Komplexní přehled metod růstu monokrystalického křemíku

Komplexní přehled metod růstu monokrystalického křemíku

1. Pozadí vývoje monokrystalického křemíku

Technologický pokrok a rostoucí poptávka po vysoce účinných inteligentních produktech dále upevnily klíčovou pozici průmyslu integrovaných obvodů (IC) v národním rozvoji. Jakožto základní kámen průmyslu IC hraje polovodičový monokrystalický křemík zásadní roli v podpoře technologických inovací a hospodářského růstu.

Podle údajů Mezinárodní asociace polovodičového průmyslu dosáhl globální trh s polovodičovými destičkami obratu 12,6 miliardy dolarů, přičemž dodávky vzrostly na 14,2 miliardy čtverečních palců. Poptávka po křemíkových destičkách navíc neustále roste.

Globální průmysl křemíkových destiček je však vysoce koncentrovaný, přičemž pět největších dodavatelů dominuje více než 85 % tržního podílu, jak je uvedeno níže:

• Shin-Etsu Chemical (Japonsko)

• SUMCO (Japonsko)

• Globální oplatky

• Siltronic (Německo)

• SK Siltron (Jižní Korea)

Tento oligopol má za následek silnou závislost Číny na dovážených monokrystalických křemíkových destičkách, což se stalo jednou z klíčových překážek omezujících rozvoj odvětví integrovaných obvodů v zemi.

Pro překonání současných výzev v sektoru výroby polovodičových křemíkových monokrystalů je nevyhnutelnou volbou investice do výzkumu a vývoje a posilování domácích výrobních kapacit.

2. Přehled monokrystalického křemíkového materiálu

Monokrystalický křemík je základem průmyslu integrovaných obvodů. V současné době se více než 90 % integrovaných obvodů a elektronických zařízení vyrábí s použitím monokrystalického křemíku jako primárního materiálu. Širokou poptávku po monokrystalickém křemíku a jeho rozmanité průmyslové aplikace lze připsat několika faktorům:

1. Bezpečnost a šetrnost k životnímu prostředíKřemík se hojně vyskytuje v zemské kůře, je netoxický a šetrný k životnímu prostředí.

2. Elektrická izolaceKřemík přirozeně vykazuje elektroizolační vlastnosti a po tepelném zpracování vytváří ochrannou vrstvu oxidu křemičitého, která účinně zabraňuje ztrátě elektrického náboje.

3. Technologie pro zralý růstDlouhá historie technologického vývoje v procesech růstu křemíku z něj učinila mnohem sofistikovanější materiál než jiné polovodičové materiály.

Díky těmto faktorům je monokrystalický křemík v popředí průmyslu a je nenahraditelný jinými materiály.

Co se týče krystalové struktury, monokrystalický křemík je materiál složený z atomů křemíku uspořádaných v periodické mřížce, které tvoří spojitou strukturu. Je základem průmyslu výroby čipů.

Následující diagram znázorňuje kompletní proces přípravy monokrystalického křemíku:

Přehled procesu:
Monokrystalický křemík se získává z křemíkové rudy řadou rafinačních kroků. Nejprve se získá polykrystalický křemík, který se poté v peci pro růst krystalů vypěstuje do monokrystalického křemíkového ingotu. Poté se řeže, leští a zpracovává do křemíkových destiček vhodných pro výrobu čipů.

Křemíkové destičky se obvykle dělí do dvou kategorií:fotovoltaické kvalityapolovodičové kvalityTyto dva typy se liší hlavně strukturou, čistotou a kvalitou povrchu.

• Polovodičové destičkymají výjimečně vysokou čistotu až 99,999999999 % a je striktně vyžadováno, aby byly monokrystalické.

• Destičky fotovoltaické kvalityjsou méně čisté, s úrovní čistoty v rozmezí od 99,99 % do 99,9999 %, a nemají tak přísné požadavky na kvalitu krystalů.

Kromě toho polovodičové destičky vyžadují vyšší hladkost a čistotu povrchu než destičky fotovoltaické kvality. Vyšší standardy pro polovodičové destičky zvyšují jak složitost jejich přípravy, tak i jejich následnou hodnotu v aplikacích.

Následující graf znázorňuje vývoj specifikací polovodičových destiček, které se zvýšily od raných 4palcových (100 mm) a 6palcových (150 mm) destiček až po současné 8palcové (200 mm) a 12palcové (300 mm) destičky.

Při skutečné přípravě křemíkových monokrystalů se velikost destičky liší v závislosti na typu aplikace a cenových faktorech. Například paměťové čipy běžně používají 12palcové destičky, zatímco výkonová zařízení často používají 8palcové destičky.

Stručně řečeno, vývoj velikosti destičky je výsledkem jak Mooreova zákona, tak ekonomických faktorů. Větší velikost destičky umožňuje růst větší využitelné křemíkové plochy za stejných podmínek zpracování, což snižuje výrobní náklady a zároveň minimalizuje odpad z okrajů destičky.

