En omfattende oversigt over vækstmetoder for monokrystallinsk silicium

En omfattende oversigt over vækstmetoder for monokrystallinsk silicium

1. Baggrund for udvikling af monokrystallinsk silicium

Teknologiske fremskridt og den stigende efterspørgsel efter højeffektive intelligente produkter har yderligere styrket den integrerede kredsløbs (IC) industris centrale position i den nationale udvikling. Som hjørnestenen i IC-industrien spiller halvledermonokrystallinsk silicium en afgørende rolle i at drive teknologisk innovation og økonomisk vækst.

Ifølge data fra International Semiconductor Industry Association nåede det globale marked for halvlederwafere et salgstal på 12,6 milliarder dollars, med leverancer, der voksede til 14,2 milliarder kvadrattommer. Desuden fortsætter efterspørgslen efter siliciumwafere med at stige støt.

Den globale siliciumwaferindustri er dog stærkt koncentreret, hvor de fem største leverandører dominerer over 85 % af markedsandelen, som vist nedenfor:

• Shin-Etsu Chemical (Japan)

• SUMCO (Japan)

• Globale vafler

• Siltronic (Tyskland)

• SK Siltron (Sydkorea)

Dette oligopol resulterer i Kinas store afhængighed af importerede monokrystallinske siliciumskiver, hvilket er blevet en af ​​de vigtigste flaskehalse, der begrænser udviklingen af ​​landets integrerede kredsløbsindustri.

For at overvinde de nuværende udfordringer i sektoren for fremstilling af halvledersiliciummonokrystaller er investering i forskning og udvikling og styrkelse af den indenlandske produktionskapacitet et uundgåeligt valg.

2. Oversigt over monokrystallinsk siliciummateriale

Monokrystallinsk silicium er fundamentet for den integrerede kredsløbsindustri. Til dato er over 90 % af IC-chips og elektroniske enheder fremstillet med monokrystallinsk silicium som det primære materiale. Den udbredte efterspørgsel efter monokrystallinsk silicium og dets forskellige industrielle anvendelser kan tilskrives flere faktorer:

1. Sikkerhed og miljøvenligSilicium findes i rigelige mængder i jordskorpen, er giftfri og miljøvenligt.

2. Elektrisk isoleringSilicium udviser naturligt elektriske isolationsegenskaber, og ved varmebehandling danner det et beskyttende lag af siliciumdioxid, som effektivt forhindrer tab af elektrisk ladning.

3. Moden vækstteknologiDen lange historie med teknologisk udvikling inden for siliciumvækstprocesser har gjort det langt mere sofistikeret end andre halvledermaterialer.

Disse faktorer holder tilsammen monokrystallinsk silicium i spidsen for industrien, hvilket gør det uerstatteligt med andre materialer.

Med hensyn til krystalstruktur er monokrystallinsk silicium et materiale fremstillet af siliciumatomer arrangeret i et periodisk gitter, der danner en kontinuerlig struktur. Det er grundlaget for chipfremstillingsindustrien.

Følgende diagram illustrerer den komplette proces for fremstilling af monokrystallinsk silicium:

Procesoversigt:
Monokrystallinsk silicium udvindes fra siliciummalm gennem en række raffineringstrin. Først udvindes polykrystallinsk silicium, som derefter dyrkes til en monokrystallinsk siliciumbarre i en krystalvækstovn. Derefter skæres, poleres og forarbejdes det til siliciumwafers, der er egnede til chipfremstilling.

Siliciumskiver opdeles typisk i to kategorier:solcellekvalitetoghalvlederkvalitetDisse to typer adskiller sig hovedsageligt i deres struktur, renhed og overfladekvalitet.

• Halvlederkvalitetswaferehar en usædvanlig høj renhed på op til 99,999999999% og skal strengt taget være monokrystallinske.

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

Derudover kræver wafere af halvlederkvalitet højere overfladeglathed og renhed end wafere af fotovoltaisk kvalitet. De højere standarder for halvlederwafere øger både kompleksiteten af ​​deres fremstilling og deres efterfølgende værdi i applikationer.

Følgende diagram skitserer udviklingen af ​​halvlederwaferspecifikationer, som er steget fra tidlige 4-tommer (100 mm) og 6-tommer (150 mm) wafere til nuværende 8-tommer (200 mm) og 12-tommer (300 mm) wafere.

Ved fremstilling af siliciummonokrystal varierer waferstørrelsen afhængigt af anvendelsestypen og omkostningsfaktorer. For eksempel bruger hukommelseschips almindeligvis 12-tommer wafere, mens strømforsyninger ofte bruger 8-tommer wafere.

Kort sagt er udviklingen i waferstørrelse et resultat af både Moores lov og økonomiske faktorer. En større waferstørrelse muliggør vækst af et mere brugbart siliciumareal under de samme behandlingsforhold, hvilket reducerer produktionsomkostningerne og minimerer spild fra waferkanter.

