Isang Comprehensive Overview ng Monocrystalline Silicon Growth Methods

Isang Comprehensive Overview ng Monocrystalline Silicon Growth Methods

1. Background ng Monocrystalline Silicon Development

Ang pag-unlad ng teknolohiya at ang lumalaking pangangailangan para sa mga high-efficiency na smart na produkto ay lalong nagpatibay sa pangunahing posisyon ng integrated circuit (IC) na industriya sa pambansang pag-unlad. Bilang pundasyon ng industriya ng IC, ang semiconductor monocrystalline silicon ay gumaganap ng isang mahalagang papel sa paghimok ng teknolohikal na pagbabago at paglago ng ekonomiya.

Ayon sa data mula sa International Semiconductor Industry Association, ang pandaigdigang semiconductor wafer market ay umabot sa halaga ng benta na $12.6 bilyon, na may mga pagpapadala na lumaki sa 14.2 bilyong square inches. Bukod dito, ang pangangailangan para sa mga silicon na wafer ay patuloy na tumataas.

Gayunpaman, ang pandaigdigang industriya ng silicon wafer ay lubos na puro, na ang nangungunang limang supplier ay nangingibabaw sa higit sa 85% ng bahagi ng merkado, tulad ng ipinapakita sa ibaba:

• Shin-Etsu Chemical (Japan)

• SUMCO (Japan)

• Global Wafers

• Siltronic (Germany)

• SK Siltron (South Korea)

Ang oligopoly na ito ay nagreresulta sa matinding pag-asa ng China sa mga imported na monocrystalline na silicon na wafer, na naging isa sa mga pangunahing bottleneck na naglilimita sa pag-unlad ng integrated circuit industry ng bansa.

Upang malampasan ang mga kasalukuyang hamon sa sektor ng pagmamanupaktura ng semiconductor silicon monocrystal, ang pamumuhunan sa pananaliksik at pagpapaunlad at pagpapalakas ng mga kakayahan sa domestic production ay isang hindi maiiwasang pagpili.

2. Pangkalahatang-ideya ng Monocrystalline Silicon Material

Ang monocrystalline silicon ay ang pundasyon ng integrated circuit industry. Sa ngayon, higit sa 90% ng mga IC chip at mga elektronikong aparato ay ginawa gamit ang monocrystalline silicon bilang pangunahing materyal. Ang malawakang pangangailangan para sa monocrystalline silicon at ang magkakaibang mga pang-industriyang aplikasyon ay maaaring maiugnay sa ilang mga kadahilanan:

1. Kaligtasan at Pangkapaligiran: Ang Silicon ay sagana sa crust ng Earth, hindi nakakalason, at environment friendly.

2. Electrical Insulation: Ang Silicon ay natural na nagpapakita ng mga katangian ng pagkakabukod ng kuryente, at sa paggamot sa init, ito ay bumubuo ng isang proteksiyon na layer ng silicon dioxide, na epektibong pumipigil sa pagkawala ng singil sa kuryente.

3. Mature Growth Technology: Ang mahabang kasaysayan ng teknolohikal na pag-unlad sa mga proseso ng paglago ng silikon ay naging mas sopistikado kaysa sa iba pang mga materyal na semiconductor.

Ang mga salik na ito ay magkakasamang nagpapanatili ng monocrystalline na silicon sa unahan ng industriya, na ginagawa itong hindi mapapalitan ng iba pang mga materyales.

Sa mga tuntunin ng istraktura ng kristal, ang monocrystalline silicon ay isang materyal na ginawa mula sa mga atomo ng silikon na nakaayos sa isang pana-panahong sala-sala, na bumubuo ng isang tuluy-tuloy na istraktura. Ito ang batayan ng industriya ng paggawa ng chip.

Ang sumusunod na diagram ay naglalarawan ng kumpletong proseso ng paghahanda ng monocrystalline na silikon:

Pangkalahatang-ideya ng Proseso:
Ang monocrystalline silicon ay nagmula sa silicon ore sa pamamagitan ng isang serye ng mga hakbang sa pagpino. Una, ang polycrystalline silicon ay nakuha, na pagkatapos ay lumaki sa isang monocrystalline silicon ingot sa isang crystal growth furnace. Pagkatapos, ito ay pinuputol, pinakintab, at pinoproseso sa mga silicon na wafer na angkop para sa paggawa ng chip.

