Unha visión xeral completa dos métodos de crecemento de silicio monocristalino

Unha visión xeral completa dos métodos de crecemento de silicio monocristalino

1. Antecedentes do desenvolvemento do silicio monocristalino

O avance da tecnoloxía e a crecente demanda de produtos intelixentes de alta eficiencia consolidaron aínda máis a posición central da industria dos circuítos integrados (CI) no desenvolvemento nacional. Como pedra angular da industria dos CI, o silicio monocristalino semicondutor xoga un papel vital no impulso da innovación tecnolóxica e o crecemento económico.

Segundo datos da Asociación Internacional da Industria de Semicondutores, o mercado mundial de obleas de semicondutores alcanzou unha cifra de vendas de 12.600 millóns de dólares, con envíos que creceron ata os 14.200 millóns de polgadas cadradas. Ademais, a demanda de obleas de silicio segue a aumentar de forma constante.

Non obstante, a industria mundial de obleas de silicio está moi concentrada, cos cinco principais provedores dominando máis do 85 % da cota de mercado, como se mostra a continuación:

• Shin-Etsu Chemical (Xapón)

• SUMCO (Xapón)

• Obleas globais

• Siltronic (Alemaña)

• SK Siltron (Corea do Sur)

Este oligopolio resulta na forte dependencia de China das obleas de silicio monocristalino importadas, o que se converteu nun dos principais obstáculos que limitan o desenvolvemento da industria de circuítos integrados do país.

Para superar os desafíos actuais no sector da fabricación de monocristais de silicio semicondutor, investir en investigación e desenvolvemento e fortalecer as capacidades de produción nacional é unha opción inevitable.

2. Visión xeral do material de silicio monocristalino

O silicio monocristalino é a base da industria dos circuítos integrados. Ata a data, máis do 90 % dos chips de circuítos integrados e dos dispositivos electrónicos fabrícanse con silicio monocristalino como material principal. A xeneralizada demanda de silicio monocristalino e as súas diversas aplicacións industriais poden atribuírse a varios factores:

1. Seguridade e respecto polo medio ambienteO silicio é abundante na codia terrestre, non é tóxico e respectuoso co medio ambiente.

2. Illamento eléctricoO silicio presenta propiedades de illamento eléctrico de forma natural e, tras o tratamento térmico, forma unha capa protectora de dióxido de silicio, que impide eficazmente a perda de carga eléctrica.

3. Tecnoloxía de crecemento maduroA longa historia de desenvolvemento tecnolóxico nos procesos de crecemento do silicio fíxoos moito máis sofisticados que outros materiais semicondutores.

Estes factores xuntos manteñen o silicio monocristalino na vangarda da industria, o que o fai irremplazable por outros materiais.

En termos de estrutura cristalina, o silicio monocristalino é un material feito de átomos de silicio dispostos nunha rede periódica, formando unha estrutura continua. É a base da industria de fabricación de chips.

O seguinte diagrama ilustra o proceso completo de preparación de silicio monocristalino:

Visión xeral do proceso:
O silicio monocristalino derívase do mineral de silicio mediante unha serie de pasos de refinado. Primeiro, obtense silicio policristalino, que logo se converte nun lingote de silicio monocristalino nun forno de crecemento de cristais. Despois, córtase, pílese e procésase en obleas de silicio axeitadas para a fabricación de chips.

As obleas de silicio divídense normalmente en dúas categorías:de grao fotovoltaicoede grao semicondutorEstes dous tipos difiren principalmente na súa estrutura, pureza e calidade superficial.

• Obleas de grao semicondutorteñen unha pureza excepcionalmente alta de ata o 99,999999999 % e deben ser estritamente monocristalinos.

• Obleas de grao fotovoltaicoson menos puros, con niveis de pureza que oscilan entre o 99,99 % e o 99,9999 %, e non teñen uns requisitos tan estritos para a calidade dos cristais.

Ademais, as obleas de grao semicondutor requiren unha maior suavidade e limpeza superficial que as obleas de grao fotovoltaico. Os estándares máis elevados para as obleas semicondutoras aumentan tanto a complexidade da súa preparación como o seu valor posterior nas aplicacións.

O seguinte gráfico describe a evolución das especificacións das obleas de semicondutores, que aumentaron desde as primeiras obleas de 4 polgadas (100 mm) e 6 polgadas (150 mm) ata as actuais obleas de 8 polgadas (200 mm) e 12 polgadas (300 mm).

Na preparación real de monocristais de silicio, o tamaño da oblea varía segundo o tipo de aplicación e os factores de custo. Por exemplo, os chips de memoria adoitan usar obleas de 12 polgadas, mentres que os dispositivos de alimentación adoitan usar obleas de 8 polgadas.