Som et afgørende materiale i moderne teknologisk udvikling muliggør halvledersiliciumwafere, gennem præcise processer som fotolitografi og ionimplantation, produktionen af ​​forskellige elektroniske enheder, herunder højeffektensrettere, transistorer, bipolære overgangstransistorer og omskiftere. Disse enheder spiller en nøglerolle inden for områder som kunstig intelligens, 5G-kommunikation, bilelektronik, Tingenes Internet og luftfart, og danner hjørnestenen i den nationale økonomiske udvikling og teknologiske innovation.

3. Monokrystallinsk siliciumvækstteknologi

DeCzochralski (CZ) metodeer en effektiv proces til at udtrække monokrystallinsk materiale af høj kvalitet fra smelten. Denne metode, der blev foreslået af Jan Czochralski i 1917, er også kendt somKrystaludtrækningmetode.

I øjeblikket anvendes CZ-metoden i vid udstrækning til fremstilling af forskellige halvledermaterialer. Ifølge ufuldstændig statistik er omkring 98 % af elektroniske komponenter fremstillet af monokrystallinsk silicium, hvoraf 85 % af disse komponenter produceres ved hjælp af CZ-metoden.

CZ-metoden er foretrukket på grund af dens fremragende krystalkvalitet, kontrollerbare størrelse, hurtige væksthastighed og høje produktionseffektivitet. Disse egenskaber gør CZ monokrystallinsk silicium til det foretrukne materiale til at imødekomme den store efterspørgsel efter høj kvalitet i elektronikindustrien.

Vækstprincippet for CZ monokrystallinsk silicium er som følger:

CZ-processen kræver høje temperaturer, vakuum og et lukket miljø. Nøgleudstyret til denne proces erkrystalvækstovn, hvilket letter disse forhold.

Følgende diagram illustrerer strukturen af ​​en krystalvækstovn.

I CZ-processen placeres rent silicium i en digel, smeltes, og en podekrystal indføres i det smeltede silicium. Ved præcist at kontrollere parametre som temperatur, trækhastighed og diglens rotationshastighed, reorganiseres atomer eller molekyler ved grænsefladen mellem podekrystallen og det smeltede silicium kontinuerligt, størkner, når systemet afkøles, og danner i sidste ende en enkelt krystal.

Denne krystalvækstteknik producerer monokrystallinsk silicium af høj kvalitet med stor diameter og specifikke krystalorienteringer.

Vækstprocessen involverer flere nøgletrin, herunder:

1. Demontering og lastningFjernelse af krystallen og grundig rengøring af ovnen og komponenterne for forurenende stoffer såsom kvarts, grafit eller andre urenheder.

2. Vakuum og smeltningSystemet evakueres til vakuum, efterfulgt af indføring af argongas og opvarmning af siliciumladningen.

3. KrystaludtrækningPodekrystallen sænkes ned i det smeltede silicium, og grænsefladetemperaturen kontrolleres omhyggeligt for at sikre korrekt krystallisation.

4. Skuldring og diameterkontrolEfterhånden som krystallen vokser, overvåges og justeres dens diameter omhyggeligt for at sikre ensartet vækst.

5. Slut på vækst og nedlukning af ovnNår den ønskede krystalstørrelse er opnået, slukkes ovnen, og krystallen fjernes.

De detaljerede trin i denne proces sikrer skabelsen af ​​​​højkvalitets, defektfri monokrystaller, der er egnede til halvlederfremstilling.

4. Udfordringer i produktionen af ​​monokrystallinsk silicium

En af de største udfordringer ved produktion af halvledermonokrystaller med stor diameter ligger i at overvinde de tekniske flaskehalse under vækstprocessen, især i at forudsige og kontrollere krystaldefekter:

1. Inkonsekvent monokrystalkvalitet og lavt udbytteEfterhånden som størrelsen af ​​siliciummonokrystallerne stiger, øges vækstmiljøets kompleksitet, hvilket gør det vanskeligt at kontrollere faktorer som termiske felter, strømningsfelter og magnetfelter. Dette komplicerer opgaven med at opnå ensartet kvalitet og højere udbytter.

2. Ustabil kontrolprocesVækstprocessen for halvleder-siliciummonokrystaller er yderst kompleks, med flere fysiske felter, der interagerer, hvilket gør kontrolpræcisionen ustabil og fører til lave produktudbytter. Nuværende kontrolstrategier fokuserer primært på krystallens makroskopiske dimensioner, mens kvaliteten stadig justeres baseret på manuel erfaring, hvilket gør det vanskeligt at opfylde kravene til mikro- og nanofremstilling i IC-chips.

For at imødegå disse udfordringer er der et presserende behov for udvikling af online overvågnings- og forudsigelsesmetoder i realtid for krystalkvalitet, sammen med forbedringer i kontrolsystemer for at sikre stabil produktion af store monokrystaller af høj kvalitet til brug i integrerede kredsløb.