Μια ολοκληρωμένη επισκόπηση των μεθόδων ανάπτυξης μονοκρυσταλλικού πυριτίου

Μια ολοκληρωμένη επισκόπηση των μεθόδων ανάπτυξης μονοκρυσταλλικού πυριτίου

1. Ιστορικό της ανάπτυξης μονοκρυσταλλικού πυριτίου

Η πρόοδος της τεχνολογίας και η αυξανόμενη ζήτηση για έξυπνα προϊόντα υψηλής απόδοσης έχουν εδραιώσει περαιτέρω τη βασική θέση της βιομηχανίας ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (IC) στην εθνική ανάπτυξη. Ως ακρογωνιαίος λίθος της βιομηχανίας ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο ημιαγωγών παίζει ζωτικό ρόλο στην προώθηση της τεχνολογικής καινοτομίας και της οικονομικής ανάπτυξης.

Σύμφωνα με στοιχεία της Διεθνούς Ένωσης Βιομηχανίας Ημιαγωγών, η παγκόσμια αγορά πλακιδίων ημιαγωγών έφτασε σε πωλήσεις 12,6 δισεκατομμυρίων δολαρίων, με τις αποστολές να αυξάνονται σε 14,2 δισεκατομμύρια τετραγωνικές ίντσες. Επιπλέον, η ζήτηση για πλακίδια πυριτίου συνεχίζει να αυξάνεται σταθερά.

Ωστόσο, η παγκόσμια βιομηχανία πλακιδίων πυριτίου παρουσιάζει υψηλό βαθμό συγκέντρωσης, με τους πέντε κορυφαίους προμηθευτές να κυριαρχούν σε ποσοστό άνω του 85% του μεριδίου αγοράς, όπως φαίνεται παρακάτω:

• Shin-Etsu Chemical (Ιαπωνία)

• SUMCO (Ιαπωνία)

• Παγκόσμια γκοφρέτες

• Siltronic (Γερμανία)

• SK Siltron (Νότια Κορέα)

Αυτό το ολιγοπώλιο έχει ως αποτέλεσμα τη μεγάλη εξάρτηση της Κίνας από εισαγόμενα μονοκρυσταλλικά πλακίδια πυριτίου, τα οποία έχουν καταστεί ένα από τα βασικά σημεία συμφόρησης που περιορίζουν την ανάπτυξη της βιομηχανίας ολοκληρωμένων κυκλωμάτων της χώρας.

Για να ξεπεραστούν οι τρέχουσες προκλήσεις στον τομέα της κατασκευής μονοκρυστάλλων πυριτίου ημιαγωγών, η επένδυση στην έρευνα και ανάπτυξη και η ενίσχυση των εγχώριων παραγωγικών δυνατοτήτων αποτελεί αναπόφευκτη επιλογή.

2. Επισκόπηση του μονοκρυσταλλικού πυριτικού υλικού

Το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο αποτελεί το θεμέλιο της βιομηχανίας ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Μέχρι σήμερα, πάνω από το 90% των τσιπ ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και των ηλεκτρονικών συσκευών κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας μονοκρυσταλλικό πυρίτιο ως κύριο υλικό. Η ευρεία ζήτηση για μονοκρυσταλλικό πυρίτιο και οι ποικίλες βιομηχανικές εφαρμογές του μπορούν να αποδοθούν σε διάφορους παράγοντες:

1. Ασφάλεια και φιλικότητα προς το περιβάλλονΤο πυρίτιο είναι άφθονο στον φλοιό της Γης, μη τοξικό και φιλικό προς το περιβάλλον.

2. Ηλεκτρική μόνωσηΤο πυρίτιο εμφανίζει φυσικά ηλεκτρικές μονωτικές ιδιότητες και, κατά τη θερμική επεξεργασία, σχηματίζει ένα προστατευτικό στρώμα διοξειδίου του πυριτίου, το οποίο αποτρέπει αποτελεσματικά την απώλεια ηλεκτρικού φορτίου.

3. Τεχνολογία ώριμης ανάπτυξηςΗ μακρά ιστορία της τεχνολογικής ανάπτυξης στις διεργασίες ανάπτυξης πυριτίου το έχει καταστήσει πολύ πιο εξελιγμένο από άλλα ημιαγωγικά υλικά.

