Yfirlit yfir vaxtaraðferðir fyrir einkristallað kísill

Yfirlit yfir vaxtaraðferðir fyrir einkristallað kísill

1. Bakgrunnur þróunar einkristallaðs kísils

Tækniframfarir og vaxandi eftirspurn eftir skilvirkum snjallvörum hefur styrkt enn frekar kjarnastöðu samþættra hringrásariðnaðarins (IC) í þróun þjóðarinnar. Sem hornsteinn samþættra hringrásariðnaðarins gegnir hálfleiðarar einkristallað kísill lykilhlutverki í að knýja áfram tækninýjungar og efnahagsvöxt.

Samkvæmt gögnum frá Alþjóðasamtökum hálfleiðaraiðnaðarins náði heimsmarkaður fyrir hálfleiðaraskífur 12,6 milljörðum Bandaríkjadala og sendingar jukust í 14,2 milljarða fertommu. Þar að auki heldur eftirspurn eftir kísilskífum áfram að aukast jafnt og þétt.

Hins vegar er alþjóðlegur kísilskífuiðnaður mjög einbeittur, þar sem fimm helstu birgjar ráða yfir yfir 85% af markaðshlutdeildinni, eins og sést hér að neðan:

• Shin-Etsu Chemical (Japan)

• SUMCO (Japan)

• Global Wafers

• Siltronic (Þýskaland)

• SK Siltron (Suður-Kórea)

Þessi fákeppni leiðir til þess að Kína er mjög háð innfluttum einkristallaðum kísilskífum, sem hefur orðið einn af helstu flöskuhálsunum sem takmarkar þróun samþættra hringrásariðnaðar landsins.

Til að sigrast á núverandi áskorunum í framleiðslu á einkristalla úr hálfleiðurum úr kísil er óhjákvæmilegt að fjárfesta í rannsóknum og þróun og styrkja innlenda framleiðslugetu.

2. Yfirlit yfir einkristallað kísillefni

Einkristallað kísill er grunnurinn að samþættum hringrásariðnaði. Í dag eru yfir 90% af samþættum örgjörvum og rafeindatækjum framleidd með einkristallaðri kísill sem aðalefni. Víðtæka eftirspurn eftir einkristallaðri kísill og fjölbreyttum iðnaðarnotkunarmöguleikum þess má rekja til nokkurra þátta:

1. Öryggi og umhverfisvænniKísill er gnægð af kísill í jarðskorpunni, er ekki eitrað og umhverfisvænt.

2. RafmagnseinangrunKísill hefur náttúrulega rafeinangrandi eiginleika og við hitameðferð myndar það verndandi lag af kísildíoxíði sem kemur í veg fyrir tap á rafhleðslu.

3. Þroskuð vaxtartækniLöng saga tækniþróunar í vaxtarferlum kísils hefur gert það mun fullkomnara en önnur hálfleiðaraefni.

Þessir þættir saman halda einkristallaðri sílikoni í fararbroddi iðnaðarins og gera það ómissandi fyrir önnur efni.

Hvað varðar kristalbyggingu er einkristallað kísill efni sem er búið til úr kísilatómum sem eru raðað í lotubundið grindargrind og mynda þannig samfellda uppbyggingu. Það er grunnurinn að örgjörvaframleiðsluiðnaðinum.

Eftirfarandi skýringarmynd sýnir allt ferlið við framleiðslu á einkristallaðri sílikoni:

Yfirlit yfir ferli:
Einkristallað kísill er unnið úr kísillmálmgrýti með röð hreinsunarskrefa. Fyrst er fjölkristallað kísill fengið, sem síðan er ræktað í einkristallaða kísillstöng í kristalvaxtarofni. Að lokum er það skorið, pússað og unnið í kísillskífur sem henta til flísframleiðslu.

Kísilþynnum er yfirleitt skipt í tvo flokka:sólarljósa-gráðuoghálfleiðara-gæðaÞessar tvær gerðir eru aðallega ólíkar hvað varðar uppbyggingu, hreinleika og yfirborðsgæðum.

• Hálfleiðara-gæða skífurhafa einstaklega mikla hreinleika, allt að 99,999999999%, og eru stranglega skylt að vera einkristallaðar.

• Ljósvirkar skífureru minna hreinar, með hreinleikastig á bilinu 99,99% til 99,9999%, og hafa ekki eins strangar kröfur um gæði kristalsins.

Að auki þurfa hálfleiðaraskífur meiri yfirborðssléttleika og hreinleika en ljósvirkar skífur. Hærri staðlar fyrir hálfleiðaraskífur auka bæði flækjustig framleiðslu þeirra og síðari gildi þeirra í notkun.

Eftirfarandi tafla sýnir þróun forskrifta hálfleiðaraskífa, sem hafa aukist frá fyrstu 4 tommu (100 mm) og 6 tommu (150 mm) skífum yfir í núverandi 8 tommu (200 mm) og 12 tommu (300 mm) skífur.

Í raunverulegri framleiðslu á einkristalla úr kísil er stærð skífunnar mismunandi eftir tegund notkunar og kostnaðarþáttum. Til dæmis nota minnisflísar almennt 12 tommu skífur, en rafmagnaðir tæki nota oft 8 tommu skífur.

