Повний огляд методів вирощування монокристалічного кремнію

Повний огляд методів вирощування монокристалічного кремнію

1. Передумови розробки монокристалічного кремнію

Розвиток технологій та зростаючий попит на високоефективні інтелектуальні продукти ще більше зміцнили ключові позиції галузі інтегральних схем (ІС) у національному розвитку. Як наріжний камінь галузі ІС, напівпровідниковий монокристалічний кремній відіграє життєво важливу роль у стимулюванні технологічних інновацій та економічного зростання.

Згідно з даними Міжнародної асоціації напівпровідникової промисловості, світовий ринок напівпровідникових пластин досяг обсягу продажів у 12,6 мільярда доларів, а обсяг поставок зріс до 14,2 мільярда квадратних дюймів. Більше того, попит на кремнієві пластини продовжує неухильно зростати.

Однак світова індустрія кремнієвих пластин є висококонцентрованою, причому п'ять провідних постачальників домінують на понад 85% ринку, як показано нижче:

• Shin-Etsu Chemical (Японія)

• SUMCO (Японія)

• Глобальні вафлі

• Siltronic (Німеччина)

• СК Сілтрон (Південна Корея)

Ця олігополія призводить до сильної залежності Китаю від імпорту монокристалічних кремнієвих пластин, що стало одним з ключових вузьких місць, що обмежують розвиток індустрії інтегральних схем країни.

Для подолання поточних проблем у секторі виробництва напівпровідникових кремнієвих монокристалів неминучим вибором є інвестування в дослідження та розробки, а також зміцнення вітчизняних виробничих потужностей.

2. Огляд монокристалічного кремнієвого матеріалу

Монокристалічний кремній є основою індустрії інтегральних схем. На сьогоднішній день понад 90% мікросхем та електронних пристроїв виготовляються з використанням монокристалічного кремнію як основного матеріалу. Широкий попит на монокристалічний кремній та його різноманітне промислове застосування можна пояснити кількома факторами:

1. Безпека та екологічністьКремній поширений у земній корі, нетоксичний та екологічно чистий.

2. Електрична ізоляціяКремній природним чином проявляє електроізоляційні властивості, а після термічної обробки утворює захисний шар діоксиду кремнію, який ефективно запобігає втраті електричного заряду.

3. Технологія зрілого зростанняТривала історія технологічного розвитку процесів вирощування кремнію зробила його набагато складнішим, ніж інші напівпровідникові матеріали.

Ці фактори разом тримають монокристалічний кремній на передовій галузі, роблячи його незамінним іншими матеріалами.

З точки зору кристалічної структури, монокристалічний кремній – це матеріал, що складається з атомів кремнію, розташованих у періодичній решітці, утворюючи безперервну структуру. Він є основою виробництва мікросхем.

Наведена нижче діаграма ілюструє повний процес отримання монокристалічного кремнію:

Огляд процесу:
Монокристалічний кремній отримують з кремнієвої руди шляхом серії етапів рафінування. Спочатку отримують полікристалічний кремній, який потім вирощують у монокристалічний кремнієвий злиток у печі для вирощування кристалів. Після цього його ріжуть, полірують та переробляють на кремнієві пластини, придатні для виробництва мікросхем.

Кремнієві пластини зазвичай поділяються на дві категорії:фотоелектричного класуінапівпровідникового класуЦі два типи відрізняються головним чином своєю структурою, чистотою та якістю поверхні.

• Пластини напівпровідникового класумають винятково високу чистоту до 99,999999999% і суворо зобов'язані бути монокристалічними.

• Фотоелектричні пластинименш чисті, з рівнем чистоти від 99,99% до 99,9999%, і не мають таких суворих вимог до якості кристалів.

Крім того, пластини напівпровідникового класу вимагають вищої гладкості та чистоти поверхні, ніж пластини фотоелектричного класу. Вищі стандарти для напівпровідникових пластин збільшують як складність їх виготовлення, так і їхню подальшу цінність у застосуванні.

Наведена нижче діаграма відображає еволюцію специфікацій напівпровідникових пластин, які збільшилися від ранніх 4-дюймових (100 мм) та 6-дюймових (150 мм) пластин до сучасних 8-дюймових (200 мм) та 12-дюймових (300 мм) пластин.

У процесі фактичного виготовлення кремнієвих монокристалів розмір пластини залежить від типу застосування та вартісних факторів. Наприклад, мікросхеми пам'яті зазвичай використовують 12-дюймові пластини, тоді як пристрої живлення часто використовують 8-дюймові пластини.

