Una visió general completa dels mètodes de creixement de silici monocristal·lí

Una visió general completa dels mètodes de creixement de silici monocristal·lí

1. Antecedents del desenvolupament del silici monocristal·lí

L'avanç de la tecnologia i la creixent demanda de productes intel·ligents d'alta eficiència han consolidat encara més la posició central de la indústria dels circuits integrats (CI) en el desenvolupament nacional. Com a pedra angular de la indústria dels CI, el silici monocristal·lí semiconductor juga un paper vital en l'impuls de la innovació tecnològica i el creixement econòmic.

Segons dades de l'Associació Internacional de la Indústria dels Semiconductors, el mercat mundial d'oblies de semiconductors va assolir una xifra de vendes de 12.600 milions de dòlars, amb enviaments que van créixer fins a 14.200 milions de polzades quadrades. A més, la demanda d'oblies de silici continua augmentant constantment.

Tanmateix, la indústria mundial de les oblies de silici està molt concentrada, amb els cinc principals proveïdors dominant més del 85% de la quota de mercat, tal com es mostra a continuació:

• Shin-Etsu Chemical (Japó)

• SUMCO (Japó)

• Obles globals

• Siltronic (Alemanya)

• SK Siltron (Corea del Sud)

Aquest oligopoli provoca una forta dependència de la Xina de les oblies de silici monocristal·lí importades, que s'han convertit en un dels principals colls d'ampolla que limiten el desenvolupament de la indústria de circuits integrats del país.

Per superar els reptes actuals en el sector de fabricació de monocristalls de silici semiconductor, invertir en recerca i desenvolupament i enfortir les capacitats de producció nacionals és una opció inevitable.

2. Visió general del material de silici monocristal·lí

El silici monocristal·lí és la base de la indústria dels circuits integrats. Fins ara, més del 90% dels xips de circuits integrats i dispositius electrònics es fabriquen amb silici monocristal·lí com a material principal. La demanda generalitzada de silici monocristal·lí i les seves diverses aplicacions industrials es poden atribuir a diversos factors:

1. Seguretat i respecte pel medi ambientEl silici és abundant a l'escorça terrestre, no és tòxic i respectuós amb el medi ambient.

2. Aïllament elèctricEl silici presenta propietats d'aïllament elèctric de manera natural i, després del tractament tèrmic, forma una capa protectora de diòxid de silici, que evita eficaçment la pèrdua de càrrega elèctrica.

3. Tecnologia de creixement madurLa llarga història de desenvolupament tecnològic en els processos de creixement del silici l'ha fet molt més sofisticat que altres materials semiconductors.

Aquests factors junts mantenen el silici monocristal·lí a l'avantguarda de la indústria, fent-lo irreemplaçable per altres materials.

Pel que fa a l'estructura cristal·lina, el silici monocristal·lí és un material fet d'àtoms de silici disposats en una xarxa periòdica, formant una estructura contínua. És la base de la indústria de fabricació de xips.

El diagrama següent il·lustra el procés complet de preparació de silici monocristal·lí:

Visió general del procés:
El silici monocristal·lí s'obté del mineral de silici mitjançant una sèrie de passos de refinació. Primer, s'obté el silici policristal·lí, que després es fa créixer en un lingot de silici monocristal·lí en un forn de creixement de cristalls. Després, es talla, es poleix i es processa en oblies de silici adequades per a la fabricació de xips.

Les oblies de silici es divideixen normalment en dues categories:grau fotovoltaicigrau semiconductorAquests dos tipus difereixen principalment en la seva estructura, puresa i qualitat superficial.

• Oblies de grau semiconductortenen una puresa excepcionalment alta de fins al 99,999999999% i han de ser estrictament monocristal·lins.

• Oblies de grau fotovoltaicsón menys purs, amb nivells de puresa que oscil·len entre el 99,99% i el 99,9999%, i no tenen uns requisits tan estrictes pel que fa a la qualitat del cristall.

A més, les oblies de grau semiconductor requereixen una major suavitat i neteja superficial que les oblies de grau fotovoltaic. Els estàndards més alts per a les oblies semiconductores augmenten tant la complexitat de la seva preparació com el seu valor posterior en les aplicacions.

El següent gràfic descriu l'evolució de les especificacions de les oblies de semiconductors, que han augmentat des de les oblies inicials de 4 polzades (100 mm) i 6 polzades (150 mm) fins a les oblies actuals de 8 polzades (200 mm) i 12 polzades (300 mm).

En la preparació real de monocristalls de silici, la mida de la làmina varia segons el tipus d'aplicació i els factors de cost. Per exemple, els xips de memòria solen utilitzar làmines de 12 polzades, mentre que els dispositius d'alimentació sovint utilitzen làmines de 8 polzades.

