Пълен преглед на методите за растеж на монокристален силиций

Пълен преглед на методите за растеж на монокристален силиций

1. Предистория на разработването на монокристален силиций

Напредъкът на технологиите и нарастващото търсене на високоефективни интелигентни продукти допълнително затвърдиха ключовата позиция на индустрията за интегрални схеми (ИС) в националното развитие. Като крайъгълен камък на индустрията за интегрални схеми, полупроводниковият монокристален силиций играе жизненоважна роля в стимулирането на технологичните иновации и икономическия растеж.

Според данни на Международната асоциация на полупроводниковата индустрия, световният пазар на полупроводникови пластини достигна продажби от 12,6 милиарда долара, като доставките нараснаха до 14,2 милиарда квадратни инча. Освен това търсенето на силициеви пластини продължава да нараства постоянно.

Въпреки това, световната индустрия за силициеви пластини е силно концентрирана, като петте най-големи доставчици доминират над 85% от пазарния дял, както е показано по-долу:

• Shin-Etsu Chemical (Япония)

• SUMCO (Япония)

• Глобални вафли

• Силтроник (Германия)

• СК Силтрон (Южна Корея)

Този олигопол води до силна зависимост на Китай от вноса на монокристални силициеви пластини, което се превърна в една от основните пречки, ограничаващи развитието на индустрията за интегрални схеми в страната.

За да се преодолеят настоящите предизвикателства в сектора за производство на полупроводникови силициеви монокристали, инвестирането в научноизследователска и развойна дейност и укрепването на местните производствени възможности е неизбежен избор.

2. Преглед на монокристалния силициев материал

Монокристалният силиций е основата на индустрията за интегрални схеми. Към днешна дата над 90% от интегралните схеми и електронните устройства са произведени с помощта на монокристален силиций като основен материал. Широко разпространеното търсене на монокристален силиций и неговите разнообразни индустриални приложения могат да се обяснят с няколко фактора:

1. Безопасност и екологичностСилицият е в изобилие в земната кора, нетоксичен е и е екологичен.

2. Електрическа изолацияСиликонът естествено проявява електроизолационни свойства и при термична обработка образува защитен слой от силициев диоксид, който ефективно предотвратява загубата на електрически заряд.

3. Технология за зрял растежДългата история на технологичното развитие в процесите на растеж на силиций го е направила далеч по-усъвършенстван от други полупроводникови материали.

Тези фактори заедно държат монокристалния силиций начело в индустрията, което го прави незаменим от други материали.

По отношение на кристалната структура, монокристалният силиций е материал, изграден от силициеви атоми, подредени в периодична решетка, образувайки непрекъсната структура. Той е основата на индустрията за производство на чипове.

Следната диаграма илюстрира пълния процес на получаване на монокристален силиций:

Преглед на процеса:
Монокристалният силиций се извлича от силициева руда чрез серия от стъпки на рафиниране. Първо се получава поликристален силиций, който след това се отглежда в монокристален силициев блок в пещ за растеж на кристали. След това се нарязва, полира и преработва в силициеви пластини, подходящи за производство на чипове.

Силициевите пластини обикновено се разделят на две категории:фотоволтаичен класиполупроводников класТези два вида се различават главно по своята структура, чистота и качество на повърхността.

• Полупроводникови пластиниимат изключително висока чистота до 99.999999999% и е строго необходимо да бъдат монокристални.

• Фотоволтаични пластиниса по-малко чисти, с нива на чистота от 99,99% до 99,9999% и нямат толкова строги изисквания за качество на кристалите.

Освен това, полупроводниковите пластини изискват по-висока гладкост и чистота на повърхността в сравнение с фотоволтаичните пластини. По-високите стандарти за полупроводниковите пластини увеличават както сложността на тяхното производство, така и последващата им стойност в приложенията.

Следната диаграма очертава еволюцията на спецификациите на полупроводниковите пластини, които са се увеличили от ранните 4-инчови (100 мм) и 6-инчови (150 мм) пластини до настоящите 8-инчови (200 мм) и 12-инчови (300 мм) пластини.

При реалното производство на силициеви монокристали, размерът на пластината варира в зависимост от вида на приложението и ценовите фактори. Например, чиповете памет обикновено използват 12-инчови пластини, докато захранващите устройства често използват 8-инчови пластини.

В обобщение, еволюцията на размера на пластината е резултат както от закона на Мур, така и от икономически фактори. По-големият размер на пластината позволява растежа на по-голяма използваема силициева площ при същите условия на обработка, намалявайки производствените разходи, като същевременно минимизирайки отпадъците от ръбовете на пластината.