Αυτοί οι παράγοντες μαζί διατηρούν το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο στην πρώτη γραμμή της βιομηχανίας, καθιστώντας το αναντικατάστατο από άλλα υλικά.

Όσον αφορά την κρυσταλλική δομή, το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο είναι ένα υλικό που κατασκευάζεται από άτομα πυριτίου διατεταγμένα σε ένα περιοδικό πλέγμα, σχηματίζοντας μια συνεχή δομή. Αποτελεί τη βάση της βιομηχανίας κατασκευής τσιπ.

Το ακόλουθο διάγραμμα απεικονίζει την πλήρη διαδικασία παρασκευής μονοκρυσταλλικού πυριτίου:

Επισκόπηση Διαδικασίας:
Το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο προέρχεται από μετάλλευμα πυριτίου μέσω μιας σειράς βημάτων εξευγενισμού. Αρχικά, λαμβάνεται πολυκρυσταλλικό πυρίτιο, το οποίο στη συνέχεια αναπτύσσεται σε πλινθώματα μονοκρυσταλλικού πυριτίου σε κλίβανο ανάπτυξης κρυστάλλων. Στη συνέχεια, κόβεται, γυαλίζεται και υποβάλλεται σε επεξεργασία σε πλακίδια πυριτίου κατάλληλα για την κατασκευή τσιπ.

Οι γκοφρέτες πυριτίου συνήθως χωρίζονται σε δύο κατηγορίες:φωτοβολταϊκής ποιότηταςκαιημιαγωγικής ποιότηταςΑυτοί οι δύο τύποι διαφέρουν κυρίως ως προς τη δομή, την καθαρότητα και την ποιότητα της επιφάνειάς τους.

• Δισκία ημιαγωγικής ποιότηταςέχουν εξαιρετικά υψηλή καθαρότητα έως και 99,999999999% και απαιτείται αυστηρά να είναι μονοκρυσταλλικά.

• Δισκία φωτοβολταϊκής ποιότηταςείναι λιγότερο καθαρά, με επίπεδα καθαρότητας που κυμαίνονται από 99,99% έως 99,9999%, και δεν έχουν τόσο αυστηρές απαιτήσεις για την ποιότητα των κρυστάλλων.

Επιπλέον, οι πλακέτες ημιαγωγικής ποιότητας απαιτούν υψηλότερη λεία επιφάνεια και καθαριότητα από τις πλακέτες φωτοβολταϊκής ποιότητας. Τα υψηλότερα πρότυπα για τις πλακέτες ημιαγωγών αυξάνουν τόσο την πολυπλοκότητα της παρασκευής τους όσο και την επακόλουθη αξία τους στις εφαρμογές.

Το ακόλουθο διάγραμμα περιγράφει την εξέλιξη των προδιαγραφών των πλακιδίων ημιαγωγών, οι οποίες έχουν αυξηθεί από τα αρχικά πλακίδια 4 ιντσών (100 mm) και 6 ιντσών (150 mm) στα τρέχοντα πλακίδια 8 ιντσών (200 mm) και 12 ιντσών (300 mm).

Στην πραγματική παρασκευή μονοκρυστάλλων πυριτίου, το μέγεθος της πλακέτας ποικίλλει ανάλογα με τον τύπο εφαρμογής και τους παράγοντες κόστους. Για παράδειγμα, τα τσιπ μνήμης χρησιμοποιούν συνήθως πλακίδια 12 ιντσών, ενώ οι συσκευές τροφοδοσίας χρησιμοποιούν συχνά πλακίδια 8 ιντσών.

Συνοπτικά, η εξέλιξη του μεγέθους των πλακιδίων είναι αποτέλεσμα τόσο του Νόμου του Moore όσο και οικονομικών παραγόντων. Ένα μεγαλύτερο μέγεθος πλακιδίου επιτρέπει την ανάπτυξη μεγαλύτερης αξιοποιήσιμης επιφάνειας πυριτίου υπό τις ίδιες συνθήκες επεξεργασίας, μειώνοντας το κόστος παραγωγής και ελαχιστοποιώντας παράλληλα τα απόβλητα από τις άκρες των πλακιδίων.

