Kattava katsaus monokiteisen piin kasvatusmenetelmiin

Kattava katsaus monokiteisen piin kasvatusmenetelmiin

1. Monokiteisen piin kehityksen tausta

Teknologian kehitys ja tehokkaiden älytuotteiden kasvava kysyntä ovat vahvistaneet integroitujen piirien (IC) teollisuuden ydinasemaa kansallisessa kehityksessä. IC-teollisuuden kulmakivenä puolijohdemonokiteinen pii on elintärkeä teknologisen innovaation ja talouskasvun edistäjä.

Kansainvälisen puolijohdeteollisuusyhdistyksen (International Semiconductor Industry Association) tietojen mukaan puolijohdekiekkojen maailmanmarkkinat saavuttivat 12,6 miljardin dollarin myyntiluvun ja toimitukset kasvoivat 14,2 miljardiin neliötuumaan. Lisäksi piikiekkojen kysyntä kasvaa edelleen tasaisesti.

Maailmanlaajuinen piikiekkojen teollisuus on kuitenkin erittäin keskittynyt, ja viisi suurinta toimittajaa hallitsee yli 85 %:n markkinaosuutta, kuten alla on esitetty:

• Shin-Etsu Chemical (Japani)

• SUMCO (Japani)

• Globaalit kiekot

• Siltronic (Saksa)

• SK Siltron (Etelä-Korea)

Tämä oligopoli johtaa Kiinan voimakkaaseen riippuvuuteen tuoduista monokiteisistä piikiekoista, mikä on tullut yhdeksi keskeisistä pullonkauloista, jotka rajoittavat maan integroitujen piirien teollisuuden kehitystä.

Puolijohdepiimonokristallivalmistuksen nykyisten haasteiden voittamiseksi investoinnit tutkimukseen ja kehitykseen sekä kotimaisten tuotantovalmiuksien vahvistaminen ovat väistämättömiä valintoja.

2. Yleiskatsaus monokiteiseen piimateriaaliin

Monokiteinen pii on integroitujen piirien teollisuuden perusta. Tähän mennessä yli 90 % IC-siruista ja elektronisista laitteista valmistetaan käyttäen monokiteistä piitä päämateriaalina. Monokiteisen piin ja sen monipuolisten teollisten sovellusten laaja kysyntä voidaan selittää useilla tekijöillä:

1. Turvallinen ja ympäristöystävällinenPiitä on runsaasti maankuoressa, myrkytöntä ja ympäristöystävällistä.

2. SähköeristysPii omaa luonnostaan ​​sähköneristysominaisuuksia, ja lämpökäsittelyssä se muodostaa suojaavan piidioksidikerroksen, joka estää tehokkaasti sähkövarauksen menetyksen.

3. Kypsän kasvun teknologiaPiin kasvatusprosessien pitkä teknologisen kehityksen historia on tehnyt siitä paljon kehittyneemmän kuin muut puolijohdemateriaalit.

Nämä tekijät yhdessä pitävät monokiteisen piin alan eturintamassa, mikä tekee siitä korvaamattoman muille materiaaleille.

Kiderakenteensa puolesta monokiteinen pii on materiaali, joka on valmistettu piiatomien järjestäytymisestä jaksolliseen hilaan muodostaen jatkuvan rakenteen. Se on sirujen valmistusteollisuuden perusta.

Seuraava kaavio havainnollistaa monokiteisen piin valmistuksen koko prosessia:

Prosessin yleiskatsaus:
Monokiteinen pii saadaan piimalmista useiden jalostusvaiheiden kautta. Ensin saadaan polykiteistä piitä, joka sitten kasvatetaan monokiteiseksi piiharkoksi kiteenkasvatusuunissa. Sen jälkeen se leikataan, kiillotetaan ja jalostetaan sirujen valmistukseen soveltuviksi piikiekoiksi.

