Een uitgebreid overzicht van monokristallijne siliciumgroeimethoden

Een uitgebreid overzicht van monokristallijne siliciumgroeimethoden

1. Achtergrond van de ontwikkeling van monokristallijn silicium

De technologische vooruitgang en de groeiende vraag naar zeer efficiënte slimme producten hebben de kernpositie van de IC-industrie (Integrated Circuits) in de nationale ontwikkeling verder verstevigd. Als hoeksteen van de IC-industrie speelt monokristallijn halfgeleidersilicium een ​​cruciale rol bij het stimuleren van technologische innovatie en economische groei.

Volgens gegevens van de International Semiconductor Industry Association bereikte de wereldwijde markt voor halfgeleiderwafers een omzet van $ 12,6 miljard, met een groei van de leveringen tot 14,2 miljard vierkante inch. Bovendien blijft de vraag naar siliciumwafers gestaag stijgen.

De wereldwijde siliciumwaferindustrie is echter zeer geconcentreerd, waarbij de vijf grootste leveranciers meer dan 85% van het marktaandeel domineren, zoals hieronder te zien is:

• Shin-Etsu Chemical (Japan)

• SUMCO (Japan)

• Wereldwijde wafers

• Siltronic (Duitsland)

• SK Siltron (Zuid-Korea)

Door dit oligopolie is China sterk afhankelijk van de import van monokristallijne siliciumwafers. Dit is een van de grootste knelpunten geworden voor de ontwikkeling van de Chinese industrie voor geïntegreerde schakelingen.

Om de huidige uitdagingen in de sector voor de productie van monokristallijn siliciumhalfgeleiders het hoofd te bieden, is investeren in onderzoek en ontwikkeling en het versterken van de binnenlandse productiecapaciteit een onvermijdelijke keuze.

2. Overzicht van monokristallijn siliciummateriaal

Monokristallijn silicium vormt de basis van de geïntegreerde schakelingenindustrie. Tegenwoordig wordt meer dan 90% van de IC-chips en elektronische apparaten gemaakt met monokristallijn silicium als basismateriaal. De brede vraag naar monokristallijn silicium en de diverse industriële toepassingen ervan kunnen worden toegeschreven aan verschillende factoren:

1. Veiligheid en milieuvriendelijk: Silicium komt veel voor in de aardkorst, is niet giftig en milieuvriendelijk.

2. Elektrische isolatieSilicium heeft van nature elektrische isolatie-eigenschappen en vormt tijdens de warmtebehandeling een beschermende laag van siliciumdioxide, die effectief voorkomt dat er elektrische lading verloren gaat.

3. Volwassen groeitechnologie:De lange geschiedenis van technologische ontwikkeling in siliciumgroeiprocessen heeft ervoor gezorgd dat het veel geavanceerder is dan andere halfgeleidermaterialen.

Al deze factoren zorgen ervoor dat monokristallijn silicium een ​​vooraanstaande positie in de industrie inneemt en onvervangbaar is door andere materialen.

Qua kristalstructuur is monokristallijn silicium een ​​materiaal dat bestaat uit siliciumatomen die in een periodiek rooster zijn gerangschikt en zo een continue structuur vormen. Het vormt de basis van de chipindustrie.

Het onderstaande diagram illustreert het volledige proces van de bereiding van monokristallijn silicium:

Procesoverzicht:
Monokristallijn silicium wordt verkregen uit siliciumerts via een reeks raffinagestappen. Eerst wordt polykristallijn silicium verkregen, dat vervolgens in een kristalgroeioven wordt gekweekt tot een monokristallijn siliciumstaafje. Vervolgens wordt het gesneden, gepolijst en verwerkt tot siliciumwafers die geschikt zijn voor chipproductie.

Siliciumwafers worden doorgaans onderverdeeld in twee categorieën:fotovoltaïsche kwaliteitEnhalfgeleiderkwaliteitDeze twee typen verschillen voornamelijk in structuur, zuiverheid en oppervlaktekwaliteit.

• Wafers van halfgeleiderkwaliteithebben een uitzonderlijk hoge zuiverheid van maar liefst 99,999999999% en moeten absoluut monokristallijn zijn.

• Wafers van fotovoltaïsche kwaliteitzijn minder zuiver, met zuiverheidsniveaus variërend van 99,99% tot 99,9999%, en stellen niet zulke strenge eisen aan de kristalkwaliteit.

Bovendien vereisen wafers van halfgeleiderkwaliteit een hogere oppervlaktegladheid en reinheid dan wafers van fotovoltaïsche kwaliteit. De hogere eisen aan halfgeleiderwafers verhogen zowel de complexiteit van hun voorbereiding als hun uiteindelijke waarde in toepassingen.

De onderstaande grafiek geeft de ontwikkeling van de specificaties voor halfgeleiderwafers weer. Deze zijn toegenomen van de eerste 4-inch (100 mm) en 6-inch (150 mm) wafers tot de huidige 8-inch (200 mm) en 12-inch (300 mm) wafers.

Bij de daadwerkelijke bereiding van siliciummonokristallen varieert de wafergrootte afhankelijk van het type toepassing en de kostenfactoren. Zo gebruiken geheugenchips vaak wafers van 12 inch, terwijl vermogensapparaten vaak wafers van 8 inch gebruiken.

Kortom, de evolutie van de wafergrootte is het resultaat van zowel de Wet van Moore als economische factoren. Een grotere wafer maakt de groei van meer bruikbaar siliciumoppervlak mogelijk onder dezelfde verwerkingsomstandigheden, waardoor de productiekosten dalen en de hoeveelheid afval van waferranden wordt geminimaliseerd.