Ως κρίσιμο υλικό στη σύγχρονη τεχνολογική ανάπτυξη, οι ημιαγωγοί πυριτίου, μέσω ακριβών διαδικασιών όπως η φωτολιθογραφία και η εμφύτευση ιόντων, επιτρέπουν την παραγωγή διαφόρων ηλεκτρονικών συσκευών, συμπεριλαμβανομένων ανορθωτών υψηλής ισχύος, τρανζίστορ, διπολικών τρανζίστορ σύνδεσης και συσκευών μεταγωγής. Αυτές οι συσκευές διαδραματίζουν βασικό ρόλο σε τομείς όπως η τεχνητή νοημοσύνη, οι επικοινωνίες 5G, τα ηλεκτρονικά αυτοκινήτων, το Διαδίκτυο των Πραγμάτων και η αεροδιαστημική, αποτελώντας τον ακρογωνιαίο λίθο της εθνικής οικονομικής ανάπτυξης και της τεχνολογικής καινοτομίας.

3. Τεχνολογία ανάπτυξης μονοκρυσταλλικού πυριτίου

ΟΜέθοδος Czochralski (CZ)είναι μια αποτελεσματική διαδικασία για την εξαγωγή μονοκρυσταλλικού υλικού υψηλής ποιότητας από το τήγμα. Προτάθηκε από τον Jan Czochralski το 1917 και είναι επίσης γνωστή ωςΤράβηγμα κρυστάλλωνμέθοδος.

Επί του παρόντος, η μέθοδος CZ χρησιμοποιείται ευρέως στην παρασκευή διαφόρων ημιαγωγικών υλικών. Σύμφωνα με ελλιπή στατιστικά στοιχεία, περίπου το 98% των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων κατασκευάζονται από μονοκρυσταλλικό πυρίτιο, με το 85% αυτών των εξαρτημάτων να παράγονται χρησιμοποιώντας τη μέθοδο CZ.

Η μέθοδος CZ προτιμάται λόγω της εξαιρετικής ποιότητας κρυστάλλων, του ελεγχόμενου μεγέθους, του ταχύτατου ρυθμού ανάπτυξης και της υψηλής απόδοσης παραγωγής. Αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο CZ το προτιμώμενο υλικό για την κάλυψη της υψηλής ποιότητας, μεγάλης κλίμακας ζήτησης στη βιομηχανία ηλεκτρονικών.

Η αρχή ανάπτυξης του μονοκρυσταλλικού πυριτίου CZ έχει ως εξής:

Η διαδικασία CZ απαιτεί υψηλές θερμοκρασίες, κενό και κλειστό περιβάλλον. Ο βασικός εξοπλισμός για αυτήν τη διαδικασία είναι τοφούρνος ανάπτυξης κρυστάλλων, κάτι που διευκολύνει αυτές τις συνθήκες.

Το ακόλουθο διάγραμμα απεικονίζει τη δομή ενός κλιβάνου ανάπτυξης κρυστάλλων.

Στη διαδικασία CZ, καθαρό πυρίτιο τοποθετείται σε ένα χωνευτήριο, τήκεται και ένας κρύσταλλος εκκίνησης εισάγεται στο τηγμένο πυρίτιο. Ελέγχοντας με ακρίβεια παραμέτρους όπως η θερμοκρασία, ο ρυθμός έλξης και η ταχύτητα περιστροφής του χωνευτηρίου, τα άτομα ή τα μόρια στη διεπαφή του κρυστάλλου εκκίνησης και του τηγμένου πυριτίου αναδιοργανώνονται συνεχώς, στερεοποιούμενα καθώς το σύστημα ψύχεται και τελικά σχηματίζοντας έναν μονοκρύσταλλο.

Αυτή η τεχνική ανάπτυξης κρυστάλλων παράγει μονοκρυσταλλικό πυρίτιο υψηλής ποιότητας, μεγάλης διαμέτρου με συγκεκριμένους προσανατολισμούς κρυστάλλων.

