Монокристалды кремнийді өсіру әдістеріне кешенді шолу

Монокристалды кремнийді өсіру әдістеріне кешенді шолу

1. Монокристалды кремнийдің дамуының негізі

Технологияның дамуы және жоғары тиімді ақылды өнімдерге деген сұраныстың артуы интегралдық микросхема (ИМ) индустриясының ұлттық дамудағы негізгі орнын одан әрі нығайтты. Интегралдық микросхема индустриясының негізі ретінде жартылай өткізгіш монокристалды кремний технологиялық инновациялар мен экономикалық өсімді ілгерілетуде маңызды рөл атқарады.

Халықаралық жартылай өткізгіштер өнеркәсібі қауымдастығының мәліметтері бойынша, жаһандық жартылай өткізгіш пластиналар нарығының сатылым көлемі 12,6 миллиард долларға жетті, ал жеткізілім көлемі 14,2 миллиард шаршы дюймге дейін өсті. Сонымен қатар, кремний пластиналарына деген сұраныс тұрақты түрде өсіп келеді.

Дегенмен, әлемдік кремний пластинасы өнеркәсібі жоғары шоғырланған, төменде көрсетілгендей, нарық үлесінің 85%-дан астамын жетекші бес жеткізуші құрайды:

• Шин-Эцу химия компаниясы (Жапония)

• SUMCO (Жапония)

• Әлемдік вафлилер

• Сильтроник (Германия)

• SK Siltron (Оңтүстік Корея)

Бұл олигополия Қытайдың импорттық монокристалды кремний пластиналарына қатты тәуелділігіне әкеледі, бұл елдің интегралды микросхема индустриясының дамуын шектейтін негізгі кедергілердің біріне айналды.

Жартылай өткізгіш кремний монокристаллдарын өндіру секторындағы қазіргі қиындықтарды жеңу үшін зерттеулер мен әзірлемелерге инвестиция салу және отандық өндіріс мүмкіндіктерін нығайту сөзсіз таңдау болып табылады.

2. Монокристалды кремний материалына шолу

Монокристалды кремний интегралды микросхемалар индустриясының негізі болып табылады. Бүгінгі таңда интегралды микросхемалар мен электрондық құрылғылардың 90%-дан астамы негізгі материал ретінде монокристалды кремнийді пайдаланып жасалады. Монокристалды кремнийге және оның әртүрлі өнеркәсіптік қолданылуына кең таралған сұраныс бірнеше факторларға байланысты болуы мүмкін:

1. Қауіпсіздік және қоршаған ортаға зиянсызКремний жер қыртысында мол, улы емес және экологиялық таза.

2. Электр оқшаулағышыКремний табиғи түрде электр оқшаулағыш қасиеттерін көрсетеді және термиялық өңдеу кезінде ол электр зарядының жоғалуын тиімді түрде болдырмайтын кремний диоксидінің қорғаныш қабатын түзеді.

3. Ересектерге арналған өсу технологиясыКремнийді өсіру процестеріндегі технологиялық дамудың ұзақ тарихы оны басқа жартылай өткізгіш материалдарға қарағанда әлдеқайда күрделі етті.

Бұл факторлар монокристалды кремнийді саланың алдыңғы қатарында ұстап, оны басқа материалдармен алмастырылмайтын етеді.

Кристалдық құрылымы тұрғысынан монокристалды кремний - периодтық торда орналасқан, үздіксіз құрылымды құрайтын кремний атомдарынан жасалған материал. Ол чип өндірісінің негізі болып табылады.

Төмендегі диаграмма монокристалды кремнийді дайындаудың толық процесін көрсетеді:

Процеске шолу:
Монокристалды кремний кремний кенінен бірқатар тазарту кезеңдерінен алынады. Алдымен поликристалды кремний алынады, содан кейін ол кристалды өсіру пешінде монокристалды кремний құймасына өсіріледі. Содан кейін ол кесіліп, жылтыратылып, чиптер өндіруге жарамды кремний пластиналарына өңделеді.

Кремний пластиналары әдетте екі санатқа бөлінеді:фотоэлектрлік деңгейдегіжәнежартылай өткізгіштік классБұл екі түрі негізінен құрылымы, тазалығы және бетінің сапасы бойынша ерекшеленеді.

• Жартылай өткізгішті пластиналар99,99999999%-ға дейінгі ерекше жоғары тазалыққа ие және монокристалды болуы қатаң талап етіледі.

• Фотоэлектрлік пластиналартазалығы төмен, тазалық деңгейі 99,99%-дан 99,9999%-ға дейін, және кристалл сапасына онша қатаң талаптар қойылмайды.

Сонымен қатар, жартылай өткізгіш пластиналар фотоэлектрлік пластиналарға қарағанда жоғары беттік тегістік пен тазалықты қажет етеді. Жартылай өткізгіш пластиналарға арналған жоғары стандарттар оларды дайындаудың күрделілігін де, кейінгі қолданыстағы құндылығын да арттырады.

Төмендегі кестеде жартылай өткізгіш пластиналардың сипаттамаларының эволюциясы көрсетілген, олар алғашқы 4 дюймдік (100 мм) және 6 дюймдік (150 мм) пластиналардан қазіргі 8 дюймдік (200 мм) және 12 дюймдік (300 мм) пластиналарға дейін өсті.

Нақты кремний монокристалын дайындауда пластина өлшемі қолдану түріне және шығын факторларына байланысты өзгереді. Мысалы, жад микросхемалары әдетте 12 дюймдік пластиналарды пайдаланады, ал қуат құрылғылары көбінесе 8 дюймдік пластиналарды пайдаланады.

