Монокристаллдуу кремний өстүрүү методдорунун комплекстүү баяндамасы

Монокристаллдуу кремний өстүрүү методдорунун комплекстүү баяндамасы

1. Кремнийдин монокристаллдык өнүгүүсүнүн негиздери

Технологиянын өнүгүшү жана жогорку эффективдүү акылдуу продуктыларга болгон суроо-талаптын өсүшү интегралдык микросхема (IC) өнөр жайынын улуттук өнүгүүдөгү негизги позициясын ого бетер бекемдеди. IC тармагынын негизи катары жарым өткөргүчтүү монокристалл кремний технологиялык инновацияларды жана экономикалык өсүштү камсыз кылууда маанилүү ролду ойнойт.

Эл аралык жарым өткөргүч өнөр жай ассоциациясынын маалыматы боюнча, жарым өткөргүч пластинкасынын дүйнөлүк рыногу 12,6 миллиард доллар сатуу көрсөткүчүнө жетип, ташуулар 14,2 миллиард чарчы дюймга чейин өстү. Мындан тышкары, кремний пластинкаларына суроо-талап тынымсыз өсүүдө.

Бирок, глобалдык кремний пластинка өнөр жайы абдан топтолгон, төмөндө көрсөтүлгөндөй, рынок үлүшүнүн 85% дан ашыгы үстөмдүк кылган эң мыкты беш берүүчү:

• Shin-Etsu Chemical (Япония)

• SUMCO (Япония)

• Global Wafers

• Siltronic (Германия)

• SK Siltron (Түштүк Корея)

Бул олигополия Кытайдын импорттолуучу монокристаллдуу кремний пластинкаларына көз каранды болушуна алып келет, бул өлкөнүн интегралдык микросхема өнөр жайынын өнүгүүсүн чектеген негизги тоскоолдуктардын бири болуп калды.

Жарым өткөргүч кремний монокристалл өндүрүү тармагындагы учурдагы кыйынчылыктарды жеңүү үчүн, изилдөө жана иштеп чыгууга инвестициялоо жана ата мекендик өндүрүштүк мүмкүнчүлүктөрдү бекемдөө сөзсүз тандоо болуп саналат.

2. Монокристаллдык кремний материалына сереп салуу

Монокристаллдуу кремний интегралдык микросхема өнөр жайынын негизи болуп саналат. Бүгүнкү күндө IC микросхемалардын жана электрондук аппараттардын 90% дан ашыгы негизги материал катары монокристаллдык кремнийди колдонуу менен жасалган. монокристаллдуу кремнийге жана анын ар түрдүү өнөр жайлык колдонмолоруна кеңири таралган суроо-талап бир нече факторлорго байланыштуу болушу мүмкүн:

1. Коопсуздук жана экологиялык жактан таза: Кремний жер кыртышында көп, уулуу эмес жана экологиялык жактан таза.

2. Электрдик изоляция: Кремний табигый түрдө электрдик изоляциялык касиеттерди көрсөтөт жана жылуулук менен дарылоодо ал кремний диоксидинин коргоочу катмарын түзөт, ал электрдик заряддын жоголушуна натыйжалуу жол бербейт.

3. Жетилген өсүү технологиясы: Кремний өсүү процесстеринде технологиялык өнүгүүнүн узак тарыхы аны башка жарым өткөргүч материалдарга караганда алда канча татаалдаштырды.

Бул факторлор чогуу монокристалл кремнийди өнөр жайдын алдыңкы сабында кармап, аны башка материалдар менен алмаштырылгыс кылат.

Кристаллдык түзүлүш боюнча монокристалл кремний - үзгүлтүксүз түзүлүштү түзүүчү, мезгилдүү тордо жайгашкан кремний атомдорунан жасалган материал. Бул чип өндүрүшүнүн негизи болуп саналат.

Төмөнкү диаграмма монокристаллдык кремнийди даярдоонун толук процессин көрсөтөт:

Процесске сереп салуу:
Монокристаллдуу кремний кремний рудасынан бир катар тазалоочу кадамдар аркылуу алынат. Биринчиден, поликристалл кремний алынат, андан кийин кристалл өстүрүүчү меште монокристаллдуу кремний куймасы болуп өстүрүлөт. Андан кийин, ал кесилип, жылмаланып, чип өндүрүү үчүн жарактуу кремний пластинкаларына иштетилет.