Ang mga silicone wafer ay karaniwang nahahati sa dalawang kategorya:photovoltaic-gradeatsemiconductor-grade. Ang dalawang uri na ito ay pangunahing naiiba sa kanilang istraktura, kadalisayan, at kalidad ng ibabaw.

• Mga wafer na may gradong semiconductoray may napakataas na kadalisayan na hanggang 99.999999999%, at mahigpit na kinakailangan na maging monocrystalline.

• Mga wafer na may gradong photovoltaicay hindi gaanong dalisay, na may mga antas ng kadalisayan mula 99.99% hanggang 99.9999%, at walang ganoong mahigpit na mga kinakailangan para sa kalidad ng kristal.

Bilang karagdagan, ang mga semiconductor-grade wafer ay nangangailangan ng mas mataas na kinis at kalinisan sa ibabaw kaysa sa mga photovoltaic-grade na wafer. Ang mas mataas na mga pamantayan para sa mga semiconductor wafer ay nagdaragdag sa pagiging kumplikado ng kanilang paghahanda at ang kanilang kasunod na halaga sa mga aplikasyon.

Binabalangkas ng sumusunod na chart ang ebolusyon ng mga detalye ng semiconductor wafer, na tumaas mula sa unang bahagi ng 4-inch (100mm) at 6-inch (150mm) na mga wafer hanggang sa kasalukuyang 8-inch (200mm) at 12-inch (300mm) na mga wafer.

Sa aktwal na paghahanda ng silicon monocrystal, ang laki ng wafer ay nag-iiba batay sa uri ng aplikasyon at mga kadahilanan sa gastos. Halimbawa, ang mga memory chip ay karaniwang gumagamit ng 12-inch na wafer, habang ang mga power device ay kadalasang gumagamit ng 8-inch na wafer.

Sa buod, ang ebolusyon ng laki ng wafer ay resulta ng parehong Batas ni Moore at mga salik sa ekonomiya. Ang isang mas malaking sukat ng wafer ay nagbibigay-daan sa paglaki ng mas magagamit na lugar ng silicon sa ilalim ng parehong mga kondisyon sa pagpoproseso, na binabawasan ang mga gastos sa produksyon habang pinapaliit ang basura mula sa mga gilid ng wafer.

Bilang mahalagang materyal sa modernong teknolohikal na pag-unlad, ang mga semiconductor na silicon na wafer, sa pamamagitan ng mga tumpak na proseso tulad ng photolithography at ion implantation, ay nagbibigay-daan sa paggawa ng iba't ibang elektronikong device, kabilang ang mga high-power rectifier, transistors, bipolar junction transistors, at switching device. Ang mga device na ito ay may mahalagang papel sa mga larangan tulad ng artificial intelligence, 5G na komunikasyon, automotive electronics, Internet of Things, at aerospace, na bumubuo sa pundasyon ng pambansang pag-unlad ng ekonomiya at teknolohikal na pagbabago.

3. Monocrystalline Silicon Growth Technology

AngPamamaraan ng Czochralski (CZ).ay isang mahusay na proseso para sa paghila ng mataas na kalidad na monocrystalline na materyal mula sa natunaw. Iminungkahi ni Jan Czochralski noong 1917, ang paraang ito ay kilala rin bilang angPaghila ng Crystalparaan.

Sa kasalukuyan, ang paraan ng CZ ay malawakang ginagamit sa paghahanda ng iba't ibang mga materyales sa semiconductor. Ayon sa hindi kumpletong istatistika, humigit-kumulang 98% ng mga elektronikong bahagi ay ginawa mula sa monocrystalline silicon, na may 85% ng mga sangkap na ito ay ginawa gamit ang pamamaraang CZ.

Ang pamamaraan ng CZ ay pinapaboran dahil sa mahusay na kalidad ng kristal, nakokontrol na laki, mabilis na rate ng paglago, at mataas na kahusayan sa produksyon. Ang mga katangiang ito ay ginagawang CZ monocrystalline silicon ang gustong materyal para matugunan ang mataas na kalidad, malakihang demand sa industriya ng electronics.