Piikiekot jaetaan tyypillisesti kahteen luokkaan:aurinkosähkölaatuinenjapuolijohdelaatuinenNämä kaksi tyyppiä eroavat toisistaan ​​pääasiassa rakenteensa, puhtautensa ja pinnanlaatunsa suhteen.

• Puolijohdelaatuiset kiekotniiden puhtaus on poikkeuksellisen korkea, jopa 99,999999999 %, ja niiden on ehdottomasti oltava yksikiteisiä.

• Aurinkosähkölaatuiset kiekotovat vähemmän puhtaita, puhtausasteiden vaihdellessa 99,99 %:sta 99,9999 %:iin, eikä niillä ole yhtä tiukkoja vaatimuksia kiteiden laadulle.

Lisäksi puolijohdelaatuisten kiekkojen pinnan on oltava sileämpi ja puhtaampi kuin aurinkosähkölaatuisten kiekkojen. Puolijohdekiekkojen korkeammat standardit lisäävät sekä niiden valmistuksen monimutkaisuutta että niiden myöhempää arvoa sovelluksissa.

Seuraava kaavio hahmottelee puolijohdekiekkojen spesifikaatioiden kehitystä, joka on kasvanut varhaisista 4 tuuman (100 mm) ja 6 tuuman (150 mm) kiekoista nykyisiin 8 tuuman (200 mm) ja 12 tuuman (300 mm) kiekkoihin.

Varsinaisessa piimonokiteiden valmistuksessa kiekkojen koko vaihtelee sovellustyypin ja kustannustekijöiden mukaan. Esimerkiksi muistisiruissa käytetään yleisesti 12-tuumaisia ​​kiekkoja, kun taas teholähteissä käytetään usein 8-tuumaisia ​​kiekkoja.

Yhteenvetona voidaan todeta, että kiekkojen koon kehitys on sekä Mooren lain että taloudellisten tekijöiden tulosta. Suurempi kiekkokoko mahdollistaa käyttökelpoisemman piipinta-alan kasvun samoissa prosessointiolosuhteissa, mikä alentaa tuotantokustannuksia ja minimoi kiekkojen reunojen jätteen.

Nykyaikaisen teknologisen kehityksen keskeisenä materiaalina puolijohdepiikiekot mahdollistavat tarkkojen prosessien, kuten fotolitografian ja ioni-istutuksen, avulla erilaisten elektronisten laitteiden, kuten suuritehoisten tasasuuntaajien, transistoreiden, bipolaariliitostransistoreiden ja kytkinlaitteiden, tuotannon. Näillä laitteilla on keskeinen rooli esimerkiksi tekoälyn, 5G-viestinnän, autoelektroniikan, esineiden internetin ja ilmailuteollisuuden aloilla, ja ne muodostavat kansallisen taloudellisen kehityksen ja teknologisen innovaation kulmakiven.

3. Monokiteisen piin kasvuteknologia

TheCzochralskin (Tšekin) menetelmäon tehokas prosessi korkealaatuisen monokiteisen materiaalin vetämiseksi sulasta. Jan Czochralskin vuonna 1917 ehdottama menetelmä tunnetaan myös nimelläKristallin vetäminenmenetelmä.

Tällä hetkellä CZ-menetelmää käytetään laajalti erilaisten puolijohdemateriaalien valmistuksessa. Epätäydellisten tilastojen mukaan noin 98 % elektroniikkakomponenteista on valmistettu yksikiteisestä piistä, ja näistä komponenteista 85 % on valmistettu CZ-menetelmällä.

CZ-menetelmää suositaan sen erinomaisen kidelaadun, hallittavan koon, nopean kasvunopeuden ja korkean tuotantotehokkuuden vuoksi. Nämä ominaisuudet tekevät CZ-monokiteisestä piistä ensisijaisen materiaalin elektroniikkateollisuuden korkealaatuisen ja laajamittaisen kysynnän tyydyttämiseen.