Кремний пластиналар, адатта, эки категорияга бөлүнөт:фотоэлектрдик классжанажарым өткөргүч класс. Бул эки түрү негизинен түзүлүшү, тазалыгы жана бетинин сапаты боюнча айырмаланат.

• Жарым өткөргүч класстагы пластиналар99,999999999% га чейин өзгөчө жогорку тазалыкка ээ жана монокристаллдуу болушу катуу талап кылынат.

• Фотоэлектрдик класстагы пластиналаразыраак таза, тазалык деңгээли 99,99%дан 99,9999%га чейин жана кристаллдын сапатына мындай катуу талаптар жок.

Мындан тышкары, жарым өткөргүч класстагы пластиналар фотоэлектрдик класстагы пластинкаларга караганда бетинин жылмакайлыгын жана тазалыгын талап кылат. Жарым өткөргүч пластинкалардын жогорку стандарттары аларды даярдоонун татаалдыгын да, колдонуудагы кийинки баалуулугун да жогорулатат.

Төмөнкү диаграмма жарым өткөргүч пластинанын спецификацияларынын эволюциясын чагылдырат, алар алгачкы 4 дюймдук (100 мм) жана 6 дюймдук (150 мм) пластинкалардан азыркы 8 дюймдук (200 мм) жана 12 дюймдук (300 мм) пластинкаларга чейин көбөйгөн.

Чыныгы кремний монокристалын даярдоодо пластинанын өлчөмү колдонуунун түрүнө жана нарк факторлоруна жараша өзгөрөт. Мисалы, эстутум микросхемаларында көбүнчө 12 дюймдук пластиналар колдонулат, ал эми электр жабдуулары көбүнчө 8 дюймдук пластиналарды колдонушат.

Кыскача айтканда, пластинка өлчөмүнүн эволюциясы Мур мыйзамынын жана экономикалык факторлордун натыйжасы болуп саналат. Чоңураак пластинка өлчөмү ошол эле кайра иштетүү шарттарында кремний аянтын көбүрөөк колдонууга мүмкүндүк берет, өндүрүштүк чыгымдарды азайтат, ошол эле учурда пластинкалардын четтеринен калдыктарды азайтат.

Заманбап технологиялык өнүгүүдө чечүүчү материал катары жарым өткөргүч кремний пластинкалары фотолитография жана иондук имплантация сыяктуу так процесстер аркылуу ар кандай электрондук түзүлүштөрдү, анын ичинде жогорку кубаттуулуктагы түзөткүчтөрдү, транзисторлорду, биполярдык транзисторлорду жана коммутациялык түзүлүштөрдү өндүрүүгө мүмкүндүк берет. Бул аппараттар улуттук экономиканы өнүктүрүүнүн жана технологиялык инновациялардын негизин түзгөн жасалма интеллект, 5G байланышы, автомобиль электроникасы, нерселердин интернети жана аэрокосмос сыяктуу тармактарда негизги ролду ойнойт.

3. Монокристаллдуу кремний өстүрүү технологиясы

TheCzochralski (CZ) ыкмасыэритмеден жогорку сапаттагы монокристаллдык материалды алуу үчүн эффективдүү процесс. 1917-жылы Ян Цочральский тарабынан сунушталган бул ыкма ошондой эле белгилүүCrystal Pullingыкмасы.

Учурда CZ ыкмасы ар кандай жарым өткөргүч материалдарды даярдоодо кеңири колдонулат. Толук эмес статистикага ылайык, электрондук компоненттердин болжол менен 98% монокристалл кремнийден жасалган, бул компоненттердин 85% CZ ыкмасы менен өндүрүлгөн.

CZ ыкмасы, анткени анын мыкты кристалл сапаты, контролдонуучу өлчөмү, тез өсүү темпи жана жогорку өндүрүштүн натыйжалуулугун жактырышат. Бул мүнөздөмөлөр CZ монокристаллдуу кремнийди электроника тармагындагы жогорку сапаттагы, масштабдуу суроо-талапты канааттандыруу үчүн артыкчылыктуу материал кылат.

