chemical (Japan)

• SUMCO (Japan)

• Globale vafler

• Siltronic (Tyskland)

• SK Siltron (Sør-Korea)

Dette oligopolet resulterer i Kinas store avhengighet av importerte monokrystallinske silisiumskiver, som har blitt en av de viktigste flaskehalsene som begrenser utviklingen av landets integrerte kretsindustri.

For å overvinne de nåværende utfordringene i sektoren for produksjon av halvledersilisiummonokrystaller er det et uunngåelig valg å investere i forskning og utvikling og styrke innenlandsk produksjonskapasitet.

2. Oversikt over monokrystallinsk silisiummateriale

Monokrystallinsk silisium er grunnlaget for den integrerte kretsindustrien. Til dags dato er over 90 % av IC-brikker og elektroniske enheter laget med monokrystallinsk silisium som hovedmateriale. Den utbredte etterspørselen etter monokrystallinsk silisium og dets mangfoldige industrielle bruksområder kan tilskrives flere faktorer:

1. Sikkerhet og miljøvennlighetSilisium finnes rikelig i jordskorpen, er giftfritt og miljøvennlig.

2. Elektrisk isolasjonSilisium har naturlig elektriske isolasjonsegenskaper, og ved varmebehandling danner det et beskyttende lag av silisiumdioksid, som effektivt forhindrer tap av elektrisk ladning.

3. Moden vekstteknologiDen lange historien med teknologisk utvikling innen silisiumvekstprosesser har gjort det langt mer sofistikert enn andre halvledermaterialer.

Disse faktorene sammen holder monokrystallinsk silisium i forkant av industrien, noe som gjør det uerstattelig med andre materialer.

Når det gjelder krystallstruktur, er monokrystallinsk silisium et materiale laget av silisiumatomer arrangert i et periodisk gitter, som danner en kontinuerlig struktur. Det er grunnlaget for chipproduksjonsindustrien.

Følgende diagram illustrerer den komplette prosessen for fremstilling av monokrystallinsk silisium:

Prosessoversikt:
Monokrystallinsk silisium utvinnes fra silisiummalm gjennom en rekke raffineringstrinn. Først utvinnes polykrystallinsk silisium, som deretter dyrkes til en monokrystallinsk silisiumbarre i en krystallvekstovn. Deretter kuttes, poleres og bearbeides det til silisiumskiver som er egnet for chipproduksjon.

Silisiumskiver deles vanligvis inn i to kategorier:solcellekvalitetoghalvlederkvalitetDisse to typene skiller seg hovedsakelig fra hverandre i struktur, renhet og overflatekvalitet.

• Halvlederkvalitetswaferehar en usedvanlig høy renhet på opptil 99,999999999 %, og er strengt tatt påkrevd å være monokrystallinske.

• Fotovoltaiske wafereer mindre rene, med renhetsnivåer fra 99,99 % til 99,9999 %, og har ikke så strenge krav til krystallkvalitet.

I tillegg krever wafere av halvlederkvalitet høyere overflateglatthet og renhet enn wafere av fotovoltaisk kvalitet. De høyere standardene for halvlederwafere øker både kompleksiteten i fremstillingen og deres påfølgende verdi i applikasjoner.

Følgende diagram skisserer utviklingen av spesifikasjoner for halvlederwafere, som har økt fra tidlige 4-tommers (100 mm) og 6-tommers (150 mm) wafere til nåværende 8-tommers (200 mm) og 12-tommers (300 mm) wafere.

Ved faktisk fremstilling av silisiummonokrystaller varierer waferstørrelsen basert på applikasjonstype og kostnadsfaktorer. For eksempel bruker minnebrikker vanligvis 12-tommers wafere, mens strømforsyninger ofte bruker 8-tommers wafere.

Oppsummert er utviklingen av waferstørrelse et resultat av både Moores lov og økonomiske faktorer. En større waferstørrelse muliggjør vekst av mer brukbart silisiumareal under de samme prosesseringsforholdene, noe som reduserer produksjonskostnadene samtidig som avfall fra waferkantene minimeres.

Som et avgjørende materiale i moderne teknologisk utvikling, muliggjør halvledersilisiumskiver, gjennom presise prosesser som fotolitografi og ionimplantasjon, produksjon av ulike elektroniske enheter, inkludert høyeffektslikerettere, transistorer, bipolare overgangstransistorer og svitsjeenheter. Disse enhetene spiller en nøkkelrolle innen felt som kunstig intelligens, 5G-kommunikasjon, bilelektronikk, tingenes internett og luftfart, og danner hjørnesteinen i nasjonal økonomisk utvikling og teknologisk innovasjon.

