Monokristalli kremniy o'sish usullarining keng qamrovli sharhi

Monokristalli kremniy o'sish usullarining keng qamrovli sharhi

1. Monokristalli kremniyning rivojlanishining kelib chiqishi

Texnologiyaning rivojlanishi va yuqori samarali aqlli mahsulotlarga bo'lgan talabning ortishi integral mikrosxemalar (IC) sanoatining milliy rivojlanishdagi asosiy o'rnini yanada mustahkamladi. IC sanoatining asosi sifatida yarimo'tkazgichli monokristalli kremniy texnologik innovatsiyalar va iqtisodiy o'sishni rag'batlantirishda muhim rol o'ynaydi.

Xalqaro yarimo'tkazgichlar sanoati assotsiatsiyasi ma'lumotlariga ko'ra, global yarimo'tkazgichli plastinkalar bozori 12,6 milliard dollarlik savdo ko'rsatkichiga yetdi, yetkazib berish hajmi esa 14,2 milliard kvadrat dyuymgacha o'sdi. Bundan tashqari, kremniy plastinkalariga talab barqaror ravishda o'sishda davom etmoqda.

Biroq, global kremniy plastinka sanoati yuqori darajada konsentratsiyalangan bo'lib, quyida ko'rsatilganidek, bozor ulushining 85% dan ortig'ini eng yaxshi beshta yetkazib beruvchi egallaydi:

• Shin-Etsu Chemical (Yaponiya)

• SUMCO (Yaponiya)

• Global vaflilar

• Siltronic (Germaniya)

• SK Siltron (Janubiy Koreya)

Ushbu oligopoliya Xitoyning import qilingan monokristalli kremniy plitalariga kuchli qaramligiga olib keladi, bu esa mamlakat integral mikrosxemalar sanoatining rivojlanishini cheklovchi asosiy to'siqlardan biriga aylandi.

Yarimo'tkazgichli kremniy monokristallarini ishlab chiqarish sohasidagi mavjud qiyinchiliklarni bartaraf etish uchun tadqiqot va ishlanmalarga investitsiya kiritish hamda mahalliy ishlab chiqarish imkoniyatlarini mustahkamlash muqarrar tanlovdir.

2. Monokristalli kremniy materialiga umumiy nuqtai nazar

Monokristalli kremniy integral mikrosxemalar sanoatining asosi hisoblanadi. Bugungi kunga qadar IC chiplari va elektron qurilmalarning 90% dan ortig'i asosiy material sifatida monokristalli kremniydan foydalanilgan holda ishlab chiqariladi. Monokristalli kremniyga va uning turli xil sanoat qo'llanmalariga keng talab bir nechta omillarga bog'liq bo'lishi mumkin:

1. Xavfsizlik va ekologik tozaKremniy Yer qobig'ida juda ko'p, toksik emas va ekologik toza.

2. Elektr izolyatsiyasiKremniy tabiiy ravishda elektr izolyatsiya xususiyatlarini namoyish etadi va issiqlik bilan ishlov berishda u elektr zaryadining yo'qolishini samarali ravishda oldini oladigan kremniy dioksidining himoya qatlamini hosil qiladi.

3. Yetuk o'sish texnologiyasiKremniy o'sish jarayonlaridagi texnologik rivojlanishning uzoq tarixi uni boshqa yarimo'tkazgich materiallariga qaraganda ancha murakkablashtirdi.

Bu omillar birgalikda monokristalli kremniyni sanoatning yetakchi o'rinlarida ushlab turadi va uni boshqa materiallar bilan almashtirib bo'lmaydigan qiladi.

Kristall tuzilishi jihatidan monokristalli kremniy - bu davriy panjarada joylashgan kremniy atomlaridan tayyorlangan va uzluksiz struktura hosil qiluvchi material. U chip ishlab chiqarish sanoatining asosini tashkil qiladi.

Quyidagi diagrammada monokristalli kremniy tayyorlashning to'liq jarayoni ko'rsatilgan:

Jarayonga umumiy nuqtai nazar:
Monokristalli kremniy kremniy rudasidan bir qator tozalash bosqichlari orqali olinadi. Avval polikristalli kremniy olinadi, keyin u kristall o'stirish pechida monokristalli kremniy quymasiga o'stiriladi. Keyin u kesiladi, sayqallanadi va chip ishlab chiqarish uchun mos kremniy plastinkalariga qayta ishlanadi.

