Монокристалды кремнийді өсіру әдістеріне толық шолу

Монокристалды кремнийді өсіру әдістеріне толық шолу

1. Монокристалды кремнийдің дамуының негізі

Технологияның дамуы және жоғары тиімді смарт өнімдерге сұраныстың артуы интегралдық микросхемалар (IC) индустриясының ұлттық дамудағы негізгі ұстанымын одан әрі бекітті. Жартылай өткізгіш монокристалды кремний IC индустриясының негізі ретінде технологиялық инновациялар мен экономикалық өсуді ынталандыруда маңызды рөл атқарады.

Халықаралық жартылай өткізгіштер өнеркәсібі қауымдастығының деректеріне сәйкес, жаһандық жартылай өткізгіш пластиналар нарығы сатылым көрсеткішіне 12,6 миллиард долларға жетті, жеткізілім көлемі 14,2 миллиард шаршы дюймге дейін өсті. Сонымен қатар, кремний пластинкаларына сұраныс тұрақты өсуде.

Дегенмен, кремний пластинаның жаһандық өнеркәсібі жоғары шоғырланған, төменде көрсетілгендей, нарықтық үлестің 85% -дан астамын жетекші бес жеткізуші басқарады:

• Shin-Etsu Chemical (Жапония)

• SUMCO (Жапония)

• Ғаламдық вафельдер

• Siltronic (Германия)

• SK Siltron (Оңтүстік Корея)

Бұл олигополия Қытайдың импорттық монокристалды кремний пластинкаларына қатты тәуелді болуына әкеледі, бұл елдің интегралды микросхема өнеркәсібінің дамуын шектейтін негізгі кедергілердің біріне айналды.

Жартылай өткізгішті кремний монокристалдарын өндіру секторындағы ағымдағы қиындықтарды жеңу үшін ғылыми зерттеулер мен тәжірибелерге инвестиция салу және отандық өндірістік мүмкіндіктерді нығайту сөзсіз таңдау болып табылады.

2. Монокристалды кремний материалына шолу

Монокристалды кремний интегралдық микросхема өнеркәсібінің негізі болып табылады. Бүгінгі күні IC чиптері мен электронды құрылғылардың 90%-дан астамы негізгі материал ретінде монокристалды кремнийді пайдалану арқылы жасалған. Монокристалды кремнийге және оның әртүрлі өнеркәсіптік қолданылуына кең сұранысты бірнеше факторларға жатқызуға болады:

1. Қауіпсіздік және қоршаған ортаға зиянсыз: Кремний жер қыртысында көп, улы емес және экологиялық таза.

2. Электрлік оқшаулау: Кремний табиғи түрде электрлік оқшаулау қасиеттерін көрсетеді және термиялық өңдеуден кейін ол электр зарядының жоғалуын тиімді болдырмайтын кремний диоксидінің қорғаныс қабатын құрайды.

3. Жетілген өсу технологиясы: Кремний өсу процестеріндегі технологиялық дамудың ұзақ тарихы оны басқа жартылай өткізгіш материалдарға қарағанда әлдеқайда күрделі етті.

Бұл факторлар бірге монокристалды кремнийді өнеркәсіптің алдыңғы қатарында ұстайды, бұл оны басқа материалдармен алмастырылмайтын етеді.

Кристалл құрылымы бойынша монокристалды кремний - үздіксіз құрылымды құрайтын периодты торда орналасқан кремний атомдарынан жасалған материал. Ол чип өндіру өнеркәсібінің негізі болып табылады.

Төмендегі диаграмма монокристалды кремнийді дайындаудың толық процесін көрсетеді:

Процесске шолу:
Монокристалды кремний кремний рудасынан бірқатар тазарту қадамдары арқылы алынады. Алдымен поликристалды кремний алынады, содан кейін оны кристалды өсіретін пеште монокристалды кремний құймасына айналдырады. Содан кейін ол кесіледі, жылтыратылады және чип өндіруге жарамды кремний пластинкаларына өңделеді.