CZ монокристалл кремнийинин өсүү принциби төмөнкүдөй:

CZ процесси жогорку температураны, вакуумду жана жабык чөйрөнү талап кылат. Бул процесс үчүн негизги жабдуулар болуп саналаткристалл өстүрүүчү меш, бул шарттарды жеңилдетет.

Төмөнкү диаграмма кристалл өстүрүүчү мештин түзүлүшүн көрсөтөт.

CZ процессинде таза кремний тигельге салынып, эритип, эриген кремнийге урук кристалл киргизилет. Температура, тартылуу ылдамдыгы жана тигелдин айлануу ылдамдыгы сыяктуу параметрлерди так көзөмөлдөө менен урук кристаллынын жана эриген кремнийдин интерфейсиндеги атомдор же молекулалар система муздаган сайын катууланып, акырында бир кристалл түзүшөт.

Бул кристалл өстүрүү ыкмасы белгилүү кристалл багыттары менен жогорку сапаттагы, чоң диаметрдеги монокристаллдуу кремнийди чыгарат.

өсүү процесси бир нече негизги кадамдарды камтыйт, анын ичинде:

1. Демонтаждоо жана жүктөө: Кристалды алып салуу жана мешти жана компоненттерди кварц, графит же башка аралашмалар сыяктуу булгоочу заттардан кылдат тазалоо.

2. Вакуум жана эрүү: Система вакуумга эвакуацияланат, андан кийин аргон газын киргизүү жана кремний зарядын ысытуу.

3. Crystal Pulling: урук кристалл эриген кремнийге түшүрүлөт, жана Interface температурасы кылдаттык менен туура кристаллдашуу камсыз кылуу үчүн көзөмөлдөнөт.

4. Ийиндерин жана диаметрин көзөмөлдөө: Кристалл өскөн сайын, анын диаметри кылдаттык менен көзөмөлдөнүп, бир калыпта өсүшүн камсыз кылуу үчүн жөнгө салынат.

5. Өсүүнүн бүтүшү жана мештин өчүрүлүшү: Керектүү кристалл өлчөмүнө жеткенден кийин, меш жабылат жана кристалл алынып салынат.

Бул процесстеги деталдуу кадамдар жарым өткөргүчтөрдү өндүрүүгө ылайыктуу, сапаттуу, кемчиликсиз монокристаллдарды түзүүнү камсыз кылат.

4. Монокристаллдуу кремний өндүрүшүндөгү кыйынчылыктар

Чоң диаметрдеги жарым өткөргүч монокристаллдарды өндүрүүдөгү негизги көйгөйлөрдүн бири өсүү процессиндеги техникалык тоскоолдуктарды жоюу, өзгөчө кристаллдык кемчиликтерди алдын ала айтуу жана көзөмөлдөө:

1. Монокристалл сапаты туура келбеген жана аз түшүмдүүлүк: Кремний монокристаллдарынын өлчөмү чоңойгон сайын өсүү чөйрөсүнүн татаалдыгы жогорулап, жылуулук, агым жана магнит талаасы сыяктуу факторлорду көзөмөлдөөнү кыйындатат. Бул ырааттуу сапатка жана жогорку тушумге жетишуу милдетин кыйындатат.

2. Туруксуз башкаруу процесси: Жарым өткөргүч кремний монокристаллдарынын өсүү процесси өтө татаал, бир нече физикалык талаалар өз ара аракеттенип, контролдун тактыгын туруксуз кылып, продуктунун төмөн түшүмдүүлүгүнө алып келет. Учурдагы башкаруу стратегиялары, негизинен, кристаллдын макроскопиялык өлчөмдөрүнө көңүл бурат, ал эми сапат дагы эле кол менен тажрыйбанын негизинде жөнгө салынып, IC чиптериндеги микро жана нано даярдоо талаптарын канааттандырууну кыйындатат.

Бул көйгөйлөрдү чечүү үчүн интегралдык микросхемаларда колдонуу үчүн чоң монокристаллдарды туруктуу, сапаттуу өндүрүүнү камсыз кылуу үчүн башкаруу системаларын өркүндөтүү менен бирге кристаллдын сапатын реалдуу убакыт режиминде, онлайн режиминде мониторинг жана болжолдоо ыкмаларын иштеп чыгуу тез арада зарыл.