Í stuttu máli má segja að þróun stærðar skífna sé afleiðing bæði lögmáls Moore og efnahagslegra þátta. Stærri stærð skífna gerir kleift að auka nothæft kísillflatarmál við sömu vinnsluskilyrði, sem dregur úr framleiðslukostnaði og lágmarkar sóun frá skífubrúnum.

Sem lykilefni í nútíma tækniþróun gera hálfleiðara kísillskífur, með nákvæmum ferlum eins og ljósritun og jónaígræðslu, kleift að framleiða ýmis rafeindatæki, þar á meðal háaflsleiðrara, smára, tvípóla smára og rofa. Þessi tæki gegna lykilhlutverki á sviðum eins og gervigreind, 5G fjarskiptum, rafeindatækni í bílum, internetinu hlutanna og geimferðaiðnaði og mynda hornstein þjóðarhagþróunar og tækninýjunga.

3. Einkristallaður kísill vaxtartækni

HinnCzochralski (CZ) aðferðiner skilvirk aðferð til að draga hágæða einkristallað efni úr bráðnu efni. Jan Czochralski lagði til þessa aðferð árið 1917 og er einnig þekkt semKristaldrekningaðferð.

Eins og er er CZ-aðferðin mikið notuð við framleiðslu ýmissa hálfleiðaraefna. Samkvæmt ófullkomnum tölfræðiupplýsingum eru um 98% rafeindaíhluta úr einkristallaðri sílikoni, þar af eru 85% þessara íhluta framleiddir með CZ-aðferðinni.

CZ-aðferðin er vinsæl vegna framúrskarandi kristalgæða, stýranlegrar stærðar, hraðs vaxtarhraða og mikillar framleiðsluhagkvæmni. Þessir eiginleikar gera CZ einkristallað sílikon að kjörefni til að mæta mikilli eftirspurn eftir hágæða sílikoni í stórum stíl í rafeindaiðnaðinum.

Vaxtarreglan fyrir einkristallað sílikon CZ er sem hér segir:

CZ-ferlið krefst mikils hitastigs, lofttæmis og lokaðs umhverfis. Lykilbúnaðurinn fyrir þetta ferli erkristalvaxtarofn, sem auðveldar þessar aðstæður.

Eftirfarandi skýringarmynd sýnir uppbyggingu kristalvaxtarofns.

Í CZ ferlinu er hreint kísill sett í deiglu, brætt og frækristall er settur inn í bráðna kísillinn. Með því að stjórna nákvæmlega breytum eins og hitastigi, toghraða og snúningshraða deiglunnar, endurskipuleggja atóm eða sameindir á snertifleti frækristallsins og bráðins kísils sig stöðugt, storkna þegar kerfið kólnar og mynda að lokum einn kristal.

Þessi kristallavaxtartækni framleiðir hágæða, stóran, einkristallaðan kísil með sértækri kristallastefnu.

Vaxtarferlið felur í sér nokkur lykilstig, þar á meðal:

1. Sundurhlutun og hleðslaFjarlægja kristalinn og þrífa ofninn og íhluti vandlega af mengunarefnum eins og kvarsi, grafíti eða öðrum óhreinindum.

2. Tómarúm og bráðnunKerfið er sogað niður í lofttæmi, að lokum er argongasi bætt við og kísillhleðslan hituð.

3. KristaldrekningFrækristallinn er lækkaður ofan í bráðna kísillinn og hitastig viðmótsins er vandlega stýrt til að tryggja rétta kristöllun.

4. Öxl og þvermálsstýringÞegar kristallinn vex er þvermál hans vandlega fylgst með og stillt til að tryggja jafnan vöxt.

5. Lok vaxtar og lokun ofnsÞegar æskilegri kristalstærð er náð er ofninn slökktur og kristallinn fjarlægður.

Ítarleg skref í þessu ferli tryggja að hágæða, gallalausir einkristallar sem henta til framleiðslu á hálfleiðurum verði til.

4. Áskoranir í framleiðslu á einkristallaðri kísill

Ein helsta áskorunin við framleiðslu á hálfleiðurum með stórum þvermál liggur í því að yfirstíga tæknilega flöskuhálsa í vaxtarferlinu, sérstaklega við að spá fyrir um og stjórna kristalsgöllum:

1. Ósamræmi í einkristallagæðum og lágt afköstEftir því sem stærð kísill-einkristallanna eykst, eykst flækjustig vaxtarumhverfisins, sem gerir það erfitt að stjórna þáttum eins og hita-, flæðis- og segulsviðum. Þetta flækir verkefnið að ná stöðugum gæðum og hærri uppskeru.

2. Óstöðugt stjórnunarferliVaxtarferli hálfleiðara kísils einkristalla er mjög flókið, þar sem mörg eðlisfræðileg svið hafa samskipti, sem gerir nákvæmni stjórnunar óstöðuga og leiðir til lágrar afurðaafkasta. Núverandi stjórnunaraðferðir beinast aðallega að makróskópískum víddum kristallsins, en gæði eru enn leiðrétt út frá handvirkri reynslu, sem gerir það erfitt að uppfylla kröfur um ör- og nanóframleiðslu í örgjörvum.

Til að takast á við þessar áskoranir er brýn þörf á þróun rauntíma, nettengdra eftirlits- og spáaðferða fyrir gæði kristalla, ásamt úrbótum á stjórnkerfum til að tryggja stöðuga, hágæða framleiðslu stórra einkristalla til notkunar í samþættum hringrásum.