Als cruciaal materiaal in de moderne technologische ontwikkeling maken halfgeleidersiliciumwafers, dankzij nauwkeurige processen zoals fotolithografie en ionenimplantatie, de productie van diverse elektronische apparaten mogelijk, waaronder hoogvermogengelijkrichters, transistors, bipolaire junctietransistoren en schakelapparatuur. Deze apparaten spelen een sleutelrol in sectoren zoals kunstmatige intelligentie, 5G-communicatie, auto-elektronica, het internet der dingen en de lucht- en ruimtevaart en vormen de hoeksteen van de nationale economische ontwikkeling en technologische innovatie.

3. Monokristallijne siliciumgroeitechnologie

DeCzochralski (CZ) Methodis een efficiënt proces om hoogwaardig monokristallijn materiaal uit de smelt te halen. Deze methode, voorgesteld door Jan Czochralski in 1917, staat ook bekend als deKristal trekkenmethode.

De CZ-methode wordt momenteel veel gebruikt bij de productie van diverse halfgeleidermaterialen. Volgens onvolledige statistieken wordt ongeveer 98% van de elektronische componenten gemaakt van monokristallijn silicium, waarvan 85% met behulp van de CZ-methode.

De CZ-methode geniet de voorkeur vanwege de uitstekende kristalkwaliteit, de regelbare grootte, de snelle groeisnelheid en de hoge productie-efficiëntie. Deze eigenschappen maken CZ monokristallijn silicium tot het voorkeursmateriaal om te voldoen aan de hoge, grootschalige vraag in de elektronica-industrie.

Het groeiprincipe van CZ monokristallijn silicium is als volgt:

Het CZ-proces vereist hoge temperaturen, vacuüm en een gesloten omgeving. De belangrijkste apparatuur voor dit proces is dekristalgroei oven, wat deze omstandigheden bevordert.

Het onderstaande diagram illustreert de structuur van een kristalgroeioven.

Bij het CZ-proces wordt zuiver silicium in een kroes geplaatst, gesmolten en wordt een kiemkristal in het gesmolten silicium gebracht. Door parameters zoals temperatuur, trekkracht en rotatiesnelheid van de kroes nauwkeurig te regelen, reorganiseren atomen of moleculen op het grensvlak van het kiemkristal en het gesmolten silicium zich continu. Ze stollen naarmate het systeem afkoelt en vormen uiteindelijk een enkel kristal.

Met deze kristalgroeitechniek wordt hoogwaardig monokristallijn silicium met een grote diameter en specifieke kristaloriëntaties geproduceerd.

Het groeiproces omvat verschillende belangrijke stappen, waaronder:

1. Demontage en laden:Het verwijderen van het kristal en het grondig reinigen van de oven en componenten om verontreinigingen zoals kwarts, grafiet en andere onzuiverheden te verwijderen.

2. Vacuüm en smelten:Het systeem wordt vacuüm gezogen, waarna argongas wordt geïntroduceerd en de siliciumlading wordt verhit.

3. Kristal trekken:Het zaadkristal wordt in het gesmolten silicium gedompeld en de temperatuur aan de interface wordt zorgvuldig geregeld om een ​​goede kristallisatie te garanderen.

4. Schouder- en diametercontrole:Naarmate het kristal groeit, wordt de diameter ervan nauwkeurig gecontroleerd en aangepast om een ​​gelijkmatige groei te garanderen.

5. Einde van de groei en sluiting van de oven:Zodra de gewenste kristalgrootte is bereikt, wordt de oven uitgeschakeld en wordt het kristal verwijderd.

De gedetailleerde stappen in dit proces zorgen voor de creatie van hoogwaardige, defectvrije monokristallen die geschikt zijn voor de productie van halfgeleiders.

4. Uitdagingen bij de productie van monokristallijn silicium

Een van de grootste uitdagingen bij de productie van halfgeleidermonokristallen met een grote diameter ligt in het overwinnen van de technische knelpunten tijdens het groeiproces, met name bij het voorspellen en beheersen van kristaldefecten:

1. Inconsistente monokristalkwaliteit en lage opbrengst: Naarmate de grootte van de siliciummonokristallen toeneemt, neemt de complexiteit van de groeiomgeving toe, waardoor het moeilijk wordt om factoren zoals thermische, stromings- en magnetische velden te beheersen. Dit compliceert de taak om een ​​consistente kwaliteit en hogere opbrengsten te bereiken.

2. Onstabiel controleprocesHet groeiproces van halfgeleider-siliciummonokristallen is zeer complex, met interactie tussen meerdere fysieke velden, waardoor de regelnauwkeurigheid instabiel is en de productopbrengsten laag zijn. Huidige regelstrategieën richten zich voornamelijk op de macroscopische afmetingen van het kristal, terwijl de kwaliteit nog steeds wordt aangepast op basis van handmatige ervaring. Dit maakt het moeilijk om te voldoen aan de eisen voor micro- en nanofabricage in IC-chips.

Om deze uitdagingen aan te pakken, is er dringend behoefte aan de ontwikkeling van realtime, online monitoring- en voorspellingsmethoden voor de kristalkwaliteit, evenals aan verbeteringen in controlesystemen om een ​​stabiele, hoogwaardige productie van grote monokristallen voor gebruik in geïntegreerde schakelingen te garanderen.