Ang prinsipyo ng paglago ng CZ monocrystalline silicon ay ang mga sumusunod:

Ang proseso ng CZ ay nangangailangan ng mataas na temperatura, vacuum, at saradong kapaligiran. Ang pangunahing kagamitan para sa prosesong ito ay anghurno ng paglago ng kristal, na nagpapadali sa mga kundisyong ito.

Ang sumusunod na diagram ay naglalarawan ng istraktura ng isang crystal growth furnace.

Sa proseso ng CZ, ang purong silikon ay inilalagay sa isang tunawan, natunaw, at isang seed crystal ay ipinakilala sa tinunaw na silikon. Sa pamamagitan ng tumpak na pagkontrol sa mga parameter tulad ng temperatura, bilis ng paghila, at bilis ng pag-ikot ng crucible, ang mga atom o molekula sa interface ng seed crystal at molten silicon ay patuloy na muling nag-aayos, nagpapatigas habang lumalamig ang system at sa huli ay bumubuo ng isang kristal.

Ang crystal growth technique na ito ay gumagawa ng mataas na kalidad, malaking diameter na monocrystalline na silicon na may mga partikular na oryentasyong kristal.

Ang proseso ng paglago ay nagsasangkot ng ilang mahahalagang hakbang, kabilang ang:

1. Pag-disassembly at Paglo-load: Pag-alis ng kristal at lubusang nililinis ang furnace at mga bahagi mula sa mga kontaminant tulad ng quartz, graphite, o iba pang mga dumi.

2. Vacuum at Pagtunaw: Ang sistema ay inilikas sa isang vacuum, na sinusundan ng pagpapakilala ng argon gas at ang pag-init ng silicon charge.

3. Paghila ng Crystal: Ang seed crystal ay ibinababa sa tunaw na silikon, at ang temperatura ng interface ay maingat na kinokontrol upang matiyak ang wastong pagkikristal.

4. Pagkontrol sa balikat at diameter: Habang lumalaki ang kristal, maingat na sinusubaybayan at inaayos ang diameter nito upang matiyak ang pare-parehong paglaki.

5. Pagtatapos ng Paglago at Pagsara ng Furnace: Kapag ang nais na laki ng kristal ay nakamit, ang hurno ay isasara, at ang kristal ay aalisin.

Tinitiyak ng mga detalyadong hakbang sa prosesong ito ang paglikha ng mga de-kalidad, walang depektong monocrystal na angkop para sa paggawa ng semiconductor.

4. Mga Hamon sa Monocrystalline Silicon Production

Ang isa sa mga pangunahing hamon sa paggawa ng malalaking diyametro na semiconductor na monocrystal ay nakasalalay sa pagtagumpayan ng mga teknikal na bottleneck sa panahon ng proseso ng paglago, lalo na sa paghula at pagkontrol ng mga depektong kristal:

1. Pabagu-bagong Kalidad ng Monocrystal at Mababang Yield: Habang lumalaki ang laki ng mga silicon na monocrystal, tumataas ang pagiging kumplikado ng kapaligiran ng paglago, na nagpapahirap sa pagkontrol sa mga salik tulad ng thermal, flow, at magnetic field. Ginagawa nitong kumplikado ang gawain ng pagkamit ng pare-parehong kalidad at mas mataas na ani.

2. Hindi Matatag na Proseso ng Pagkontrol: Ang proseso ng paglago ng semiconductor silicon monocrystals ay lubhang kumplikado, na may maraming pisikal na larangan na nakikipag-ugnayan, na ginagawang hindi matatag ang katumpakan ng kontrol at humahantong sa mababang ani ng produkto. Ang kasalukuyang mga diskarte sa kontrol ay pangunahing nakatuon sa mga macroscopic na dimensyon ng kristal, habang ang kalidad ay inaayos pa rin batay sa manual na karanasan, na ginagawang mahirap na matugunan ang mga kinakailangan para sa micro at nano fabrication sa IC chips.

Upang matugunan ang mga hamong ito, ang pagbuo ng real-time, online na pagsubaybay at mga pamamaraan ng paghula para sa kalidad ng kristal ay agarang kailangan, kasama ang mga pagpapabuti sa mga control system upang matiyak ang matatag, mataas na kalidad na produksyon ng malalaking monocrystal para sa paggamit sa mga integrated circuit.