Eng ëmfaassend Iwwersiicht iwwer monokristallin Silizium-Wuesstumsmethoden

Eng ëmfaassend Iwwersiicht iwwer monokristallin Silizium-Wuesstumsmethoden

1. Hannergrond vun der Entwécklung vu monokristallinem Silizium

Den technologesche Fortschrëtt an déi wuessend Nofro fir héicheffizient intelligent Produkter hunn d'Kärpositioun vun der integréierter Schaltung (IC) Industrie an der nationaler Entwécklung weider verstäerkt. Als Eckpfeiler vun der IC Industrie spillt monokristallint Halbleitersilizium eng wichteg Roll bei der Unzéiung vun technologescher Innovatioun a wirtschaftlechem Wuesstem.

No Donnéeë vun der International Semiconductor Industry Association huet de globale Maart fir Hallefleiterwafere Verkafszuelen vun 12,6 Milliarden Dollar erreecht, mat Liwwerungen, déi op 14,2 Milliarden Quadratzoll gewuess sinn. Ausserdeem klëmmt d'Nofro fir Siliziumwafere weider stänneg.

Wéi och ëmmer, ass déi global Siliziumwaferindustrie staark konzentréiert, mat den Top fënnef Fournisseuren, déi iwwer 85% vum Maartundeel dominéieren, wéi hei ënnendrënner gewisen:

• Shin-Etsu Chemical (Japan)

• SUMCO (Japan)

• Global Waferen

• Siltronic (Däitschland)

• SK Siltron (Südkorea)

Dësen Oligopol féiert zu enger staarker Ofhängegkeet vu China vun importéierte monokristalline Siliziumwaferen, wat zu engem vun de Schlësselengpässe ginn ass, déi d'Entwécklung vun der integréierter Schaltkreesserindustrie vum Land limitéieren.

Fir déi aktuell Erausfuerderungen am Secteur vun der Produktioun vu Halbleiter-Silicium-Monokristaller ze bewältegen, ass Investitiounen an Fuerschung an Entwécklung a Stäerkung vun den inlännesche Produktiounskapazitéiten eng inévitabel Entscheedung.

2. Iwwersiicht iwwer monokristallint Siliziummaterial

Monokristallint Silizium ass d'Grondlag vun der integréierter Schaltkreesserindustrie. Bis haut gi méi wéi 90% vun den IC-Chips an elektroneschen Apparater mat monokristallinem Silizium als Haaptmaterial hiergestallt. Déi wäit verbreet Nofro fir monokristallint Silizium a seng divers industriell Uwendungen kann op verschidde Faktoren zréckgefouert ginn:

1. Sécherheet an ËmweltfrëndlechkeetSilizium ass reichlech an der Äerdkuuscht, net gëfteg an ëmweltfrëndlech.

2. Elektresch IsolatiounSilizium weist vun Natur aus elektresch Isolatiounseigenschaften op, a bei der Hëtzebehandlung bilt et eng Schutzschicht aus Siliziumdioxid, déi effektiv de Verloscht vun elektrescher Ladung verhënnert.

3. Technologie fir reife WuesstemDéi laang Geschicht vun der technologescher Entwécklung a Silizium-Wuesstumsprozesser huet et vill méi sophistikéiert gemaach wéi aner Hallefleitermaterialien.

Dës Faktoren zesummen halen monokristallint Silizium un der Spëtzt vun der Industrie, wouduerch et duerch aner Materialien onverzichtbar ass.

Wat d'Kristallstruktur ugeet, ass monokristallint Silizium e Material, dat aus Siliziumatome besteet, déi an engem periodesche Gitter arrangéiert sinn, wouduerch eng kontinuéierlech Struktur entsteet. Et ass d'Basis vun der Chipfabrikatiounsindustrie.

Déi folgend Diagramm illustréiert de komplette Prozess vun der Virbereedung vu monokristallinem Silizium:

Prozess Iwwersiicht:
Monokristallint Silizium gëtt aus Siliziumäerz duerch eng Serie vu Raffinéierungsschrëtt gewonnen. Als éischt gëtt polykristallint Silizium gewonnen, dat dann an engem Kristallwuesstumsuewen zu engem monokristalline Siliziumbarre gewuess ass. Duerno gëtt et geschnidden, poléiert a zu Siliziumwafere veraarbecht, déi fir d'Chipfabrikatioun gëeegent sinn.

