En omfattande översikt över tillväxtmetoder för monokristallint kisel

En omfattande översikt över tillväxtmetoder för monokristallint kisel

1. Bakgrund till utveckling av monokristallint kisel

Teknikutvecklingen och den växande efterfrågan på högeffektiva smarta produkter har ytterligare befäst integrerade kretsars (IC) kärnposition i den nationella utvecklingen. Som hörnstenen i IC-industrin spelar halvledande monokristallint kisel en viktig roll för att driva teknisk innovation och ekonomisk tillväxt.

Enligt data från International Semiconductor Industry Association nådde den globala marknaden för halvledarskivor en försäljningssiffra på 12,6 miljarder dollar, med leveranser som växte till 14,2 miljarder kvadrattum. Dessutom fortsätter efterfrågan på kiselskivor att öka stadigt.

Den globala kiselskivsindustrin är dock mycket koncentrerad, där de fem största leverantörerna dominerar över 85 % av marknadsandelen, vilket visas nedan:

• Shin-Etsu Chemical (Japan)

• SUMCO (Japan)

• Globala våfflor

• Siltronic (Tyskland)

• SK Siltron (Sydkorea)

Detta oligopol resulterar i Kinas stora beroende av importerade monokristallina kiselskivor, vilket har blivit en av de viktigaste flaskhalsarna som begränsar utvecklingen av landets integrerade kretsindustri.

För att övervinna de nuvarande utmaningarna inom tillverkningssektorn för halvledarkiselmonokristaller är det oundvikligt att investera i forskning och utveckling och stärka den inhemska produktionskapaciteten.

2. Översikt över monokristallint kiselmaterial

Monokristallint kisel är grunden för integrerade kretsar. Hittills är över 90 % av integrerade kretsar och elektroniska enheter tillverkade med monokristallint kisel som huvudmaterial. Den utbredda efterfrågan på monokristallint kisel och dess mångsidiga industriella tillämpningar kan tillskrivas flera faktorer:

1. Säkerhet och miljövänlighetKisel finns i överflöd i jordskorpan, är giftfritt och miljövänligt.

2. Elektrisk isoleringKisel uppvisar naturligt elektriska isoleringsegenskaper, och vid värmebehandling bildar det ett skyddande lager av kiseldioxid, vilket effektivt förhindrar förlust av elektrisk laddning.

3. Mogen tillväxtteknologiDen långa historien av teknisk utveckling inom kiseltillväxtprocesser har gjort det betydligt mer sofistikerat än andra halvledarmaterial.

Tillsammans håller dessa faktorer monokristallint kisel i framkant av branschen, vilket gör det oersättligt med andra material.

När det gäller kristallstruktur är monokristallint kisel ett material tillverkat av kiselatomer arrangerade i ett periodiskt gitter, vilket bildar en kontinuerlig struktur. Det är grunden för chiptillverkningsindustrin.

Följande diagram illustrerar den fullständiga processen för framställning av monokristallint kisel:

Processöversikt:
Monokristallint kisel utvinns ur kiselmalm genom en serie raffineringssteg. Först utvinns polykristallint kisel, som sedan odlas till en monokristallin kiseltacka i en kristalltillväxtugn. Därefter skärs, poleras och bearbetas det till kiselskivor lämpliga för chiptillverkning.

Kiselskivor delas vanligtvis in i två kategorier:solcellskvalitetochhalvledarkvalitetDessa två typer skiljer sig huvudsakligen åt i sin struktur, renhet och ytkvalitet.

• Halvledarkvalitetswafershar en exceptionellt hög renhet på upp till 99,999999999 % och måste vara monokristallina.

• Solcellsbaserade wafersär mindre rena, med renhetsnivåer från 99,99 % till 99,9999 %, och har inte så stränga krav på kristallkvalitet.

Dessutom kräver wafers av halvledarkvalitet högre ytjämnhet och renhet än wafers av solcellskvalitet. De högre standarderna för halvledarwafers ökar både komplexiteten i deras framställning och deras efterföljande värde i applikationer.

Följande diagram beskriver utvecklingen av specifikationer för halvledarskivor, vilka har ökat från tidiga 4-tums (100 mm) och 6-tums (150 mm) skivor till nuvarande 8-tums (200 mm) och 12-tums (300 mm) skivor.

Vid faktisk framställning av kiselmonokristaller varierar skivstorleken beroende på applikationstyp och kostnadsfaktorer. Till exempel använder minneskretsar vanligtvis 12-tumsskivor, medan kraftenheter ofta använder 8-tumsskivor.

Sammanfattningsvis är utvecklingen av waferstorlek ett resultat av både Moores lag och ekonomiska faktorer. En större waferstorlek möjliggör tillväxt av mer användbar kiselyta under samma bearbetningsförhållanden, vilket minskar produktionskostnaderna samtidigt som avfall från waferkanterna minimeras.

