Komplexný prehľad metód rastu monokryštalického kremíka

Komplexný prehľad metód rastu monokryštalického kremíka

1. Pozadie vývoja monokryštalického kremíka

Technologický pokrok a rastúci dopyt po vysokoúčinných inteligentných produktoch ďalej upevnili kľúčovú pozíciu priemyslu integrovaných obvodov (IC) v národnom rozvoji. Ako základný kameň priemyslu IC zohráva polovodičový monokryštalický kremík kľúčovú úlohu pri podpore technologických inovácií a hospodárskeho rastu.

Podľa údajov Medzinárodnej asociácie polovodičového priemyslu dosiahol globálny trh s polovodičovými doštičkami tržby vo výške 12,6 miliardy dolárov, pričom dodávky vzrástli na 14,2 miliardy štvorcových palcov. Dopyt po kremíkových doštičkách navyše neustále rastie.

Globálny priemysel kremíkových doštičiek je však vysoko koncentrovaný, pričom päť najväčších dodávateľov dominuje viac ako 85 % podielu na trhu, ako je uvedené nižšie:

• Shin-Etsu Chemical (Japonsko)

• SUMCO (Japonsko)

• Globálne oblátky

• Siltronic (Nemecko)

• SK Siltron (Južná Kórea)

Tento oligopol vedie k veľkej závislosti Číny od dovážaných monokryštalických kremíkových doštičiek, čo sa stalo jednou z kľúčových prekážok obmedzujúcich rozvoj priemyslu integrovaných obvodov v krajine.

Na prekonanie súčasných výziev v sektore výroby polovodičových kremíkových monokryštálov je nevyhnutnou voľbou investovanie do výskumu a vývoja a posilnenie domácich výrobných kapacít.

2. Prehľad monokryštalického kremíkového materiálu

Monokryštalický kremík je základom priemyslu integrovaných obvodov. V súčasnosti sa viac ako 90 % integrovaných obvodov a elektronických zariadení vyrába s použitím monokryštalického kremíka ako primárneho materiálu. Rozsiahly dopyt po monokryštalickom kremíku a jeho rozmanité priemyselné aplikácie možno pripísať niekoľkým faktorom:

1. Bezpečnosť a šetrnosť k životnému prostrediuKremík sa hojne vyskytuje v zemskej kôre, je netoxický a šetrný k životnému prostrediu.

2. Elektrická izoláciaKremík prirodzene vykazuje elektrické izolačné vlastnosti a po tepelnom spracovaní vytvára ochrannú vrstvu oxidu kremičitého, ktorá účinne zabraňuje strate elektrického náboja.

3. Technológia zrelého rastuDlhá história technologického vývoja v procesoch rastu kremíka ho urobila oveľa sofistikovanejším ako iné polovodičové materiály.

Vďaka týmto faktorom je monokryštalický kremík v popredí tohto odvetvia, vďaka čomu je nenahraditeľný inými materiálmi.

Z hľadiska kryštálovej štruktúry je monokryštalický kremík materiál vyrobený z atómov kremíka usporiadaných v periodickej mriežke, ktoré tvoria súvislú štruktúru. Je základom priemyslu výroby čipov.

Nasledujúci diagram znázorňuje kompletný proces prípravy monokryštalického kremíka:

Prehľad procesu:
Monokryštalický kremík sa získava z kremíkovej rudy prostredníctvom série rafinačných krokov. Najprv sa získa polykryštalický kremík, ktorý sa potom v peci na rast kryštálov vypestuje do monokryštalického kremíkového ingotu. Následne sa reže, leští a spracováva na kremíkové doštičky vhodné na výrobu čipov.

Kremíkové doštičky sa zvyčajne delia do dvoch kategórií:fotovoltaického typuapolovodičovej kvalityTieto dva typy sa líšia hlavne štruktúrou, čistotou a kvalitou povrchu.

• Polovodičové doštičkymajú mimoriadne vysokú čistotu až 99,999999999 % a prísne sa vyžaduje, aby boli monokryštalické.

• Doštičky fotovoltaickej kvalitysú menej čisté, s úrovňou čistoty od 99,99 % do 99,9999 % a nemajú také prísne požiadavky na kvalitu kryštálov.

Okrem toho polovodičové doštičky vyžadujú vyššiu hladkosť a čistotu povrchu ako doštičky fotovoltaickej kvality. Vyššie štandardy pre polovodičové doštičky zvyšujú zložitosť ich prípravy aj ich následnú hodnotu v aplikáciách.

Nasledujúci graf zobrazuje vývoj špecifikácií polovodičových doštičiek, ktoré sa zvýšili od skorých 4-palcových (100 mm) a 6-palcových (150 mm) doštičiek až po súčasné 8-palcové (200 mm) a 12-palcové (300 mm) doštičky.

Pri skutočnej príprave kremíkových monokryštálov sa veľkosť doštičky líši v závislosti od typu aplikácie a nákladových faktorov. Napríklad pamäťové čipy bežne používajú 12-palcové doštičky, zatiaľ čo výkonové zariadenia často používajú 8-palcové doštičky.

Stručne povedané, vývoj veľkosti doštičky je výsledkom Moorovho zákona aj ekonomických faktorov. Väčšia veľkosť doštičky umožňuje rast väčšej využiteľnej kremíkovej plochy za rovnakých podmienok spracovania, čím sa znižujú výrobné náklady a zároveň minimalizuje odpad z okrajov doštičky.