CZ-monokiteisen piin kasvuperiaate on seuraava:

CZ-prosessi vaatii korkeita lämpötiloja, tyhjiön ja suljetun ympäristön. Tämän prosessin keskeiset laitteet ovatkristallinkasvatusuuni, mikä helpottaa näitä olosuhteita.

Seuraava kaavio havainnollistaa kiteenkasvatusuunin rakennetta.

CZ-prosessissa puhdas pii asetetaan upokkaaseen, sulatetaan ja sulaan piihin lisätään siemenkide. Säätämällä tarkasti parametreja, kuten lämpötilaa, vetonopeutta ja upokkaan pyörimisnopeutta, siemenkiteen ja sulan piin rajapinnassa olevat atomit tai molekyylit järjestyvät jatkuvasti uudelleen, jähmettyvät järjestelmän jäähtyessään ja lopulta muodostavat yksittäisen kiteen.

Tämä kiteenkasvatustekniikka tuottaa korkealaatuista, suurihalkaisijaista monokiteistä piitä, jolla on tietyt kideorientaatiot.

Kasvuprosessi sisältää useita keskeisiä vaiheita, mukaan lukien:

1. Purkaminen ja lastaaminenKiteen poistaminen ja uunin ja komponenttien perusteellinen puhdistaminen epäpuhtauksista, kuten kvartsista, grafiitista tai muista epäpuhtauksista.

2. Tyhjiö ja sulatusJärjestelmä tyhjennetään, minkä jälkeen siihen johdetaan argonkaasua ja piipanos lämmitetään.

3. Kristallin vetäminenSiemenkide lasketaan sulaan piihin ja rajapinnan lämpötilaa säädetään huolellisesti kiteytymisen varmistamiseksi.

4. Olkapäät ja halkaisijan hallintaKiteen kasvaessa sen halkaisijaa seurataan ja säädetään tarkasti tasaisen kasvun varmistamiseksi.

5. Kasvun loppu ja uunin sammutusKun haluttu kidekoko on saavutettu, uuni sammutetaan ja kide poistetaan.

Tämän prosessin yksityiskohtaiset vaiheet varmistavat korkealaatuisten, virheettömien monokiteiden luomisen, jotka soveltuvat puolijohdevalmistukseen.

4. Monokiteisen piin tuotannon haasteet

Yksi suurimmista haasteista suuriläpimittaisten puolijohdemonokiteiden valmistuksessa on teknisten pullonkaulojen voittaminen kasvuprosessin aikana, erityisesti kidevirheiden ennustamisessa ja hallinnassa:

1. Epäjohdonmukainen monokiteiden laatu ja alhainen saantoPiimonokkiteiden koon kasvaessa kasvuympäristön monimutkaisuus kasvaa, mikä vaikeuttaa sellaisten tekijöiden kuin lämpö-, virtaus- ja magneettikenttien hallintaa. Tämä vaikeuttaa tasaisen laadun ja suurempien saantojen saavuttamista.

2. Epävakaa ohjausprosessiPuolijohdepiimonokiteiden kasvuprosessi on erittäin monimutkainen, ja siinä on useita fysikaalisia kenttiä, jotka vaikuttavat toisiinsa. Tämä tekee säätötarkkuudesta epävakaan ja johtaa alhaisiin tuotesaantoihin. Nykyiset säätöstrategiat keskittyvät pääasiassa kiteen makroskooppisiin mittoihin, kun taas laatua säädetään edelleen manuaalisen kokemuksen perusteella, mikä vaikeuttaa mikro- ja nanorakenteiden valmistuksen vaatimusten täyttämistä IC-siruissa.

Näiden haasteiden ratkaisemiseksi tarvitaan kiireellisesti reaaliaikaisten, online-seuranta- ja ennustusmenetelmien kehittämistä kiteiden laadun mittaamiseksi sekä parannuksia ohjausjärjestelmiin, jotta voidaan varmistaa integroiduissa piireissä käytettävien suurten monokiteiden vakaa ja korkealaatuinen tuotanto.