Підсумовуючи, еволюція розміру пластини є результатом як закону Мура, так і економічних факторів. Більший розмір пластини дозволяє збільшити корисну площу кремнію за тих самих умов обробки, знижуючи виробничі витрати та мінімізуючи відходи від країв пластини.

Як ключовий матеріал у сучасному технологічному розвитку, напівпровідникові кремнієві пластини, завдяки точним процесам, таким як фотолітографія та іонна імплантація, дозволяють виробляти різноманітні електронні пристрої, включаючи потужні випрямлячі, транзистори, біполярні транзистори та комутаційні пристрої. Ці пристрої відіграють ключову роль у таких галузях, як штучний інтелект, зв'язок 5G, автомобільна електроніка, Інтернет речей та аерокосмічна галузь, формуючи основу національного економічного розвитку та технологічних інновацій.

3. Технологія вирощування монокристалічного кремнію

TheМетод Чохральського (CZ)– це ефективний процес вилучення високоякісного монокристалічного матеріалу з розплаву. Запропонований Яном Чохральським у 1917 році, цей метод також відомий якВитягування кристалівметод.

Наразі метод CZ широко використовується у виробництві різних напівпровідникових матеріалів. Згідно з неповною статистикою, близько 98% електронних компонентів виготовляються з монокристалічного кремнію, причому 85% цих компонентів виробляється методом CZ.

Метод CZ є переважним завдяки своїй чудовій якості кристалів, контрольованому розміру, швидкій швидкості росту та високій ефективності виробництва. Ці характеристики роблять монокристалічний кремній CZ кращим матеріалом для задоволення високоякісного, великомасштабного попиту в електронній промисловості.

Принцип росту монокристалічного кремнію CZ полягає в наступному:

Процес CZ вимагає високих температур, вакууму та закритого середовища. Ключовим обладнанням для цього процесу єпіч для вирощування кристалів, що сприяє цим умовам.

На наступній діаграмі показано структуру печі для вирощування кристалів.

У процесі CZ чистий кремній поміщають у тигель, плавлять, а затравковий кристал вводять у розплавлений кремній. Завдяки точному контролю параметрів, таких як температура, швидкість витягування та швидкість обертання тигля, атоми або молекули на межі розділу затравкового кристала та розплавленого кремнію безперервно реорганізуються, тверднучи по мірі охолодження системи та зрештою утворюючи монокристал.

Цей метод вирощування кристалів дозволяє отримувати високоякісний монокристалічний кремній великого діаметра зі специфічною орієнтацією кристалів.

Процес зростання включає кілька ключових етапів, зокрема:

1. Розбирання та завантаженняВидалення кристала та ретельне очищення печі та компонентів від забруднень, таких як кварц, графіт або інші домішки.

2. Вакуум та плавленняСистему вакуумують, потім вводять аргон та нагрівають кремнієву шихту.

3. Витягування кристалівЗародковий кристал опускають у розплавлений кремній, а температуру поверхні розділу ретельно контролюють для забезпечення належної кристалізації.

4. Контроль плечей та діаметраУ міру зростання кристала його діаметр ретельно контролюється та регулюється для забезпечення рівномірного зростання.

5. Кінець зростання та зупинка печіПісля досягнення бажаного розміру кристалів піч вимикають, а кристал видаляють.

Детальні кроки цього процесу забезпечують створення високоякісних, бездефектних монокристалів, придатних для виробництва напівпровідників.

4. Проблеми виробництва монокристалічного кремнію

Одна з головних проблем у виробництві напівпровідникових монокристалів великого діаметра полягає в подоланні технічних труднощів під час процесу вирощування, зокрема в прогнозуванні та контролі дефектів кристалів:

1. Нестабільна якість монокристалів та низький вихідЗі збільшенням розміру кремнієвих монокристалів зростає складність середовища росту, що ускладнює контроль таких факторів, як теплові, потокові та магнітні поля. Це ускладнює завдання досягнення стабільної якості та вищого виходу.

2. Нестабільний процес керуванняПроцес вирощування напівпровідникових кремнієвих монокристалів є дуже складним, з взаємодією кількох фізичних полів, що робить точність керування нестабільною та призводить до низького виходу продукції. Сучасні стратегії керування в основному зосереджені на макроскопічних розмірах кристала, тоді як якість все ще регулюється на основі ручного досвіду, що ускладнює виконання вимог до мікро- та нановиробництва інтегральних схем.

Для вирішення цих проблем терміново необхідна розробка методів моніторингу та прогнозування якості кристалів у режимі реального часу в режимі реального часу, а також удосконалення систем керування для забезпечення стабільного та високоякісного виробництва великих монокристалів для використання в інтегральних схемах.