Monokristallilise räni kasvumeetodite põhjalik ülevaade

Monokristallilise räni kasvumeetodite põhjalik ülevaade

1. Monokristallilise räni arendamise taust

Tehnoloogia areng ja kasvav nõudlus suure tõhususega nutikate toodete järele on veelgi kindlustanud integraallülituste (IC) tööstuse põhipositsiooni riigi arengus. IC tööstuse nurgakivina mängib pooljuhtmonokristalliline räni olulist rolli tehnoloogilise innovatsiooni ja majanduskasvu edendamisel.

Rahvusvahelise Pooljuhtide Tööstuste Assotsiatsiooni andmetel ulatus ülemaailmne pooljuhtplaatide turg müüginumbrini 12,6 miljardit dollarit ning tarnete maht kasvas 14,2 miljardi ruuttollini. Lisaks kasvab räniplaatide nõudlus pidevalt.

Siiski on ülemaailmne räniplaatide tööstus väga kontsentreeritud, kusjuures viis suurimat tarnijat domineerivad üle 85% turuosast, nagu allpool näidatud:

• Shin-Etsu Chemical (Jaapan)

• SUMCO (Jaapan)

• Globaalsed vahvlid

• Siltronic (Saksamaa)

• SK Siltron (Lõuna-Korea)

See oligopol põhjustab Hiina suurt sõltuvust imporditud monokristallilistest räniplaatidest, millest on saanud üks peamisi kitsaskohti, mis piirab riigi integraallülituste tööstuse arengut.

Pooljuhtide räni monokristallide tootmissektori praeguste väljakutsete ületamiseks on vältimatu valik investeerida teadus- ja arendustegevusse ning tugevdada kodumaiseid tootmisvõimsusi.

2. Monokristallilise räni materjali ülevaade

Monokristalliline räni on integraallülituste tööstuse alus. Praeguseks on üle 90% integraallülituste kiipidest ja elektroonikaseadmetest valmistatud monokristallilist räni kasutades põhimaterjalina. Monokristallilise räni laialdane nõudlus ja selle mitmekesised tööstuslikud rakendused on seletatavad mitme teguriga:

1. Ohutus ja keskkonnasõbralikkusRäni leidub maakoores ohtralt, see on mittetoksiline ja keskkonnasõbralik.

2. ElektriisolatsioonRänil on looduslikult elektriisolatsiooni omadused ja kuumtöötlemisel moodustab see ränidioksiidist kaitsekihi, mis hoiab tõhusalt ära elektrilaengu kadumise.

3. Küpse kasvu tehnoloogiaRäni kasvuprotsesside pikk tehnoloogilise arengu ajalugu on muutnud selle palju keerukamaks kui teised pooljuhtmaterjalid.

Need tegurid hoiavad monokristallilist räni tööstusharu esirinnas, muutes selle teiste materjalide jaoks asendamatuks.

Kristallstruktuuri poolest on monokristalliline räni materjal, mis on valmistatud perioodilises võres paiknevatest räni aatomitest, moodustades pideva struktuuri. See on kiibitööstuse alus.

Järgnev diagramm illustreerib monokristallilise räni valmistamise täielikku protsessi:

Protsessi ülevaade:
Monokristalliline räni saadakse ränimaagist mitmete rafineerimisetappide abil. Esmalt saadakse polükristalliline räni, mis seejärel kasvatatakse kristallikasvatusahjus monokristalliliseks räni valuplokiks. Seejärel lõigatakse, poleeritakse ja töödeldakse kiipide tootmiseks sobivateks räniplaatideks.

Räniplaadid jagunevad tavaliselt kahte kategooriasse:fotogalvaanilise kvaliteedigajapooljuhtklassiNeed kaks tüüpi erinevad peamiselt oma struktuuri, puhtuse ja pinnakvaliteedi poolest.

• Pooljuhtide kvaliteediga vahvlidon erakordselt kõrge puhtusastmega, kuni 99,999999999%, ja need peavad rangelt olema monokristallilised.

• Fotogalvaanilise kvaliteediga vahvlidon vähem puhtad, puhtusastmega 99,99% kuni 99,9999% ja neil ei ole nii rangeid kristallikvaliteedi nõudeid.

Lisaks nõuavad pooljuhtplaatide pinna siledust ja puhtust võrreldes fotogalvaaniliste plaatidega. Pooljuhtplaatidele esitatavad kõrgemad standardid suurendavad nii nende valmistamise keerukust kui ka hilisemat väärtust rakendustes.

Järgnev diagramm annab ülevaate pooljuhtplaatide spetsifikatsioonide arengust, mis on suurenenud varajastest 4-tollistest (100 mm) ja 6-tollistest (150 mm) vahvlitest praeguste 8-tolliste (200 mm) ja 12-tolliste (300 mm) vahvliteni.