Ako kľúčový materiál v modernom technologickom vývoji umožňujú polovodičové kremíkové doštičky prostredníctvom presných procesov, ako je fotolitografia a iónová implantácia, výrobu rôznych elektronických zariadení vrátane vysokovýkonných usmerňovačov, tranzistorov, bipolárnych tranzistorov a spínacích zariadení. Tieto zariadenia zohrávajú kľúčovú úlohu v oblastiach, ako je umelá inteligencia, 5G komunikácia, automobilová elektronika, internet vecí a letecký priemysel, a tvoria základ národného hospodárskeho rozvoja a technologických inovácií.

3. Technológia rastu monokryštalického kremíka

Ten/Tá/ToCzochralského (CZ) metódaje efektívny proces na získavanie vysokokvalitného monokryštalického materiálu z taveniny. Túto metódu navrhol Jan Czochralski v roku 1917 a je známa aj akoŤahanie kryštálovmetóda.

V súčasnosti sa metóda CZ široko používa pri príprave rôznych polovodičových materiálov. Podľa neúplných štatistík sa približne 98 % elektronických súčiastok vyrába z monokryštalického kremíka, pričom 85 % týchto súčiastok sa vyrába pomocou metódy CZ.

Metóda CZ je uprednostňovaná kvôli svojej vynikajúcej kvalite kryštálov, kontrolovateľnej veľkosti, rýchlej rýchlosti rastu a vysokej efektivite výroby. Vďaka týmto vlastnostiam je monokryštalický kremík CZ preferovaným materiálom na uspokojenie vysokokvalitného dopytu vo veľkom meradle v elektronickom priemysle.

Princíp rastu monokryštalického kremíka CZ je nasledovný:

Proces CZ vyžaduje vysoké teploty, vákuum a uzavreté prostredie. Kľúčovým zariadením pre tento proces jepec na rast kryštálov, čo tieto podmienky uľahčuje.

Nasledujúci diagram znázorňuje štruktúru pece na rast kryštálov.

V procese CZ sa čistý kremík umiestni do téglika, roztaví a do roztaveného kremíka sa zavedie zárodočný kryštál. Presnou reguláciou parametrov, ako je teplota, rýchlosť ťahania a rýchlosť otáčania téglika, sa atómy alebo molekuly na rozhraní zárodočného kryštálu a roztaveného kremíka neustále reorganizujú, tuhnú pri chladnutí systému a nakoniec tvoria monokryštál.

Táto technika rastu kryštálov produkuje vysoko kvalitný monokryštalický kremík s veľkým priemerom a špecifickou orientáciou kryštálov.

Proces rastu zahŕňa niekoľko kľúčových krokov, medzi ktoré patria:

1. Demontáž a nakladanieOdstránenie kryštálu a dôkladné vyčistenie pece a komponentov od nečistôt, ako je kremeň, grafit alebo iné nečistoty.

2. Vákuum a tavenieSystém sa evakuuje do vákua, po čom nasleduje zavedenie argónového plynu a zahriatie kremíkovej vsádzky.

3. Ťahanie kryštálovZárodočný kryštál sa spustí do roztaveného kremíka a teplota rozhrania sa starostlivo reguluje, aby sa zabezpečila správna kryštalizácia.

4. Ovládanie ramen a priemeruAko kryštál rastie, jeho priemer sa starostlivo monitoruje a upravuje, aby sa zabezpečil rovnomerný rast.

5. Koniec rastu a odstavenie pecePo dosiahnutí požadovanej veľkosti kryštálov sa pec vypne a kryštál sa odstráni.

Podrobné kroky v tomto procese zabezpečujú vytvorenie vysokokvalitných monokryštálov bez defektov vhodných na výrobu polovodičov.

4. Výzvy vo výrobe monokryštalického kremíka

Jednou z hlavných výziev pri výrobe polovodičových monokryštálov s veľkým priemerom je prekonanie technických úzkych miest počas procesu rastu, najmä pri predpovedaní a kontrole kryštálových defektov:

1. Nekonzistentná kvalita monokryštálov a nízky výťažokS rastúcou veľkosťou kremíkových monokryštálov sa zvyšuje zložitosť rastového prostredia, čo sťažuje kontrolu faktorov, ako sú tepelné, prietokové a magnetické polia. To komplikuje úlohu dosiahnutia konzistentnej kvality a vyšších výťažkov.

2. Nestabilný riadiaci procesProces rastu polovodičových kremíkových monokryštálov je veľmi zložitý, s viacerými interagujúcimi fyzikálnymi poľami, čo spôsobuje nestabilnú presnosť riadenia a vedie k nízkym výťažkom produktov. Súčasné stratégie riadenia sa zameriavajú najmä na makroskopické rozmery kryštálu, zatiaľ čo kvalita sa stále upravuje na základe manuálnych skúseností, čo sťažuje splnenie požiadaviek na mikro a nano výrobu v integrovaných obvodoch.

Na riešenie týchto výziev je naliehavo potrebný vývoj metód monitorovania a predikcie kvality kryštálov v reálnom čase online, spolu so zlepšením riadiacich systémov s cieľom zabezpečiť stabilnú a vysokokvalitnú výrobu veľkých monokryštálov na použitie v integrovaných obvodoch.