3. Monokrystallinsk silisiumvekstteknologi

DeCzochralski-metoden (CZ)er en effektiv prosess for å trekke monokrystallinsk materiale av høy kvalitet fra smelten. Denne metoden ble foreslått av Jan Czochralski i 1917, og er også kjent somKrystalltrekkingmetode.

For tiden er CZ-metoden mye brukt i fremstillingen av ulike halvledermaterialer. I følge ufullstendig statistikk er omtrent 98 % av elektroniske komponenter laget av monokrystallinsk silisium, og 85 % av disse komponentene produseres ved hjelp av CZ-metoden.

CZ-metoden er foretrukket på grunn av sin utmerkede krystallkvalitet, kontrollerbare størrelse, raske veksthastighet og høye produksjonseffektivitet. Disse egenskapene gjør CZ monokrystallinsk silisium til det foretrukne materialet for å møte den høykvalitets, store etterspørselen i elektronikkindustrien.

Vekstprinsippet for CZ monokrystallinsk silisium er som følger:

CZ-prosessen krever høye temperaturer, vakuum og et lukket miljø. Nøkkelutstyret for denne prosessen erkrystallvekstovn, noe som legger til rette for disse forholdene.

Følgende diagram illustrerer strukturen til en krystallvekstovn.

I CZ-prosessen plasseres rent silisium i en digel, smeltes, og en kimkrystall introduseres i det smeltede silisiumet. Ved å kontrollere parametere som temperatur, trekkhastighet og rotasjonshastighet for digelen nøyaktig, omorganiseres atomer eller molekyler i grenseflaten mellom kimkrystallen og det smeltede silisiumet kontinuerlig, størkner når systemet avkjøles og til slutt danner en enkelt krystall.

Denne krystallvekstteknikken produserer monokrystallinsk silisium av høy kvalitet med stor diameter og spesifikke krystallorienteringer.

Vekstprosessen involverer flere viktige trinn, inkludert:

1. Demontering og lastingFjerning av krystallen og grundig rengjøring av ovnen og komponentene fra forurensninger som kvarts, grafitt eller andre urenheter.

2. Vakuum og smeltingSystemet evakueres til vakuum, etterfulgt av innføring av argongass og oppvarming av silisiumladningen.

3. KrystalltrekkingFrøkrystallen senkes ned i det smeltede silisiumet, og grensesnitttemperaturen kontrolleres nøye for å sikre riktig krystallisering.

4. Skuldring og diameterkontrollEtter hvert som krystallen vokser, overvåkes og justeres diameteren nøye for å sikre jevn vekst.

5. Slutt på vekst og ovnsnedstengningNår ønsket krystallstørrelse er oppnådd, slås ovnen av, og krystallen fjernes.

De detaljerte trinnene i denne prosessen sikrer produksjonen av høykvalitets, defektfrie monokrystaller som er egnet for halvlederproduksjon.

4. Utfordringer i produksjon av monokrystallinsk silisium

En av hovedutfordringene ved å produsere halvledermonokrystaller med stor diameter ligger i å overvinne de tekniske flaskehalsene under vekstprosessen, spesielt når det gjelder å forutsi og kontrollere krystalldefekter:

1. Inkonsekvent monokrystallkvalitet og lavt utbytteEtter hvert som størrelsen på silisiummonokrystallene øker, øker også kompleksiteten i vekstmiljøet, noe som gjør det vanskelig å kontrollere faktorer som termiske felt, strømningsfelt og magnetfelt. Dette kompliserer oppgaven med å oppnå jevn kvalitet og høyere utbytter.

2. Ustabil kontrollprosessVekstprosessen til halvledersilisiummonokrystaller er svært kompleks, med flere fysiske felt som samhandler, noe som gjør kontrollpresisjonen ustabil og fører til lave produktutbytter. Nåværende kontrollstrategier fokuserer hovedsakelig på krystallens makroskopiske dimensjoner, mens kvaliteten fortsatt justeres basert på manuell erfaring, noe som gjør det vanskelig å oppfylle kravene til mikro- og nanofabrikasjon i IC-brikker.

For å møte disse utfordringene er det et presserende behov for utvikling av sanntids, online overvåkings- og prediksjonsmetoder for krystallkvalitet, sammen med forbedringer i kontrollsystemer for å sikre stabil produksjon av store monokrystaller av høy kvalitet for bruk i integrerte kretser.