Қорытындылай келе, пластина өлшемінің эволюциясы Мур заңының да, экономикалық факторлардың да нәтижесі болып табылады. Үлкен пластина өлшемі бірдей өңдеу жағдайларында пайдалануға жарамды кремний ауданын өсіруге мүмкіндік береді, бұл өндіріс шығындарын азайта отырып, пластина шеттерінен шығатын қалдықтарды азайтады.

Қазіргі заманғы технологиялық дамудағы маңызды материал ретінде жартылай өткізгіш кремний пластиналары фотолитография және иондық имплантация сияқты дәл процестер арқылы жоғары қуатты түзеткіштерді, транзисторларды, биполярлық түйіспелі транзисторларды және коммутациялық құрылғыларды қоса алғанда, әртүрлі электрондық құрылғыларды өндіруге мүмкіндік береді. Бұл құрылғылар жасанды интеллект, 5G байланысы, автомобиль электроникасы, Заттар интернеті және аэроғарыш сияқты салаларда маңызды рөл атқарады, ұлттық экономикалық даму мен технологиялық инновацияның негізін құрайды.

3. Монокристалды кремнийді өсіру технологиясы

TheЧохральский (CZ) әдісібалқымадан жоғары сапалы монокристалды материалды алудың тиімді процесі болып табылады. 1917 жылы Ян Чохральский ұсынған бұл әдіс ... деп те аталады.Кристалды тартуәдіс.

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

CZ әдісі тамаша кристалдық сапасы, басқарылатын мөлшері, жылдам өсу қарқыны және жоғары өндіріс тиімділігінің арқасында танымал. Бұл сипаттамалар CZ монокристалды кремнийін электроника өнеркәсібіндегі жоғары сапалы, кең көлемді сұранысты қанағаттандыру үшін таңдаулы материал етеді.

CZ монокристалды кремнийінің өсу принципі келесідей:

CZ процесі жоғары температураны, вакуумды және жабық ортаны қажет етеді. Бұл процестің негізгі жабдықтары -кристалды өсіру пеші, бұл осы жағдайларды жеңілдетеді.

Келесі диаграммада кристалды өсу пешінің құрылымы көрсетілген.

CZ процесінде таза кремний тигельге салынып, балқытылады, ал балқытылған кремнийге тұқымдық кристал енгізіледі. Температура, тарту жылдамдығы және тигельдің айналу жылдамдығы сияқты параметрлерді дәл басқару арқылы тұқымдық кристал мен балқытылған кремнийдің шекарасындағы атомдар немесе молекулалар үздіксіз қайта құрылады, жүйе салқындаған кезде қатаяды және сайып келгенде монокристалды құрайды.

Бұл кристалды өсіру әдісі белгілі бір кристалдық бағдарлары бар жоғары сапалы, үлкен диаметрлі монокристалды кремнийді өндіреді.

Өсу процесі бірнеше негізгі кезеңдерді қамтиды, соның ішінде:

1. Бөлшектеу және тиеуКристалды алып тастау және пеш пен оның құрамдас бөліктерін кварц, графит немесе басқа қоспалар сияқты ластаушы заттардан мұқият тазалау.

2. Вакуум және балқытуЖүйе вакуумға эвакуацияланады, содан кейін аргон газы енгізіледі және кремний заряды қыздырылады.

3. Кристалды тартуТұқым кристалы балқытылған кремнийге батырылады және дұрыс кристалдануды қамтамасыз ету үшін беткі температура мұқият бақыланады.

4. Иық тіреуіші және диаметрді бақылауКристалл өскен сайын, оның диаметрі мұқият бақыланады және біркелкі өсуін қамтамасыз ету үшін реттеледі.

5. Өсімнің аяқталуы және пештің жабылуыҚажетті кристалл өлшеміне жеткеннен кейін, пеш өшіріліп, кристал алынып тасталады.

Бұл процестің егжей-тегжейлі қадамдары жартылай өткізгіштер өндірісіне жарамды жоғары сапалы, ақаусыз монокристалдардың жасалуын қамтамасыз етеді.

4. Монокристалды кремний өндірісіндегі қиындықтар

Үлкен диаметрлі жартылай өткізгіш монокристалдарды өндірудегі негізгі қиындықтардың бірі - өсу процесіндегі техникалық кедергілерді жеңу, әсіресе кристалл ақауларын болжау және бақылау:

1. Монокристалл сапасының сәйкес келмеуі және өнімділігінің төмендігіКремний монокристалдарының өлшемі артқан сайын өсу ортасының күрделілігі артады, бұл жылу, ағын және магнит өрістері сияқты факторларды бақылауды қиындатады. Бұл тұрақты сапа мен жоғары өнімділікке қол жеткізу міндетін қиындатады.

2. Тұрақсыз басқару процесіЖартылай өткізгіш кремний монокристалдарының өсу процесі өте күрделі, бірнеше физикалық өрістер өзара әрекеттеседі, бұл басқару дәлдігін тұрақсыз етеді және өнімнің төмен өнімділігіне әкеледі. Қазіргі басқару стратегиялары негізінен кристалдың макроскопиялық өлшемдеріне бағытталған, ал сапа әлі де қолмен жасалған тәжірибеге негізделіп реттеледі, бұл интегралды чиптерде микро және нано өндірісіне қойылатын талаптарды қанағаттандыруды қиындатады.

Осы қиындықтарды шешу үшін кристалдардың сапасын нақты уақыт режимінде, онлайн бақылау және болжау әдістерін әзірлеу, сондай-ақ интегралдық микросхемаларда пайдалану үшін ірі монокристалдардың тұрақты, жоғары сапалы өндірісін қамтамасыз ету үшін басқару жүйелерін жетілдіру қажет.