Като ключов материал в съвременното технологично развитие, полупроводниковите силициеви пластини, чрез прецизни процеси като фотолитография и йонна имплантация, позволяват производството на различни електронни устройства, включително високомощни токоизправители, транзистори, биполярни транзистори и комутационни устройства. Тези устройства играят ключова роля в области като изкуствен интелект, 5G комуникации, автомобилна електроника, интернет на нещата и аерокосмическа индустрия, формирайки крайъгълния камък на националното икономическо развитие и технологичните иновации.

3. Технология за растеж на монокристален силиций

TheМетод на Чохралски (CZ)е ефикасен процес за извличане на висококачествен монокристален материал от стопилката. Предложен от Ян Чохралски през 1917 г., този метод е известен още катоИздърпване на кристалиметод.

В момента методът CZ се използва широко при производството на различни полупроводникови материали. Според непълна статистика около 98% от електронните компоненти са изработени от монокристален силиций, като 85% от тези компоненти са произведени по метода CZ.

Методът CZ е предпочитан поради отличното си качество на кристалите, контролируемия размер, бързия темп на растеж и високата производствена ефективност. Тези характеристики правят монокристалния силиций CZ предпочитания материал за задоволяване на висококачественото, мащабно търсене в електронната индустрия.

Принципът на растеж на монокристалния силиций CZ е следният:

Процесът на CZ изисква високи температури, вакуум и затворена среда. Ключовото оборудване за този процес епещ за растеж на кристали, което улеснява тези условия.

Следната диаграма илюстрира структурата на пещ за растеж на кристали.

В CZ процеса, чистият силиций се поставя в тигел, разтопява се и в разтопения силиций се въвежда зародишен кристал. Чрез прецизен контрол на параметри като температура, скорост на опъване и скорост на въртене на тигела, атомите или молекулите на границата между зародишния кристал и разтопения силиций непрекъснато се реорганизират, втвърдяват се с охлаждането на системата и в крайна сметка образуват монокристал.

Тази техника за растеж на кристали произвежда висококачествен монокристален силиций с голям диаметър и специфични кристални ориентации.

Процесът на растеж включва няколко ключови стъпки, включително:

1. Демонтаж и товаренеОтстраняване на кристала и цялостно почистване на пещта и компонентите от замърсители като кварц, графит или други примеси.

2. Вакуум и топенеСистемата се евакуира до вакуум, последвано от въвеждане на аргонов газ и нагряване на силициевия заряд.

3. Издърпване на кристалиЗародишният кристал се потапя в разтопения силиций и температурата на интерфейса се контролира внимателно, за да се осигури правилна кристализация.

4. Контрол на раменете и диаметъраДокато кристалът расте, диаметърът му се следи внимателно и се регулира, за да се осигури равномерен растеж.

5. Край на растежа и спиране на пещтаСлед като се достигне желаният размер на кристала, пещта се изключва и кристалът се отстранява.

Детайлните стъпки в този процес гарантират създаването на висококачествени, бездефектни монокристали, подходящи за производство на полупроводници.

4. Предизвикателства при производството на монокристален силиций

Едно от основните предизвикателства при производството на полупроводникови монокристали с голям диаметър е преодоляването на техническите пречки по време на процеса на растеж, особено при прогнозирането и контролирането на кристалните дефекти:

1. Непостоянно качество на монокристалите и нисък добивС увеличаването на размера на силициевите монокристали, сложността на средата за растеж се увеличава, което затруднява контролирането на фактори като топлинни, течни и магнитни полета. Това усложнява задачата за постигане на постоянно качество и по-високи добиви.

2. Нестабилен процес на управлениеПроцесът на растеж на полупроводникови силициеви монокристали е изключително сложен, с множество взаимодействащи си физически полета, което прави прецизността на контрола нестабилна и води до нисък добив на продукта. Съвременните стратегии за контрол се фокусират главно върху макроскопските размери на кристала, докато качеството все още се регулира въз основа на ръчен опит, което затруднява спазването на изискванията за микро и нано производство в интегрални схеми.

За да се справят с тези предизвикателства, е спешно необходимо разработването на методи за онлайн наблюдение и прогнозиране на качеството на кристалите в реално време, заедно с подобрения в системите за управление, за да се осигури стабилно и висококачествено производство на големи монокристали за използване в интегрални схеми.