Η διαδικασία ανάπτυξης περιλαμβάνει πολλά βασικά βήματα, όπως:

1. Αποσυναρμολόγηση και φόρτωσηΑφαίρεση του κρυστάλλου και σχολαστικός καθαρισμός του κλιβάνου και των εξαρτημάτων από ρύπους όπως χαλαζία, γραφίτη ή άλλες ακαθαρσίες.

2. Κενού και ΤήξηΤο σύστημα εκκενώνεται σε κενό, ακολουθούμενο από την εισαγωγή αερίου αργού και τη θέρμανση του φορτίου πυριτίου.

3. Τράβηγμα κρυστάλλωνΟ κρύσταλλος-σπόρος βυθίζεται στο τηγμένο πυρίτιο και η θερμοκρασία της διεπαφής ελέγχεται προσεκτικά για να διασφαλιστεί η σωστή κρυστάλλωση.

4. Έλεγχος ώμων και διαμέτρουΚαθώς ο κρύσταλλος μεγαλώνει, η διάμετρός του παρακολουθείται προσεκτικά και ρυθμίζεται για να εξασφαλιστεί ομοιόμορφη ανάπτυξη.

5. Τέλος ανάπτυξης και διακοπή λειτουργίας του κλιβάνουΜόλις επιτευχθεί το επιθυμητό μέγεθος κρυστάλλου, ο κλίβανος απενεργοποιείται και ο κρύσταλλος αφαιρείται.

Τα λεπτομερή βήματα σε αυτήν τη διαδικασία διασφαλίζουν τη δημιουργία μονοκρυστάλλων υψηλής ποιότητας, χωρίς ελαττώματα, κατάλληλων για την κατασκευή ημιαγωγών.

4. Προκλήσεις στην παραγωγή μονοκρυσταλλικού πυριτίου

Μία από τις κύριες προκλήσεις στην παραγωγή μονοκρυστάλλων ημιαγωγών μεγάλης διαμέτρου έγκειται στην υπερνίκηση των τεχνικών εμποδίων κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ανάπτυξης, ιδιαίτερα στην πρόβλεψη και τον έλεγχο των ελαττωμάτων των κρυστάλλων:

1. Ασυνεπής ποιότητα μονοκρυστάλλων και χαμηλή απόδοσηΚαθώς αυξάνεται το μέγεθος των μονοκρυστάλλων πυριτίου, αυξάνεται και η πολυπλοκότητα του περιβάλλοντος ανάπτυξης, γεγονός που καθιστά δύσκολο τον έλεγχο παραγόντων όπως τα θερμικά, τα πεδία ροής και τα μαγνητικά πεδία. Αυτό περιπλέκει το έργο της επίτευξης σταθερής ποιότητας και υψηλότερων αποδόσεων.

2. Ασταθής Διαδικασία ΕλέγχουΗ διαδικασία ανάπτυξης μονοκρυστάλλων ημιαγωγικού πυριτίου είναι εξαιρετικά πολύπλοκη, με πολλαπλά φυσικά πεδία να αλληλεπιδρούν, καθιστώντας την ακρίβεια ελέγχου ασταθή και οδηγώντας σε χαμηλές αποδόσεις προϊόντος. Οι τρέχουσες στρατηγικές ελέγχου επικεντρώνονται κυρίως στις μακροσκοπικές διαστάσεις του κρυστάλλου, ενώ η ποιότητα εξακολουθεί να προσαρμόζεται με βάση την χειροκίνητη εμπειρία, καθιστώντας δύσκολη την κάλυψη των απαιτήσεων για μικρο- και νανο-κατασκευή σε τσιπ ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.

Για την αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων, απαιτείται επειγόντως η ανάπτυξη μεθόδων παρακολούθησης και πρόβλεψης σε πραγματικό χρόνο, σε απευθείας σύνδεση, για την ποιότητα των κρυστάλλων, μαζί με βελτιώσεις στα συστήματα ελέγχου, ώστε να διασφαλιστεί η σταθερή, υψηλής ποιότητας παραγωγή μεγάλων μονοκρυστάλλων για χρήση σε ολοκληρωμένα κυκλώματα.