Monokristalli kremniyni o'stirish usullarining to'liq ko'rinishi

Monokristalli kremniyni o'stirish usullarining to'liq ko'rinishi

1. Monokristalli kremniy rivojlanishining ma'lumotlari

Texnologiyaning rivojlanishi va yuqori samarali aqlli mahsulotlarga talab ortib borayotgani integral mikrosxemalar (IC) sanoatining milliy rivojlanishdagi asosiy mavqeini yanada mustahkamladi. IC sanoatining asosi sifatida yarimo'tkazgichli monokristalli kremniy texnologik innovatsiyalar va iqtisodiy o'sishda muhim rol o'ynaydi.

Xalqaro yarimo'tkazgichlar sanoati assotsiatsiyasi ma'lumotlariga ko'ra, global yarimo'tkazgichli gofret bozori 12,6 milliard dollarlik savdo ko'rsatkichiga erishdi, etkazib berish hajmi 14,2 milliard kvadrat dyuymgacha o'sdi. Bundan tashqari, kremniy gofretlarga bo'lgan talab barqaror o'sishda davom etmoqda.

Biroq, global kremniy gofret sanoati yuqori darajada jamlangan bo'lib, quyida ko'rsatilganidek, bozor ulushining 85% dan ko'prog'ini egallab turgan beshta yetakchi yetkazib beruvchi:

• Shin-Etsu Chemical (Yaponiya)

• SUMCO (Yaponiya)

• Global gofretlar

• Siltronik (Germaniya)

• SK Siltron (Janubiy Koreya)

Ushbu oligopoliya Xitoyning import qilinadigan monokristalli kremniy gofretlariga qattiq qaram bo'lishiga olib keladi, bu esa mamlakatning integral mikrosxemalar sanoatining rivojlanishini cheklovchi asosiy to'siqlardan biriga aylandi.

Yarimo'tkazgichli kremniy monokristal ishlab chiqarish sohasida mavjud muammolarni bartaraf etish uchun tadqiqot va ishlanmalarga sarmoya kiritish va mahalliy ishlab chiqarish imkoniyatlarini mustahkamlash muqarrar tanlovdir.

2. Monokristalli kremniy materialiga umumiy nuqtai

Monokristalli kremniy integral mikrosxemalar sanoatining asosidir. Bugungi kunga kelib, IC chiplari va elektron qurilmalarning 90% dan ortig'i asosiy material sifatida monokristalli kremniydan foydalangan holda ishlab chiqariladi. Monokristalli kremniyga va uning turli xil sanoat qo'llanilishiga keng talab bir necha omillar bilan bog'liq bo'lishi mumkin:

1. Xavfsizlik va ekologik jihatdan qulay: Kremniy Yer qobig'ida juda ko'p, zaharli emas va ekologik toza.

2. Elektr izolyatsiyasi: Silikon tabiiy ravishda elektr izolyatsiyasi xususiyatlarini namoyish etadi va issiqlik bilan ishlov berishdan so'ng u silikon dioksidning himoya qatlamini hosil qiladi, bu esa elektr zaryadini yo'qotishning oldini oladi.

3. Yetuk o'sish texnologiyasi: Kremniy o'sish jarayonlarida texnologik rivojlanishning uzoq tarixi uni boshqa yarim o'tkazgich materiallarga qaraganda ancha murakkablashtirdi.

Bu omillar birgalikda monokristalli kremniyni sanoatning oldingi qatorida ushlab turadi va uni boshqa materiallar bilan almashtirib bo'lmaydi.

Kristal tuzilishi nuqtai nazaridan, monokristalli kremniy doimiy tuzilmani tashkil etuvchi, davriy panjarada joylashgan kremniy atomlaridan tayyorlangan materialdir. Bu chip ishlab chiqarish sanoatining asosidir.

Quyidagi diagramma monokristalli kremniyni tayyorlashning to'liq jarayonini ko'rsatadi:

Jarayonga umumiy nuqtai:
Monokristalli kremniy kremniy rudasidan bir qator tozalash bosqichlari orqali olinadi. Birinchidan, polikristalli kremniy olinadi, so'ngra kristall o'stirish pechida monokristalli kremniy ingotiga o'stiriladi. Keyinchalik, u kesiladi, sayqallanadi va chip ishlab chiqarish uchun mos bo'lgan kremniy gofretlarga qayta ishlanadi.

Silikon gofretlar odatda ikkita toifaga bo'linadi:fotovoltaik sinfvayarimo'tkazgich darajasi. Bu ikki tur asosan tuzilishi, tozaligi va sirt sifati bilan farqlanadi.

• Yarim o'tkazgichli gofretlar99,999999999% gacha bo'lgan juda yuqori tozalikka ega va monokristal bo'lishi qat'iy talab qilinadi.

• Fotovoltaik toifadagi gofretlarkamroq toza, tozalik darajasi 99,99% dan 99,9999% gacha va kristal sifati uchun bunday qattiq talablarga ega emas.

Bundan tashqari, yarimo'tkazgichli toifadagi gofretlar fotovoltaik toifadagi gofretlarga qaraganda yuqori sirt silliqligi va tozaligini talab qiladi. Yarimo'tkazgichli gofretlar uchun yuqori standartlar ularni tayyorlashning murakkabligini va ilovalardagi keyingi qiymatini oshiradi.