Кремний пластиналары әдетте екі санатқа бөлінеді:фотоэлектрліжәнежартылай өткізгіш дәрежесі. Бұл екі түр негізінен құрылымымен, тазалығымен және бетінің сапасымен ерекшеленеді.

• Жартылай өткізгішті пластиналар99,999999999% дейін ерекше жоғары тазалыққа ие және монокристалды болуы қатаң талап етіледі.

• Фотоэлектрлік пластиналартазалығы азырақ, тазалық деңгейлері 99,99%-дан 99,9999%-ға дейін ауытқиды және кристалл сапасына мұндай қатаң талаптар қойылмайды.

Сонымен қатар, жартылай өткізгіш үлгідегі пластиналар фотоэлектрлік пластинкаларға қарағанда бетінің тегістігі мен тазалығын талап етеді. Жартылай өткізгіш пластинкаларға арналған жоғары стандарттар оларды дайындаудың күрделілігін де, қолданудағы кейінгі құндылығын да арттырады.

Келесі диаграмма ерте 4 дюймдік (100 мм) және 6 дюймдік (150 мм) пластинкалардан қазіргі 8 дюймдік (200 мм) және 12 дюймдік (300 мм) пластинкаларға дейін ұлғайған жартылай өткізгіш пластиналар сипаттамаларының эволюциясын сипаттайды.

Нақты кремний монокристалын дайындауда пластинаның өлшемі қолдану түріне және шығын факторларына байланысты өзгереді. Мысалы, жад микросхемаларында әдетте 12 дюймдік пластиналар пайдаланылады, ал қуат құрылғылары жиі 8 дюймдік вафлилерді пайдаланады.

Қорытындылай келе, вафель мөлшерінің эволюциясы Мур заңының да, экономикалық факторлардың да нәтижесі болып табылады. Вафлидің үлкен өлшемі бірдей өңдеу жағдайында кремнийдің неғұрлым қолайлы аймағын ұлғайтуға мүмкіндік береді, өндіріс шығындарын азайтады, сонымен қатар пластинаның жиектеріндегі қалдықтарды азайтады.

Заманауи технологиялық дамудағы шешуші материал ретінде жартылай өткізгіш кремний пластиналары фотолитография және иондық имплантация сияқты дәл процестер арқылы әртүрлі электронды құрылғыларды, соның ішінде жоғары қуатты түзеткіштерді, транзисторларды, биполярлы транзисторларды және коммутациялық құрылғыларды өндіруге мүмкіндік береді. Бұл құрылғылар жасанды интеллект, 5G байланысы, автомобиль электроникасы, заттардың интернеті және аэроғарыш өнеркәсібі сияқты салаларда маңызды рөл атқарады, ұлттық экономикалық даму мен технологиялық инновациялардың негізін құрайды.

3. Монокристалды кремний өсіру технологиясы

TheЧохральский (CZ) әдісібалқымадан жоғары сапалы монокристалды материалды алудың тиімді процесі болып табылады. 1917 жылы Ян Цочральский ұсынған бұл әдіс те ретінде белгіліКристалды тартуәдіс.

Қазіргі уақытта CZ әдісі әртүрлі жартылай өткізгіш материалдарды дайындауда кеңінен қолданылады. Толық емес статистикаға сәйкес, электронды компоненттердің шамамен 98% монокристалды кремнийден жасалған, бұл компоненттердің 85% CZ әдісімен өндірілген.

CZ әдісі тамаша кристалдық сапасы, бақыланатын өлшемі, жылдам өсу қарқыны және жоғары өндіріс тиімділігіне байланысты қолайлы. Бұл сипаттамалар CZ монокристалды кремнийін электроника өнеркәсібіндегі жоғары сапалы, ауқымды сұранысты қанағаттандыру үшін қолайлы материал етеді.

