'n Omvattende Oorsig van Monokristallyne Silikon Groeimetodes

'n Omvattende Oorsig van Monokristallyne Silikon Groeimetodes

1. Agtergrond van Monokristallyne Silikonontwikkeling

Die vooruitgang van tegnologie en die groeiende vraag na hoë-doeltreffendheid slim produkte het die kernposisie van die geïntegreerde stroombaan (IC) bedryf in nasionale ontwikkeling verder verstewig. As die hoeksteen van die IC-bedryf speel halfgeleier monokristallyne silikon 'n belangrike rol in die aandryf van tegnologiese innovasie en ekonomiese groei.

Volgens data van die Internasionale Halfgeleierbedryfsvereniging het die wêreldwye halfgeleierwafelmark 'n verkope van $12,6 miljard bereik, met verskepings wat tot 14,2 miljard vierkante duim gegroei het. Boonop bly die vraag na silikonwafers gestaag styg.

Die wêreldwye silikonwafelbedryf is egter hoogs gekonsentreerd, met die top vyf verskaffers wat meer as 85% van die markaandeel oorheers, soos hieronder getoon:

• Shin-Etsu Chemical (Japan)

• SUMCO (Japan)

• Globale Wafers

• Siltronic (Duitsland)

• SK Siltron (Suid-Korea)

Hierdie oligopolie lei tot China se groot afhanklikheid van ingevoerde monokristallyne silikonwafers, wat een van die belangrikste knelpunte geword het wat die ontwikkeling van die land se geïntegreerde stroombaanbedryf beperk.

Om die huidige uitdagings in die halfgeleier-silikonmonokristalvervaardigingsektor te oorkom, is belegging in navorsing en ontwikkeling en die versterking van binnelandse produksievermoëns 'n onvermydelike keuse.

2. Oorsig van Monokristallyne Silikonmateriaal

Monokristallyne silikon is die fondament van die geïntegreerde stroombaanbedryf. Tot op hede word meer as 90% van geïntegreerde stroombane en elektroniese toestelle vervaardig met monokristallyne silikon as die primêre materiaal. Die wydverspreide vraag na monokristallyne silikon en die diverse industriële toepassings daarvan kan aan verskeie faktore toegeskryf word:

1. Veiligheid en omgewingsvriendelikSilikon is volop in die aardkors, nie-giftig en omgewingsvriendelik.

2. Elektriese IsolasieSilikon vertoon natuurlik elektriese isolasie-eienskappe, en tydens hittebehandeling vorm dit 'n beskermende laag silikondioksied, wat die verlies van elektriese lading effektief voorkom.

3. Volwasse GroeitegnologieDie lang geskiedenis van tegnologiese ontwikkeling in silikongroeiprosesse het dit baie meer gesofistikeerd gemaak as ander halfgeleiermateriale.

Hierdie faktore saam hou monokristallyne silikon aan die voorpunt van die bedryf, wat dit onvervangbaar maak deur ander materiale.

In terme van kristalstruktuur, is monokristallyne silikon 'n materiaal wat gemaak word van silikonatome wat in 'n periodieke rooster gerangskik is en 'n deurlopende struktuur vorm. Dit is die basis van die mikroskyfievervaardigingsbedryf.

Die volgende diagram illustreer die volledige proses van monokristallyne silikonvoorbereiding:

Prosesoorsig:
Monokristallyne silikon word verkry uit silikonerts deur 'n reeks raffineringsstappe. Eers word polikristallyne silikon verkry, wat dan in 'n kristalgroeioond tot 'n monokristallyne silikonstaaf gekweek word. Daarna word dit gesny, gepoleer en verwerk tot silikonwafers wat geskik is vir skyfievervaardiging.

Silikonwafers word tipies in twee kategorieë verdeel:fotovoltaïese graadenhalfgeleiergraadHierdie twee tipes verskil hoofsaaklik in hul struktuur, suiwerheid en oppervlakkwaliteit.

• Halfgeleiergraad-wafershet 'n buitengewoon hoë suiwerheid van tot 99.999999999%, en moet streng gesproke monokristallyn wees.

• Fotovoltaïese wafersis minder suiwer, met suiwerheidsvlakke wat wissel van 99.99% tot 99.9999%, en het nie sulke streng vereistes vir kristalgehalte nie.

Daarbenewens vereis halfgeleier-graad wafers hoër oppervlakgladheid en netheid as fotovoltaïese-graad wafers. Die hoër standaarde vir halfgeleierwafers verhoog beide die kompleksiteit van hul voorbereiding en hul daaropvolgende waarde in toepassings.

Die volgende grafiek skets die evolusie van halfgeleierwafelspesifikasies, wat toegeneem het van vroeë 4-duim (100 mm) en 6-duim (150 mm) wafers tot huidige 8-duim (200 mm) en 12-duim (300 mm) wafers.

In die werklike voorbereiding van silikonmonokristal wissel die wafergrootte na gelang van die toepassingstipe en kostefaktore. Geheueskyfies gebruik byvoorbeeld gewoonlik 12-duim-wafers, terwyl kragtoestelle dikwels 8-duim-wafers gebruik.

Kortliks, die evolusie van wafergrootte is die gevolg van beide Moore se Wet en ekonomiese faktore. 'n Groter wafergrootte maak die groei van meer bruikbare silikonarea onder dieselfde verwerkingsomstandighede moontlik, wat produksiekoste verminder terwyl afval van waferrande geminimaliseer word.