Jako klíčový materiál v moderním technologickém rozvoji umožňují polovodičové křemíkové destičky pomocí přesných procesů, jako je fotolitografie a iontová implantace, výrobu různých elektronických zařízení, včetně vysoce výkonných usměrňovačů, tranzistorů, bipolárních tranzistorů a spínacích zařízení. Tato zařízení hrají klíčovou roli v oblastech, jako je umělá inteligence, 5G komunikace, automobilová elektronika, internet věcí a letectví a kosmonautika, a tvoří základní kámen národního hospodářského rozvoje a technologických inovací.

3. Technologie růstu monokrystalického křemíku

Ten/Ta/ToCzochralského (CZ) metodaje účinný proces pro získávání vysoce kvalitního monokrystalického materiálu z taveniny. Tato metoda, kterou navrhl Jan Czochralski v roce 1917, je také známá jakoTahání krystalůmetoda.

V současné době se metoda CZ široce používá při přípravě různých polovodičových materiálů. Podle neúplných statistik je asi 98 % elektronických součástek vyrobeno z monokrystalického křemíku, přičemž 85 % těchto součástek je vyrobeno metodou CZ.

Metoda CZ je upřednostňována díky své vynikající kvalitě krystalů, kontrolovatelné velikosti, rychlé rychlosti růstu a vysoké efektivitě výroby. Díky těmto vlastnostem je monokrystalický křemík CZ preferovaným materiálem pro uspokojení poptávky po vysoce kvalitních materiálech ve velkém měřítku v elektronickém průmyslu.

Princip růstu monokrystalického křemíku CZ je následující:

Proces CZ vyžaduje vysoké teploty, vakuum a uzavřené prostředí. Klíčovým zařízením pro tento proces jepec pro růst krystalů, což tyto podmínky usnadňuje.

Následující diagram znázorňuje strukturu pece pro růst krystalů.

V procesu CZ se čistý křemík umístí do kelímku, roztaví se a do roztaveného křemíku se zavede zárodečný krystal. Přesnou regulací parametrů, jako je teplota, rychlost tažení a rychlost otáčení kelímku, se atomy nebo molekuly na rozhraní zárodečného krystalu a roztaveného křemíku neustále reorganizují, tuhnou s ochlazováním systému a nakonec tvoří monokrystal.

Tato technika růstu krystalů produkuje vysoce kvalitní monokrystalický křemík o velkém průměru se specifickou orientací krystalů.

Proces růstu zahrnuje několik klíčových kroků, včetně:

1. Demontáž a nakládáníVyjmutí krystalu a důkladné vyčištění pece a jejích součástí od nečistot, jako je křemen, grafit nebo jiné nečistoty.

2. Vakuum a taveníSystém se evakuuje do vakua, následuje zavedení argonu a zahřátí křemíkové vsázky.

3. Tahání krystalůZárodečný krystal se spustí do roztaveného křemíku a teplota rozhraní se pečlivě reguluje, aby se zajistila správná krystalizace.

4. Okrajování a kontrola průměruJak krystal roste, jeho průměr se pečlivě sleduje a upravuje, aby se zajistil rovnoměrný růst.

5. Konec růstu a odstavení peceJakmile je dosaženo požadované velikosti krystalů, pec se vypne a krystal se vyjme.

Detailní kroky tohoto procesu zajišťují vytvoření vysoce kvalitních monokrystalů bez defektů vhodných pro výrobu polovodičů.

4. Problémy s výrobou monokrystalického křemíku

Jednou z hlavních výzev při výrobě polovodičových monokrystalů s velkým průměrem je překonání technických úzkých míst během procesu růstu, zejména v predikci a kontrole krystalových defektů:

1. Nekonzistentní kvalita monokrystalů a nízký výtěžekS rostoucí velikostí křemíkových monokrystalů se zvyšuje složitost růstového prostředí, což ztěžuje kontrolu faktorů, jako jsou tepelná, proudová a magnetická pole. To komplikuje úkol dosažení konzistentní kvality a vyšších výtěžků.

2. Nestabilní regulační procesProces růstu polovodičových křemíkových monokrystalů je velmi složitý, s interakcí více fyzikálních polí, což vede k nestabilní přesnosti řízení a nízkým výtěžkům produktů. Současné strategie řízení se zaměřují především na makroskopické rozměry krystalu, zatímco kvalita se stále upravuje na základě manuálních zkušeností, což ztěžuje splnění požadavků na mikro a nano výrobu integrovaných obvodů.

Pro řešení těchto výzev je naléhavě nutný vývoj metod pro online monitorování a predikci kvality krystalů v reálném čase a zároveň vylepšení řídicích systémů, které zajistí stabilní a vysoce kvalitní výrobu velkých monokrystalů pro použití v integrovaných obvodech.