Поўны агляд метадаў вырошчвання монакрышталічнага крэмнію

Поўны агляд метадаў вырошчвання монакрышталічнага крэмнію

1. Перадгісторыя распрацоўкі монакрышталічнага крэмнію

Развіццё тэхналогій і рост попыту на высокаэфектыўныя разумныя прадукты яшчэ больш умацавалі ключавыя пазіцыі індустрыі інтэгральных схем (ІС) у нацыянальным развіцці. Як краевугольны камень індустрыі ІС, паўправадніковы монакрышталічны крэмній адыгрывае жыццёва важную ролю ў стымуляванні тэхналагічных інавацый і эканамічнага росту.

Паводле дадзеных Міжнароднай асацыяцыі паўправадніковай прамысловасці, сусветны рынак паўправадніковых пласцін дасягнуў аб'ёму продажаў у 12,6 мільярда долараў, а пастаўкі выраслі да 14,2 мільярда квадратных цаляў. Больш за тое, попыт на крэмніевыя пласціны працягвае пастаянна расці.

Аднак сусветная індустрыя крэмніевых пласцін вельмі канцэнтраваная, прычым пяць найбуйнейшых пастаўшчыкоў дамінуюць на больш чым 85% рынку, як паказана ніжэй:

• Shin-Etsu Chemical (Японія)

• SUMCO (Японія)

• Глабальныя вафлі

• Siltronic (Германія)

• СК Сілтрон (Паўднёвая Карэя)

Гэтая алігаполія прыводзіць да моцнай залежнасці Кітая ад імпарту монакрышталічных крэмніевых пласцін, што стала адной з ключавых перашкод, якія абмяжоўваюць развіццё прамысловасці інтэгральных схем краіны.

Каб пераадолець бягучыя праблемы ў сектары вытворчасці паўправадніковых крэмніевых монакрышталяў, непазбежным выбарам з'яўляецца інвеставанне ў даследаванні і распрацоўкі, а таксама ўмацаванне айчынных вытворчых магутнасцей.

2. Агляд монакрышталічнага крэмнію

Монакрышталічны крэмній з'яўляецца асновай індустрыі інтэгральных схем. На сённяшні дзень больш за 90% мікрасхем і электронных прылад вырабляюцца з выкарыстаннем монакрышталічнага крэмнію ў якасці асноўнага матэрыялу. Шырокі попыт на монакрышталічны крэмній і яго разнастайнае прамысловае прымяненне можна растлумачыць некалькімі фактарамі:

1. Бяспека і экалагічнасцьКрэмній багаты на зямную кару, нетаксічны і экалагічна чысты.

2. Электрычная ізаляцыяКрэмній натуральным чынам валодае электраізаляцыйнымі ўласцівасцямі, а пры тэрмічнай апрацоўцы ўтварае ахоўны пласт дыяксіду крэмнію, які эфектыўна прадухіляе страту электрычнага зарада.

3. Тэхналогія сталага ростуДоўгая гісторыя тэхналагічнага развіцця працэсаў вырошчвання крэмнію зрабіла яго значна больш складаным, чым іншыя паўправадніковыя матэрыялы.

Гэтыя фактары разам утрымліваюць монакрышталічны крэмній на пярэднім краі галіны, робячы яго незаменным іншымі матэрыяламі.

Што да крышталічнай структуры, монакрышталічны крэмній — гэта матэрыял, які складаецца з атамаў крэмнію, размешчаных у перыядычнай рашотцы, утвараючы бесперапынную структуру. Ён з'яўляецца асновай вытворчасці мікрасхем.

На наступнай дыяграме паказаны поўны працэс атрымання монакрышталічнага крэмнію:

Агляд працэсу:
Монакрышталічны крэмній атрымліваецца з крэмніевай руды праз шэраг этапаў рафінавання. Спачатку атрымліваецца полікрышталічны крэмній, які затым вырошчваецца ў монакрышталічны крэмніевы злітак у печы для росту крышталяў. Пасля гэтага ён рэжацца, паліруецца і апрацоўваецца ў крэмніевыя пласціны, прыдатныя для вытворчасці мікрасхем.