CZ монокристалды кремнийдің өсу принципі келесідей:

CZ процесі жоғары температураны, вакуумды және жабық ортаны қажет етеді. Бұл процестің негізгі жабдықтары болып табыладыкристалды өсіретін пеш, бұл осы шарттарды жеңілдетеді.

Төмендегі диаграмма кристалды өсіретін пештің құрылымын көрсетеді.

CZ процесінде таза кремний тигельге салынып, балқытылған және балқытылған кремнийге тұқымдық кристалды енгізеді. Температура, тарту жылдамдығы және тигельдің айналу жылдамдығы сияқты параметрлерді дәл бақылай отырып, тұқымдық кристалдың және балқытылған кремнийдің интерфейсіндегі атомдар немесе молекулалар жүйе салқындаған сайын қатып, ақырында бір кристалды құрайды.

Бұл кристалды өсіру әдісі ерекше кристалдық бағдарлары бар жоғары сапалы, үлкен диаметрлі монокристалды кремний шығарады.

Өсу процесі бірнеше негізгі қадамдарды қамтиды, соның ішінде:

1. Бөлшектеу және тиеу: Кристалды алып тастау және пешті және компоненттерді кварц, графит немесе басқа қоспалар сияқты ластаушы заттардан мұқият тазалау.

2. Вакуум және балқыту: Жүйе вакуумға эвакуацияланады, содан кейін аргон газын енгізу және кремний зарядын қыздыру.

3. Кристалды тарту: Тұқым кристалы балқытылған кремнийге түсіріледі және дұрыс кристалдануды қамтамасыз ету үшін интерфейс температурасы мұқият бақыланады.

4. Иық пен диаметрді бақылау: Кристалл өсіп келе жатқанда, оның диаметрі біркелкі өсуді қамтамасыз ету үшін мұқият бақыланады және реттеледі.

5. Өсудің аяқталуы және пештің тоқтауы: Қажетті кристалл өлшеміне қол жеткізгеннен кейін пеш өшіріліп, кристал алынады.

Бұл процестегі егжей-тегжейлі қадамдар жартылай өткізгіштерді өндіруге жарамды жоғары сапалы, ақаусыз монокристалдардың жасалуын қамтамасыз етеді.

4. Монокристалды кремний өндірісіндегі қиындықтар

Үлкен диаметрлі жартылай өткізгішті монокристалдарды өндірудегі негізгі қиындықтардың бірі өсу процесі кезіндегі техникалық кедергілерді еңсеру, әсіресе кристалдық ақауларды болжау және бақылау:

1. Сәйкес емес монокристалды сапасы және төмен кірістілігі: Кремний монокристалдарының өлшемі ұлғайған сайын өсу ортасының күрделілігі артып, жылу, ағын және магнит өрістері сияқты факторларды басқаруды қиындатады. Бұл тұрақты сапа мен жоғары өнімге қол жеткізу міндетін қиындатады.

2. Тұрақсыз басқару процесі: Жартылай өткізгішті кремний монокристалдарының өсу процесі өте күрделі, бірнеше физикалық өрістер өзара әрекеттеседі, бұл басқару дәлдігін тұрақсыз етеді және өнімнің төмен шығымдылығына әкеледі. Ағымдағы басқару стратегиялары негізінен кристалдың макроскопиялық өлшемдеріне назар аударады, ал сапа әлі де қолмен тәжірибе негізінде реттеледі, бұл IC чиптеріндегі микро және нано өндіруге қойылатын талаптарды қанағаттандыруды қиындатады.

Осы міндеттерді шешу үшін интегралдық микросхемаларда пайдалану үшін үлкен монокристалдардың тұрақты, жоғары сапалы өндірісін қамтамасыз ету үшін басқару жүйелерін жетілдірумен қатар кристалл сапасын нақты уақыт режимінде, онлайн бақылау және болжау әдістерін әзірлеу шұғыл қажет.