Silikon plitalari odatda ikki toifaga bo'linadi:fotovoltaik sinfvayarimo'tkazgichli sinfBu ikki tur asosan tuzilishi, sofligi va sirt sifati jihatidan farq qiladi.

• Yarimo'tkazgichli plastinkalar99.999999999% gacha bo'lgan juda yuqori tozalikka ega va qat'iy ravishda monokristalli bo'lishi talab qilinadi.

• Fotovoltaik darajadagi gofretlarkamroq sof, soflik darajasi 99,99% dan 99,9999% gacha va kristall sifatiga bunday qat'iy talablar qo'ymaydi.

Bundan tashqari, yarimo'tkazgichli plastinkalar fotovoltaik plastinkalarga qaraganda yuqori sirt silliqligi va tozaligini talab qiladi. Yarimo'tkazgichli plastinkalar uchun yuqori standartlar ularni tayyorlashning murakkabligini ham, keyinchalik qo'llanilishdagi qiymatini ham oshiradi.

Quyidagi jadvalda yarimo'tkazgichli plastinkalarning texnik xususiyatlarining evolyutsiyasi ko'rsatilgan bo'lib, ular dastlabki 4 dyuymli (100 mm) va 6 dyuymli (150 mm) plastinkalardan hozirgi 8 dyuymli (200 mm) va 12 dyuymli (300 mm) plastinkalargacha oshdi.

Haqiqiy kremniy monokristalini tayyorlashda plastinka o'lchami qo'llanilish turi va narx omillariga qarab o'zgaradi. Masalan, xotira chiplari odatda 12 dyuymli plastinkalardan foydalanadi, quvvat qurilmalari esa ko'pincha 8 dyuymli plastinkalardan foydalanadi.

Xulosa qilib aytganda, plastinka o'lchamining evolyutsiyasi ham Mur qonuni, ham iqtisodiy omillar natijasidir. Kattaroq plastinka o'lchami bir xil ishlov berish sharoitida ko'proq foydalanish mumkin bo'lgan kremniy maydonini o'stirish imkonini beradi, bu esa plastinka chetlaridan chiqadigan chiqindilarni minimallashtirish bilan birga ishlab chiqarish xarajatlarini kamaytiradi.

Zamonaviy texnologik rivojlanishda muhim material sifatida yarimo'tkazgichli kremniy plitalari fotolitografiya va ion implantatsiyasi kabi aniq jarayonlar orqali yuqori quvvatli rektifikatorlar, tranzistorlar, bipolyar ulanish tranzistorlari va kommutatsiya qurilmalari kabi turli xil elektron qurilmalarni ishlab chiqarish imkonini beradi. Ushbu qurilmalar sun'iy intellekt, 5G aloqasi, avtomobil elektronikasi, narsalar interneti va aerokosmik kabi sohalarda muhim rol o'ynaydi va milliy iqtisodiy rivojlanish va texnologik innovatsiyalarning asosini tashkil etadi.

3. Monokristalli kremniy o'stirish texnologiyasi

TheCzochralski (CZ) usulieritmadan yuqori sifatli monokristal materialni tortib olishning samarali jarayonidir. 1917-yilda Yan Czochralski tomonidan taklif qilingan bu usul shuningdek, ... nomi bilan ham tanilgan.Kristall tortishusul.

Hozirgi vaqtda CZ usuli turli yarimo'tkazgich materiallarini tayyorlashda keng qo'llaniladi. To'liq bo'lmagan statistika ma'lumotlariga ko'ra, elektron komponentlarning taxminan 98% monokristalli kremniydan tayyorlanadi, bu komponentlarning 85% CZ usuli yordamida ishlab chiqariladi.

CZ usuli o'zining ajoyib kristall sifati, boshqariladigan o'lchami, tez o'sish sur'ati va yuqori ishlab chiqarish samaradorligi tufayli afzal ko'riladi. Bu xususiyatlar CZ monokristalli kremniyni elektronika sanoatida yuqori sifatli, keng ko'lamli talabni qondirish uchun afzal materialga aylantiradi.