As 'n belangrike materiaal in moderne tegnologiese ontwikkeling, maak halfgeleier-silikonwafers, deur middel van presiese prosesse soos fotolitografie en iooninplanting, die produksie van verskeie elektroniese toestelle moontlik, insluitend hoëkrag-gelykrigters, transistors, bipolêre aansluitingstransistors en skakeltoestelle. Hierdie toestelle speel 'n sleutelrol in velde soos kunsmatige intelligensie, 5G-kommunikasie, motorelektronika, die Internet van Dinge en lugvaart, en vorm die hoeksteen van nasionale ekonomiese ontwikkeling en tegnologiese innovasie.

3. Monokristallyne Silikon Groei Tegnologie

DieCzochralski (CZ) Metodeis 'n doeltreffende proses om hoëgehalte monokristallyne materiaal uit die smelt te trek. Hierdie metode, wat in 1917 deur Jan Czochralski voorgestel is, staan ​​ook bekend as dieKristal Trekmetode.

Tans word die CZ-metode wyd gebruik in die voorbereiding van verskeie halfgeleiermateriale. Volgens onvolledige statistieke word ongeveer 98% van elektroniese komponente van monokristallyne silikon gemaak, met 85% van hierdie komponente wat met die CZ-metode vervaardig word.

Die CZ-metode word verkies vanweë sy uitstekende kristalgehalte, beheerbare grootte, vinnige groeikoers en hoë produksiedoeltreffendheid. Hierdie eienskappe maak CZ-monokristallyne silikon die voorkeurmateriaal om aan die hoëgehalte-, grootskaalse vraag in die elektroniese industrie te voldoen.

Die groeibeginsel van CZ monokristallyne silikon is soos volg:

Die CZ-proses vereis hoë temperature, 'n vakuum en 'n geslote omgewing. Die belangrikste toerusting vir hierdie proses is diekristalgroei-oond, wat hierdie toestande vergemaklik.

Die volgende diagram illustreer die struktuur van 'n kristalgroeioond.

In die CZ-proses word suiwer silikon in 'n kroesie geplaas, gesmelt, en 'n saadkristal word in die gesmelte silikon ingebring. Deur parameters soos temperatuur, trekspoed en kroesie se rotasiespoed presies te beheer, herorganiseer atome of molekules by die koppelvlak van die saadkristal en gesmelte silikon voortdurend, stol soos die stelsel afkoel en vorm uiteindelik 'n enkele kristal.

Hierdie kristalgroeitegniek produseer hoëgehalte, grootdeursnee monokristallyne silikon met spesifieke kristaloriëntasies.

Die groeiproses behels verskeie belangrike stappe, insluitend:

1. Demontage en LaaiVerwydering van die kristal en deeglike skoonmaak van die oond en komponente van kontaminante soos kwarts, grafiet of ander onsuiwerhede.

2. Vakuum en smeltingDie stelsel word tot 'n vakuum geledig, gevolg deur die invoer van argongas en die verhitting van die silikonlading.

3. Kristal TrekDie saadkristal word in die gesmelte silikon laat sak, en die koppelvlaktemperatuur word noukeurig beheer om behoorlike kristallisasie te verseker.

4. Skouer- en DiameterbeheerSoos die kristal groei, word die deursnee daarvan noukeurig gemonitor en aangepas om eenvormige groei te verseker.

5. Einde van Groei en OondsluitingSodra die verlangde kristalgrootte bereik is, word die oond afgeskakel en die kristal verwyder.

Die gedetailleerde stappe in hierdie proses verseker die skepping van hoëgehalte, defekvrye monokristalle wat geskik is vir halfgeleiervervaardiging.

4. Uitdagings in Monokristallyne Silikonproduksie

Een van die grootste uitdagings in die vervaardiging van halfgeleier-monokristalle met groot deursnee lê in die oorkoming van die tegniese knelpunte tydens die groeiproses, veral in die voorspelling en beheer van kristaldefekte:

1. Inkonsekwente Monokristalkwaliteit en Lae OpbrengsSoos die grootte van die silikonmonokristalle toeneem, neem die kompleksiteit van die groeiomgewing toe, wat dit moeilik maak om faktore soos die termiese, vloei- en magnetiese velde te beheer. Dit bemoeilik die taak om konsekwente kwaliteit en hoër opbrengste te behaal.

2. Onstabiele BeheerprosesDie groeiproses van halfgeleier-silikonmonokristalle is hoogs kompleks, met verskeie fisiese velde wat interaksie het, wat beheerpresisie onstabiel maak en lei tot lae produkopbrengste. Huidige beheerstrategieë fokus hoofsaaklik op die makroskopiese dimensies van die kristal, terwyl kwaliteit steeds aangepas word op grond van handmatige ervaring, wat dit moeilik maak om aan die vereistes vir mikro- en nano-vervaardiging in IC-skyfies te voldoen.

Om hierdie uitdagings aan te spreek, is die ontwikkeling van intydse, aanlyn moniterings- en voorspellingsmetodes vir kristalgehalte dringend nodig, tesame met verbeterings in beheerstelsels om stabiele, hoëgehalte-produksie van groot monokristalle vir gebruik in geïntegreerde stroombane te verseker.