Крэмніевыя пласціны звычайна падзяляюцца на дзве катэгорыі:фотаэлектрычнага класаіпаўправадніковага класаГэтыя два тыпы адрозніваюцца ў асноўным сваёй структурай, чысцінёй і якасцю паверхні.

• Паўправадніковыя пласцінымаюць выключна высокую чысціню да 99,999999999% і строга павінны быць монакрышталічнымі.

• Фотаэлектрычныя пласціныменш чыстыя, з узроўнем чысціні ад 99,99% да 99,9999%, і не маюць такіх строгіх патрабаванняў да якасці крышталя.

Акрамя таго, пласціны паўправадніковага класа патрабуюць большай гладкасці і чысціні паверхні, чым пласціны фотаэлектрычнага класа. Больш высокія стандарты для паўправадніковых пласцін павялічваюць як складанасць іх падрыхтоўкі, так і іх наступную каштоўнасць у прымяненні.

У наступнай дыяграме паказана эвалюцыя спецыфікацый паўправадніковых пласцін, якія павялічыліся ад ранніх 4-цалевых (100 мм) і 6-цалевых (150 мм) пласцін да сучасных 8-цалевых (200 мм) і 12-цалевых (300 мм) пласцін.

Пры падрыхтоўцы монакрышталяў крэмнію памер пласціны залежыць ад тыпу прымянення і кошту. Напрыклад, у мікрасхемах памяці звычайна выкарыстоўваюцца 12-цалевыя пласціны, а ў прыладах харчавання — 8-цалевыя.

Карацей кажучы, змяненне памеру пласціны з'яўляецца вынікам як закона Мура, так і эканамічных фактараў. Большы памер пласціны дазваляе павялічыць выкарыстоўваную плошчу крэмнію пры тых жа ўмовах апрацоўкі, зніжаючы вытворчыя выдаткі і мінімізуючы адходы ад краёў пласціны.

Як найважнейшы матэрыял у сучасным тэхналагічным развіцці, паўправадніковыя крэмніевыя пласціны, з дапамогай дакладных працэсаў, такіх як фоталітаграфія і іённая імплантацыя, дазваляюць вырабляць розныя электронныя прылады, у тым ліку магутныя выпрамнікі, транзістары, біпалярныя транзістары і камутацыйныя прылады. Гэтыя прылады адыгрываюць ключавую ролю ў такіх галінах, як штучны інтэлект, сувязь 5G, аўтамабільная электроніка, Інтэрнэт рэчаў і аэракасмічная прамысловасць, з'яўляючыся краевугольным каменем нацыянальнага эканамічнага развіцця і тэхналагічных інавацый.

3. Тэхналогія росту монакрышталічнага крэмнію

TheМетад Чахральскага (CZ)— гэта эфектыўны працэс выцягвання высакаякаснага монакрышталічнага матэрыялу з расплаву. Прапанаваны Янам Чахральскім у 1917 годзе, гэты метад таксама вядомы якВыцягванне крышталяўметад.

У цяперашні час метад CZ шырока выкарыстоўваецца ў падрыхтоўцы розных паўправадніковых матэрыялаў. Паводле няпоўнай статыстыкі, каля 98% электронных кампанентаў вырабляюцца з монакрышталічнага крэмнію, прычым 85% гэтых кампанентаў вырабляюцца з выкарыстаннем метаду CZ.

Метад CZ з'яўляецца пераважным дзякуючы выдатнай якасці крышталяў, кантраляванаму памеру, хуткай хуткасці росту і высокай эфектыўнасці вытворчасці. Гэтыя характарыстыкі робяць монакрышталічны крэмній CZ пераважным матэрыялам для задавальнення попыту на высакаякасныя вырабы ў электронных галінах.