En resum, l'evolució de la mida de l'oblia és el resultat tant de la llei de Moore com de factors econòmics. Una mida d'oblia més gran permet el creixement d'una àrea de silici més útil en les mateixes condicions de processament, reduint els costos de producció i minimitzant els residus de les vores de l'oblia.

Com a material crucial en el desenvolupament tecnològic modern, les oblies de silici semiconductor, mitjançant processos precisos com la fotolitografia i la implantació d'ions, permeten la producció de diversos dispositius electrònics, com ara rectificadors d'alta potència, transistors, transistors de unió bipolar i dispositius de commutació. Aquests dispositius tenen un paper clau en camps com la intel·ligència artificial, les comunicacions 5G, l'electrònica de l'automoció, la Internet de les coses i l'aeroespacial, i constitueixen la pedra angular del desenvolupament econòmic nacional i la innovació tecnològica.

3. Tecnologia de creixement de silici monocristal·lí

ElMètode de Czochralski (CZ)és un procés eficient per extreure material monocristal·lí d'alta qualitat de la fosa. Proposat per Jan Czochralski el 1917, aquest mètode també es coneix com aEstirament de cristallsmètode.

Actualment, el mètode CZ s'utilitza àmpliament en la preparació de diversos materials semiconductors. Segons estadístiques incompletes, aproximadament el 98% dels components electrònics estan fets de silici monocristal·lí, i el 85% d'aquests components es produeixen mitjançant el mètode CZ.

El mètode CZ és el preferit per la seva excel·lent qualitat cristal·lina, mida controlable, ràpida taxa de creixement i alta eficiència de producció. Aquestes característiques fan del silici monocristal·lí CZ el material preferit per satisfer la demanda d'alta qualitat i gran escala de la indústria electrònica.

El principi de creixement del silici monocristal·lí CZ és el següent:

El procés CZ requereix altes temperatures, buit i un entorn tancat. L'equip clau per a aquest procés és elforn de creixement de cristalls, cosa que facilita aquestes condicions.

El diagrama següent il·lustra l'estructura d'un forn de creixement de cristalls.

En el procés CZ, el silici pur es col·loca en un gresol, es fon i s'introdueix un cristall sembra al silici fos. Controlant amb precisió paràmetres com la temperatura, la velocitat d'extracció i la velocitat de rotació del gresol, els àtoms o molècules a la interfície del cristall sembra i el silici fos es reorganitzen contínuament, solidificant-se a mesura que el sistema es refreda i formant finalment un monocristall.

Aquesta tècnica de creixement de cristalls produeix silici monocristal·lí de gran diàmetre i alta qualitat amb orientacions cristal·lines específiques.

El procés de creixement implica diversos passos clau, entre els quals:

1. Desmuntatge i càrregaExtracció del cristall i neteja a fons del forn i els components de contaminants com ara quars, grafit o altres impureses.

2. Buit i fusióEl sistema s'evacua al buit, seguit de la introducció de gas argó i l'escalfament de la càrrega de silici.

3. Estirament de cristallsEl cristall sembra s'introdueix al silici fos i la temperatura de la interfície es controla acuradament per garantir una cristal·lització adequada.

4. Control d'espatlles i diàmetreA mesura que el cristall creix, el seu diàmetre es controla i s'ajusta acuradament per garantir un creixement uniforme.

5. Final del creixement i aturada del fornUn cop s'ha aconseguit la mida de cristall desitjada, s'apaga el forn i es retira el cristall.

Els passos detallats d'aquest procés garanteixen la creació de monocristalls d'alta qualitat i sense defectes adequats per a la fabricació de semiconductors.

4. Reptes en la producció de silici monocristal·lí

Un dels principals reptes en la producció de monocristalls semiconductors de gran diàmetre rau en superar els colls d'ampolla tècnics durant el procés de creixement, especialment en la predicció i el control dels defectes cristal·lins:

1. Qualitat inconsistent dels monocristalls i baix rendimentA mesura que augmenta la mida dels monocristalls de silici, augmenta la complexitat de l'entorn de creixement, cosa que dificulta el control de factors com els camps tèrmics, de flux i magnètics. Això complica la tasca d'aconseguir una qualitat consistent i uns rendiments més alts.

2. Procés de control inestableEl procés de creixement dels monocristalls de silici semiconductor és altament complex, amb múltiples camps físics que interactuen, cosa que fa que la precisió del control sigui inestable i que el rendiment del producte sigui baix. Les estratègies de control actuals se centren principalment en les dimensions macroscòpiques del cristall, mentre que la qualitat encara s'ajusta en funció de l'experiència manual, cosa que dificulta el compliment dels requisits per a la micro i nanofabricació en xips de circuits integrats.

Per abordar aquests reptes, cal urgentment desenvolupar mètodes de monitorització i predicció en temps real i en línia per a la qualitat dels cristalls, juntament amb millores en els sistemes de control per garantir una producció estable i d'alta qualitat de grans monocristalls per al seu ús en circuits integrats.