Quyidagi diagrammada yarimo‘tkazgichli gofret spetsifikatsiyalarining evolyutsiyasi ko‘rsatilgan, ular dastlabki 4 dyuymli (100 mm) va 6 dyuymli (150 mm) gofretlardan hozirgi 8 dyuymli (200 mm) va 12 dyuymli (300 mm) gofretgacha oshgan.

Haqiqiy kremniy monokristalini tayyorlashda gofret o'lchami dastur turiga va xarajat omillariga qarab o'zgaradi. Masalan, xotira chiplari odatda 12 dyuymli gofretlardan foydalanadi, quvvat qurilmalari esa 8 dyuymli gofretlardan foydalanadi.

Xulosa qilib aytganda, gofret hajmining evolyutsiyasi Mur qonuni va iqtisodiy omillarning natijasidir. Kattaroq gofret o'lchami bir xil ishlov berish sharoitida ko'proq foydalanish mumkin bo'lgan kremniy maydonini o'stirishga imkon beradi, ishlab chiqarish xarajatlarini kamaytiradi va gofret qirralaridan chiqindini kamaytiradi.

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

3. Monokristalli kremniy o'sishi texnologiyasi

TheCzochralski (CZ) usuliyuqori sifatli monokristalli materialni eritmadan tortib olishning samarali jarayonidir. 1917 yilda Yan Czochralski tomonidan taklif qilingan bu usul, shuningdek, deb nomlanadiKristalni tortishusuli.

Hozirgi vaqtda CZ usuli turli yarim o'tkazgich materiallarni tayyorlashda keng qo'llaniladi. To'liq bo'lmagan statistik ma'lumotlarga ko'ra, elektron komponentlarning qariyb 98% monokristalli kremniydan tayyorlanadi, bu komponentlarning 85% CZ usuli yordamida ishlab chiqariladi.

CZ usuli mukammal kristal sifati, nazorat qilinadigan o'lchami, tez o'sish sur'ati va yuqori ishlab chiqarish samaradorligi tufayli ma'qul. Bu xususiyatlar CZ monokristalli kremniyni elektronika sanoatida yuqori sifatli, keng ko'lamli talabni qondirish uchun afzal qilingan materialga aylantiradi.

CZ monokristalli kremniyning o'sish printsipi quyidagicha:

CZ jarayoni yuqori harorat, vakuum va yopiq muhitni talab qiladi. Ushbu jarayon uchun asosiy uskunalarkristall o'stirish pechi, bu shartlarni osonlashtiradi.

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

CZ jarayonida sof kremniy tigelga joylashtiriladi, eritiladi va eritilgan kremniyga urug 'kristal kiritiladi. Harorat, tortish tezligi va tigel aylanish tezligi kabi parametrlarni aniq nazorat qilish orqali urug 'kristalining va eritilgan kremniyning interfeysidagi atomlar yoki molekulalar doimiy ravishda qayta tashkil etiladi, tizim soviganida qotib qoladi va natijada bitta kristall hosil qiladi.

Ushbu kristall o'stirish texnikasi o'ziga xos kristall yo'nalishlari bilan yuqori sifatli, katta diametrli monokristalli kremniy ishlab chiqaradi.

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

1. Demontaj va yuklash: Kristalni olib tashlash va o'choq va komponentlarni kvarts, grafit yoki boshqa aralashmalar kabi ifloslantiruvchi moddalardan yaxshilab tozalash.

2. Vakuum va eritish: Tizim vakuumga evakuatsiya qilinadi, keyin argon gazining kiritilishi va kremniy zaryadini isitish.

3. Kristalni tortish: Urug'lik kristalli eritilgan kremniyga tushiriladi va to'g'ri kristallanishni ta'minlash uchun interfeys harorati diqqat bilan nazorat qilinadi.

4. Yelka va diametrni nazorat qilish: Kristal o'sishi bilan uning diametri bir xil o'sishni ta'minlash uchun diqqat bilan kuzatiladi va sozlanadi.

5. O'sishning tugashi va pechning to'xtatilishi: Kerakli kristall hajmiga erishilgandan so'ng, o'choq o'chiriladi va kristall chiqariladi.

Ushbu jarayonning batafsil bosqichlari yarimo'tkazgichlarni ishlab chiqarish uchun mos bo'lgan yuqori sifatli, nuqsonsiz monokristallarni yaratishni ta'minlaydi.

4. Monokristalli kremniy ishlab chiqarishdagi qiyinchiliklar

Katta diametrli yarimo'tkazgichli monokristallarni ishlab chiqarishdagi asosiy muammolardan biri o'sish jarayonida texnik qiyinchiliklarni bartaraf etishda, xususan, kristall nuqsonlarini bashorat qilish va nazorat qilishda:

1. Mos kelmaydigan monokristal sifati va past rentabellik: Kremniy monokristallarining kattaligi oshgani sayin, o'sish muhitining murakkabligi oshadi, bu termal, oqim va magnit maydonlar kabi omillarni nazorat qilishni qiyinlashtiradi. Bu barqaror sifat va yuqori hosil olish vazifasini murakkablashtiradi.

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

Ushbu muammolarni hal qilish uchun integral mikrosxemalarda foydalanish uchun yirik monokristallarning barqaror, yuqori sifatli ishlab chiqarilishini ta'minlash uchun nazorat tizimlarini takomillashtirish bilan birga, kristal sifatini real vaqt rejimida, onlayn monitoring va prognozlash usullarini ishlab chiqish zudlik bilan talab qilinadi.