En resumo, a evolución do tamaño das obleas é o resultado tanto da lei de Moore como de factores económicos. Un tamaño de oblea maior permite o crecemento dunha maior área de silicio utilizable nas mesmas condicións de procesamento, o que reduce os custos de produción e minimiza o desperdicio dos bordos das obleas.

Como material crucial no desenvolvemento tecnolóxico moderno, as obleas de silicio semicondutoras, mediante procesos precisos como a fotolitografía e a implantación de ións, permiten a produción de diversos dispositivos electrónicos, incluídos rectificadores de alta potencia, transistores, transistores de unión bipolar e dispositivos de conmutación. Estes dispositivos desempeñan un papel fundamental en campos como a intelixencia artificial, as comunicacións 5G, a electrónica automotriz, a Internet das Cousas e a industria aeroespacial, constituíndo a pedra angular do desenvolvemento económico nacional e a innovación tecnolóxica.

3. Tecnoloxía de crecemento de silicio monocristalino

O/AMétodo de Czochralski (CZ)é un proceso eficiente para extraer material monocristalino de alta calidade da masa fundida. Proposto por Jan Czochralski en 1917, este método tamén se coñece comoTirando de cristaismétodo.

Actualmente, o método CZ úsase amplamente na preparación de diversos materiais semicondutores. Segundo estatísticas incompletas, arredor do 98 % dos compoñentes electrónicos están feitos de silicio monocristalino, e o 85 % destes compoñentes prodúcense mediante o método CZ.

O método CZ é o preferido pola súa excelente calidade cristalina, tamaño controlable, rápida taxa de crecemento e alta eficiencia de produción. Estas características fan do silicio monocristalino CZ o material preferido para satisfacer a demanda de alta calidade e a grande escala na industria electrónica.

O principio de crecemento do silicio monocristalino CZ é o seguinte:

O proceso CZ require altas temperaturas, baleiro e un ambiente pechado. O equipo clave para este proceso é oforno de crecemento de cristais, o que facilita estas condicións.

O seguinte diagrama ilustra a estrutura dun forno de crecemento de cristais.

No proceso CZ, o silicio puro colócase nun crisol, fúndese e introdúcese un cristal semente no silicio fundido. Ao controlar con precisión parámetros como a temperatura, a velocidade de tracción e a velocidade de rotación do crisol, os átomos ou moléculas na interface do cristal semente e o silicio fundido reorganízanse continuamente, solidificándose a medida que o sistema arrefría e formando finalmente un monocristal.

Esta técnica de crecemento cristalino produce silicio monocristalino de gran diámetro e alta calidade con orientacións cristalinas específicas.

O proceso de crecemento implica varios pasos clave, entre eles:

1. Desmontaxe e cargaExtracción do cristal e limpeza a fondo do forno e dos compoñentes de contaminantes como cuarzo, grafito ou outras impurezas.

2. Baleiro e fusiónO sistema é evacuado a un baleiro, seguido da introdución de gas argon e o quecemento da carga de silicio.

3. Tirando de cristaisO cristal semente descende no silicio fundido e a temperatura da interface contrólase coidadosamente para garantir unha cristalización axeitada.

4. Control de ombreiros e diámetroA medida que o cristal medra, o seu diámetro vixíase e axústase coidadosamente para garantir un crecemento uniforme.

5. Fin do crecemento e apagado do fornoUnha vez acadado o tamaño de cristal desexado, o forno apágase e o cristal retírase.

Os pasos detallados deste proceso garanten a creación de monocristais de alta calidade e sen defectos axeitados para a fabricación de semicondutores.

4. Desafíos na produción de silicio monocristalino

Un dos principais desafíos na produción de monocristais semicondutores de gran diámetro reside en superar os obstáculos técnicos durante o proceso de crecemento, especialmente na predicción e o control dos defectos cristais:

1. Calidade inconsistente dos monocristais e baixo rendementoA medida que aumenta o tamaño dos monocristais de silicio, aumenta a complexidade do ambiente de crecemento, o que dificulta o control de factores como os campos térmicos, de fluxo e magnéticos. Isto complica a tarefa de conseguir unha calidade consistente e maiores rendementos.

2. Proceso de control inestableO proceso de crecemento de monocristais de silicio semicondutores é moi complexo, con múltiples campos físicos que interactúan, o que fai que a precisión do control sexa inestable e leve a baixos rendementos do produto. As estratexias de control actuais céntranse principalmente nas dimensións macroscópicas do cristal, mentres que a calidade aínda se axusta en función da experiencia manual, o que dificulta o cumprimento dos requisitos para a micro e nanofabricación en chips de circuítos integrados.

Para abordar estes desafíos, é necesario con urxencia o desenvolvemento de métodos de monitorización e predición en tempo real e en liña para a calidade dos cristais, xunto con melloras nos sistemas de control para garantir unha produción estable e de alta calidade de grandes monocristais para o seu uso en circuítos integrados.