Прынцып росту монакрышталічнага крэмнію CZ наступны:

Працэс CZ патрабуе высокіх тэмператур, вакууму і замкнёнага асяроддзя. Ключавым абсталяваннем для гэтага працэсу з'яўляеццапеч для росту крышталяў, што спрыяе гэтым умовам.

На наступнай дыяграме паказана структура печы для росту крышталяў.

У працэсе CZ чысты крэмній змяшчаецца ў тыгель, плавіцца, і ў расплаўлены крэмній уводзіцца затраўка. Дзякуючы дакладнаму кантролю такіх параметраў, як тэмпература, хуткасць выцягвання і хуткасць кручэння тыгля, атамы або малекулы на мяжы паміж затраўкай і расплаўленым крэмніем бесперапынна рэарганізуюцца, зацвярдзеючы па меры астуджэння сістэмы і ў канчатковым выніку ўтвараючы монакрышталь.

Гэты метад вырошчвання крышталяў дазваляе атрымліваць высакаякасны монакрышталічны крэмній вялікага дыяметра са пэўнай арыентацыяй крышталяў.

Працэс росту ўключае ў сябе некалькі ключавых этапаў, у тым ліку:

1. Разборка і пагрузкаВыманне крышталя і старанная ачыстка печы і кампанентаў ад забруджванняў, такіх як кварц, графіт або іншыя прымешкі.

2. Вакуум і плаўленнеСістэма адпампавана да вакууму, пасля чаго ўводзіцца газападобны аргон і награваецца крэмніевая загрузка.

3. Выцягванне крышталяўЗатраўны крышталь апускаюць у расплаўлены крэмній, і тэмпература паверхні падзелу старанна кантралюецца, каб забяспечыць належную крышталізацыю.

4. Кантроль пляча і дыяметраПа меры росту крышталя яго дыяметр старанна кантралюецца і рэгулюецца для забеспячэння раўнамернага росту.

5. Канец росту і спыненне працы печыПасля дасягнення патрэбнага памеру крышталя печ выключаюць, і крышталь выдаляюць.

Падрабязныя этапы гэтага працэсу забяспечваюць стварэнне высакаякасных, бездэфектных монакрышталяў, прыдатных для вытворчасці паўправаднікоў.

4. Праблемы ў вытворчасці монакрышталічнага крэмнію

Адной з галоўных праблем у вытворчасці паўправадніковых монакрышталяў вялікага дыяметра з'яўляецца пераадоленне тэхнічных вузкіх месцаў падчас працэсу росту, асабліва ў прагназаванні і кантролі дэфектаў крышталяў:

1. Нестабільная якасць монакрышталяў і нізкі выхадПа меры павелічэння памеру монакрышталяў крэмнію ўзрастае складанасць асяроддзя росту, што ўскладняе кантроль такіх фактараў, як цеплавыя, цякучыя і магнітныя палі. Гэта ўскладняе задачу дасягнення стабільнай якасці і больш высокага выхаду.

2. Нестабільны працэс кіраванняПрацэс вырошчвання монакрышталяў паўправадніковага крэмнію вельмі складаны, бо ўзаемадзейнічаюць некалькі фізічных палёў, што робіць дакладнасць кіравання нестабільнай і прыводзіць да нізкага выхаду прадукцыі. Сучасныя стратэгіі кіравання ў асноўным сканцэнтраваны на макраскапічных памерах крышталя, у той час як якасць усё яшчэ рэгулюецца ўручную, што ўскладняе выкананне патрабаванняў да мікра- і нанавытворчасці мікрасхем.

Для вырашэння гэтых праблем тэрмінова неабходна распрацоўка метадаў маніторынгу і прагназавання якасці крышталяў у рэжыме рэальнага часу ў рэжыме рэальнага часу, а таксама ўдасканаленне сістэм кіравання для забеспячэння стабільнай і якаснай вытворчасці вялікіх монакрышталяў для выкарыстання ў інтэгральных схемах.