Siliziumwafere ginn typescherweis an zwou Kategorien agedeelt:photovoltaesch QualitéitanHallefleederqualitéitDës zwou Zorten ënnerscheede sech haaptsächlech an hirer Struktur, Rengheet a Uewerflächenqualitéit.

• Wafere vun der Hallefleiterqualitéithunn eng aussergewéinlech héich Rengheet vu bis zu 99,999999999%, a musse strikt monokristallin sinn.

• Photovoltaesch Waferensi manner reng, mat Rengheetniveauen tëscht 99,99% an 99,9999%, a stellen keng sou streng Ufuerderunge fir d'Kristallqualitéit duer.

Zousätzlech erfuerderen Hallefleiterwafer eng méi héich Uewerflächenglättheet a Rengheet wéi Photovoltaikwafer. Déi méi héich Standarde fir Hallefleiterwafer erhéijen souwuel d'Komplexitéit vun hirer Virbereedung wéi och hire spéidere Wäert an Uwendungen.

Déi folgend Tabelle weist d'Evolutioun vun de Spezifikatioune vu Hallefleederwaferen, déi vun fréie 4-Zoll (100 mm) a 6-Zoll (150 mm) Waferen op déi aktuell 8-Zoll (200 mm) an 12-Zoll (300 mm) Waferen eropgaange sinn.

Bei der tatsächlecher Virbereedung vu Silizium-Monokristaller variéiert d'Wafergréisst jee no der Aart vun der Uwendung a Käschtefaktoren. Zum Beispill benotzen Speicherchips normalerweis 12-Zoll-Waferen, während Energieversuergungsapparater dacks 8-Zoll-Waferen benotzen.

Zesummegefaasst ass d'Entwécklung vun der Wafergréisst d'Resultat souwuel vum Moore-Gesetz wéi och vun ekonomesche Faktoren. Eng méi grouss Wafergréisst erméiglecht de Wuesstum vun enger méi brauchbarer Siliziumfläch ënner de selwechte Veraarbechtungsbedingungen, wat d'Produktiounskäschte reduzéiert an de Verschwendung vun de Waferkanten miniméiert.

Als wichtegt Material an der moderner technologescher Entwécklung erméiglechen Halbleiter-Siliciumwaferen, duerch präzis Prozesser wéi Photolithographie an Ionenimplantatioun, d'Produktioun vu verschiddenen elektroneschen Apparater, dorënner Héichleistungsgleichrichter, Transistoren, bipolare Junction-Transistoren a Schaltgeräter. Dës Apparater spillen eng Schlësselroll a Beräicher wéi kënschtlech Intelligenz, 5G-Kommunikatioun, Automobilelektronik, dem Internet vun de Saachen an der Loft- a Raumfaart a bilden de Grondstee vun der nationaler wirtschaftlecher Entwécklung an der technologescher Innovatioun.

3. Monokristallin Silizium-Wuesstumstechnologie

DenCzochralski (CZ) Methodass e effiziente Prozess fir héichwäertegt monokristallint Material aus der Schmelz ze zéien. Dës Method, déi vum Jan Czochralski am Joer 1917 virgeschloen gouf, ass och bekannt alsKristallzéienMethod.

Aktuell gëtt d'CZ-Method wäit verbreet bei der Virbereedung vu verschiddene Hallefleedermaterialien agesat. No onvollstännege Statistike sinn ongeféier 98% vun den elektronesche Komponenten aus monokristallinem Silizium hiergestallt, woubäi 85% vun dëse Komponenten mat der CZ-Method produzéiert ginn.

D'CZ-Method ass wéinst senger exzellenter Kristallqualitéit, kontrolléierbarer Gréisst, schneller Wuestumsquote an héijer Produktiounseffizienz bevorzugt. Dës Charakteristike maachen CZ-monokristallin Silizium zum bevorzugten Material fir déi héichqualitativ a grouss Ufro an der Elektronikindustrie ze decken.

De Wuesstumsprinzip vu CZ monokristallinem Silizium ass wéi follegt:

De CZ-Prozess erfuerdert héich Temperaturen, e Vakuum an eng zouen Ëmfeld. Déi wichtegst Ausrüstung fir dëse Prozess ass d'Kristallwuesstumsuewen, wat dës Konditioune erliichtert.