CZ monokristalli kremniyning o'sish printsipi quyidagicha:

CZ jarayoni yuqori harorat, vakuum va yopiq muhitni talab qiladi. Bu jarayon uchun asosiy uskunalarkristall o'sish pechi, bu esa ushbu shartlarni osonlashtiradi.

Quyidagi diagrammada kristall o'sish pechining tuzilishi ko'rsatilgan.

CZ jarayonida sof kremniy tigelga joylashtiriladi, eritiladi va eritilgan kremniyga urug' kristalli kiritiladi. Harorat, tortish tezligi va tigelning aylanish tezligi kabi parametrlarni aniq boshqarish orqali urug' kristalli va eritilgan kremniy chegarasidagi atomlar yoki molekulalar doimiy ravishda qayta tashkil etiladi, tizim soviganida qattiqlashadi va oxir-oqibat bitta kristall hosil qiladi.

Ushbu kristall o'sish texnikasi yuqori sifatli, katta diametrli, o'ziga xos kristall yo'nalishlariga ega monokristalli kremniy ishlab chiqaradi.

O'sish jarayoni bir nechta asosiy bosqichlarni o'z ichiga oladi, jumladan:

1. Demontaj va yuklashKristallni olib tashlash va pech va uning tarkibiy qismlarini kvarts, grafit yoki boshqa aralashmalar kabi ifloslantiruvchi moddalardan yaxshilab tozalash.

2. Vakuum va eritishTizim vakuumga evakuatsiya qilinadi, so'ngra argon gazi kiritiladi va kremniy zaryadi qizdiriladi.

3. Kristall tortishUrug' kristalli eritilgan kremniyga tushiriladi va to'g'ri kristallanishni ta'minlash uchun interfeys harorati diqqat bilan nazorat qilinadi.

4. Yelka va diametrni boshqarishKristall o'sib ulg'aygan sari, uning diametri diqqat bilan kuzatiladi va bir tekis o'sishini ta'minlash uchun sozlanadi.

5. O'sishning tugashi va pechning yopilishiKerakli kristall o'lchamiga erishilgandan so'ng, pech o'chiriladi va kristall olib tashlanadi.

Ushbu jarayondagi batafsil qadamlar yarimo'tkazgichlar ishlab chiqarish uchun mos bo'lgan yuqori sifatli, nuqsonsiz monokristallarni yaratishni ta'minlaydi.

4. Monokristalli kremniy ishlab chiqarishdagi muammolar

Katta diametrli yarimo'tkazgichli monokristallarni ishlab chiqarishdagi asosiy qiyinchiliklardan biri o'sish jarayonida texnik to'siqlarni bartaraf etish, xususan, kristall nuqsonlarini bashorat qilish va nazorat qilishdadir:

1. Mos kelmaydigan monokristal sifati va past rentabellikKremniy monokristallarining hajmi oshgani sayin, o'sish muhitining murakkabligi oshadi, bu esa issiqlik, oqim va magnit maydonlari kabi omillarni nazorat qilishni qiyinlashtiradi. Bu izchil sifat va yuqori hosildorlikka erishish vazifasini murakkablashtiradi.

2. Beqaror boshqaruv jarayoniYarimo'tkazgichli kremniy monokristallarining o'sish jarayoni juda murakkab bo'lib, bir nechta fizik maydonlar o'zaro ta'sir qiladi, bu esa boshqaruv aniqligini beqaror qiladi va mahsulotning past rentabelligiga olib keladi. Hozirgi boshqaruv strategiyalari asosan kristalning makroskopik o'lchamlariga qaratilgan, sifat esa hali ham qo'lda tajriba asosida sozlanadi, bu esa IC chiplarida mikro va nano ishlab chiqarish talablarini qondirishni qiyinlashtiradi.

Ushbu muammolarni hal qilish uchun kristall sifatini real vaqt rejimida, onlayn monitoring qilish va bashorat qilish usullarini ishlab chiqish, shuningdek, integral mikrosxemalarda foydalanish uchun yirik monokristallarni barqaror va yuqori sifatli ishlab chiqarishni ta'minlash uchun boshqaruv tizimlarini takomillashtirish zarur.