Halvledande kiselskivor är ett avgörande material i modern teknisk utveckling och möjliggör, genom precisa processer som fotolitografi och jonimplantation, produktion av olika elektroniska enheter, inklusive högeffektslikriktare, transistorer, bipolära övergångstransistorer och omkopplare. Dessa enheter spelar en nyckelroll inom områden som artificiell intelligens, 5G-kommunikation, fordonselektronik, sakernas internet och flyg- och rymdteknik, och utgör hörnstenen i nationell ekonomisk utveckling och teknisk innovation.

3. Monokristallin kiseltillväxtteknik

DeCzochralski-metoden (CZ)är en effektiv process för att dra ut högkvalitativt monokristallint material från smältan. Denna metod föreslogs av Jan Czochralski år 1917 och är även känd somKristalldragningmetod.

För närvarande används CZ-metoden i stor utsträckning vid framställning av olika halvledarmaterial. Enligt ofullständig statistik är cirka 98 % av elektroniska komponenter tillverkade av monokristallint kisel, varav 85 % av dessa komponenter produceras med CZ-metoden.

CZ-metoden är föredragen på grund av dess utmärkta kristallkvalitet, kontrollerbara storlek, snabba tillväxthastighet och höga produktionseffektivitet. Dessa egenskaper gör CZ monokristallint kisel till det föredragna materialet för att möta den högkvalitativa, storskaliga efterfrågan inom elektronikindustrin.

Tillväxtprincipen för CZ monokristallint kisel är följande:

CZ-processen kräver höga temperaturer, vakuum och en sluten miljö. Den viktigaste utrustningen för denna process ärkristalltillväxtugn, vilket underlättar dessa förhållanden.

Följande diagram illustrerar strukturen av en kristalltillväxtugn.

I CZ-processen placeras ren kisel i en degel, smälts och en ympkristall introduceras i den smälta kiseln. Genom att exakt kontrollera parametrar som temperatur, dragningshastighet och degelns rotationshastighet omorganiseras atomer eller molekyler vid gränssnittet mellan ympkristallen och den smälta kiseln kontinuerligt, stelnar när systemet svalnar och bildar slutligen en enda kristall.

Denna kristalltillväxtteknik producerar högkvalitativt monokristallint kisel med stor diameter och specifika kristallorienteringar.

Tillväxtprocessen innefattar flera viktiga steg, inklusive:

1. Demontering och lastningBorttagning av kristallen och noggrann rengöring av ugnen och komponenterna från föroreningar som kvarts, grafit eller andra föroreningar.

2. Vakuum och smältningSystemet evakueras till vakuum, följt av införande av argongas och uppvärmning av kiselladdningen.

3. KristalldragningYardkristallen sänks ner i den smälta kiseln, och gränssnittstemperaturen kontrolleras noggrant för att säkerställa korrekt kristallisation.

4. Axelstyrning och diameterkontrollAllt eftersom kristallen växer övervakas och justeras dess diameter noggrant för att säkerställa en jämn tillväxt.

5. Slut på tillväxt och ugnsavstängningNär önskad kristallstorlek har uppnåtts stängs ugnen av och kristallen avlägsnas.

De detaljerade stegen i denna process säkerställer skapandet av högkvalitativa, defektfria monokristaller lämpliga för halvledartillverkning.

4. Utmaningar vid produktion av monokristallint kisel

En av de största utmaningarna med att producera halvledarmonokristaller med stor diameter ligger i att övervinna de tekniska flaskhalsarna under tillväxtprocessen, särskilt när det gäller att förutsäga och kontrollera kristalldefekter:

1. Inkonsekvent monokristallkvalitet och låg avkastningAllt eftersom storleken på kiselmonokristallerna ökar, ökar komplexiteten i tillväxtmiljön, vilket gör det svårt att kontrollera faktorer som termiska fält, flödesfält och magnetfält. Detta komplicerar uppgiften att uppnå jämn kvalitet och högre utbyten.

2. Instabil kontrollprocessTillväxtprocessen för halvledande kiselmonokristaller är mycket komplex, med flera fysiska fält som interagerar, vilket gör styrprecisionen instabil och leder till låga produktutbyten. Nuvarande styrstrategier fokuserar huvudsakligen på kristallens makroskopiska dimensioner, medan kvaliteten fortfarande justeras baserat på manuell erfarenhet, vilket gör det svårt att uppfylla kraven för mikro- och nanotillverkning i IC-chips.

För att hantera dessa utmaningar behövs det snarast utveckling av metoder för övervakning och prediktion i realtid online för kristallkvalitet, tillsammans med förbättringar av kontrollsystem för att säkerställa stabil och högkvalitativ produktion av stora monokristaller för användning i integrerade kretsar.