Déi folgend Diagramm illustréiert d'Struktur vun engem Kristallwuesstumsuewen.

Beim CZ-Prozess gëtt rengt Silizium an en Tiegel geluecht, geschmolz, an e Keimkristall gëtt an de geschmollte Silizium agefouert. Duerch präzis Kontroll vu Parameteren wéi Temperatur, Zuchgeschwindegkeet a Rotatiounsgeschwindegkeet vum Tiegel, reorganiséiere sech Atomer oder Molekülle op der Grenzfläche vum Keimkristall a geschmollte Silizium kontinuéierlech, verstäerken sech beim Ofkille vum System a bilden schlussendlech en Eenzelkristall.

Dës Kristallwuesstemstechnik produzéiert héichwäertegt, monokristallint Silizium mat groussen Duerchmiesser a spezifeschen Kristallorientéierungen.

De Wuesstumsprozess ëmfaasst verschidde Schlësselschrëtt, dorënner:

1. Demontage a BeluedenDen Kristall eraushuelen an den Uewen a Komponenten grëndlech vu Kontaminanten wéi Quarz, Graphit oder aner Ongereinheeten botzen.

2. Vakuum a SchmelzenDe System gëtt an e Vakuum bruecht, gefollegt vun der Aféierung vun Argongas an der Erhëtzung vun der Siliziumladung.

3. KristallzéienDe Keimkristall gëtt an dat geschmollte Silizium erofgelooss, an d'Grenzflächentemperatur gëtt suergfälteg kontrolléiert fir eng richteg Kristallisatioun ze garantéieren.

4. Schëller- a DuerchmiesserkontrollWéi de Kristall wiisst, gëtt säin Duerchmiesser suergfälteg iwwerwaacht an ugepasst, fir e gläichméissegt Wuesstum ze garantéieren.

5. Enn vum Wuesstem an den Ofschalten vum UewenSoubal déi gewënschte Kristallgréisst erreecht ass, gëtt den Uewen ausgeschalt an de Kristall gëtt erausgeholl.

Déi detailléiert Schrëtt an dësem Prozess garantéieren d'Schafung vun héichqualitativen, defektfräie Monokristaller, déi fir d'Hallefleederproduktioun gëeegent sinn.

4. Erausfuerderungen an der Produktioun vu monokristallinem Silizium

Eng vun den Haaptproblemer bei der Produktioun vu Hallefleeder-Monokristaller mat groussen Duerchmiesser läit an der Iwwerwanne vun den techneschen Engpässe während dem Wuesstumsprozess, besonnesch bei der Viraussoe a Kontroll vu Kristalldefekter:

1. Onkonsequent Monokristallqualitéit a niddreg AusbezuelungMat der Gréisst vun de Siliziummonokristaller, klëmmt och d'Komplexitéit vum Wuesstumsëmfeld, wouduerch et schwéier ass, Faktoren wéi d'thermesch, d'Floss- a Magnéitfelder ze kontrolléieren. Dëst erschwéiert d'Aufgab, eng konsequent Qualitéit an méi héich Erträg z'erreechen.

2. Onstabile KontrollprozessDe Wuesstumsprozess vu Silizium-Monokristaller aus Hallefleeder ass héich komplex, mat verschiddene physikalesche Felder, déi interagéieren, wat d'Kontrollpräzisioun onstabil mécht a zu niddrege Produktausbezuelunge féiert. Déi aktuell Kontrollstrategien konzentréiere sech haaptsächlech op déi makroskopesch Dimensioune vum Kristall, während d'Qualitéit nach ëmmer op Basis vun manueller Erfahrung ugepasst gëtt, wat et schwéier mécht, d'Ufuerderunge fir d'Mikro- an Nanofabrikatioun an IC-Chips ze erfëllen.

Fir dës Erausfuerderungen ze bewältegen, ass d'Entwécklung vu Echtzäit-, Online-Iwwerwaachungs- a Prognosemethoden fir d'Kristallqualitéit dringend néideg, zesumme mat Verbesserungen vun de Kontrollsystemer, fir eng stabil, héichqualitativ Produktioun vu grousse Monokristaller fir den Asaz an integréierte Schaltungen ze garantéieren.