Ränimonokristalli tegelikus valmistamisel varieerub vahvli suurus olenevalt rakenduse tüübist ja kuluteguritest. Näiteks mälukiibid kasutavad tavaliselt 12-tolliseid vahvleid, samas kui toiteseadmed kasutavad sageli 8-tolliseid vahvleid.

Kokkuvõttes on vahvli suuruse areng nii Moore'i seaduse kui ka majanduslike tegurite tulemus. Suurem vahvli suurus võimaldab samadel töötlemistingimustel suurendada kasutatavat räni pinda, vähendades tootmiskulusid ja minimeerides vahvli servade jäätmeid.

Kaasaegse tehnoloogilise arengu olulise materjalina võimaldavad pooljuht-räniplaadid täppisprotsesside, näiteks fotolitograafia ja ioonimplantatsiooni abil toota mitmesuguseid elektroonikaseadmeid, sealhulgas suure võimsusega alaldeid, transistore, bipolaartransistore ja lülitusseadmeid. Need seadmed mängivad võtmerolli sellistes valdkondades nagu tehisintellekt, 5G-side, autoelektroonika, asjade internet ja lennundus, moodustades riigi majandusarengu ja tehnoloogilise innovatsiooni nurgakivi.

3. Monokristallilise räni kasvutehnoloogia

SeeCzochralski (Tšehhi) meetodon tõhus protsess kvaliteetse monokristallilise materjali sulamist eraldamiseks. Jan Czochralski poolt 1917. aastal välja pakutud meetod on tuntud ka kuiKristallide tõmbaminemeetod.

Praegu kasutatakse CZ-meetodit laialdaselt mitmesuguste pooljuhtmaterjalide valmistamisel. Mittetäieliku statistika kohaselt on umbes 98% elektroonikakomponentidest valmistatud monokristallilisest ränist, kusjuures 85% neist komponentidest on toodetud CZ-meetodi abil.

CZ-meetodit eelistatakse selle suurepärase kristallikvaliteedi, kontrollitava suuruse, kiire kasvukiiruse ja kõrge tootmistõhususe tõttu. Need omadused muudavad CZ-monokristalliliseks räni eelistatud materjaliks elektroonikatööstuse kõrgekvaliteedilise ja laiaulatusliku nõudluse rahuldamiseks.

CZ monokristallilise räni kasvupõhimõte on järgmine:

CZ protsess nõuab kõrgeid temperatuure, vaakumit ja suletud keskkonda. Selle protsessi põhiseadmed onkristallikasvuahi, mis neid tingimusi soodustab.

Järgnev diagramm illustreerib kristallikasvuahju struktuuri.

CZ-protsessis asetatakse puhas räni tiiglisse, sulatatakse see ja sula räni sisse lisatakse seemnekristall. Selliste parameetrite nagu temperatuur, tõmbekiirus ja tiigli pöörlemiskiirus täpse juhtimise abil reorganiseeruvad seemnekristalli ja sula räni vahelisel piiril olevad aatomid või molekulid pidevalt, tahkudes süsteemi jahtudes ja moodustades lõpuks monokristalli.

See kristallikasvatustehnika annab tulemuseks kvaliteetse, suure läbimõõduga monokristallilise räni, millel on spetsiifiline kristallide orientatsioon.

Kasvuprotsess hõlmab mitmeid olulisi samme, sealhulgas:

1. Lahtivõtmine ja laadimineKristalli eemaldamine ja ahju ning komponentide põhjalik puhastamine saasteainetest, näiteks kvartsist, grafiidist või muudest lisanditest.

2. Vaakum ja sulatamineSüsteem evakueeritakse vaakumisse, millele järgneb argoongaasi sissejuhatamine ja räni laengu kuumutamine.

3. Kristallide tõmbamineSeemnekristall langetatakse sula räni sisse ja liidese temperatuuri kontrollitakse hoolikalt, et tagada korralik kristalliseerumine.

4. Õla ja läbimõõdu kontrollKristalli kasvades jälgitakse ja reguleeritakse selle läbimõõtu hoolikalt, et tagada ühtlane kasv.

5. Kasvu lõpp ja ahju seiskamineKui soovitud kristalli suurus on saavutatud, lülitatakse ahi välja ja kristall eemaldatakse.

Selle protsessi detailsed etapid tagavad pooljuhtide tootmiseks sobivate kvaliteetsete ja defektivabade monokristallide loomise.

4. Monokristallilise räni tootmise väljakutsed

Üks peamisi väljakutseid suure läbimõõduga pooljuhtmonokristallide tootmisel seisneb kasvuprotsessi käigus esinevate tehniliste kitsaskohtade ületamises, eriti kristallidefektide ennustamisel ja kontrollimisel:

1. Ebajärjekindel monokristallide kvaliteet ja madal saagikusRänimonokristallide suuruse suurenedes muutub kasvukeskkond keerukamaks, mistõttu on raske kontrollida selliseid tegureid nagu termiline, voolu- ja magnetväli. See raskendab ühtlase kvaliteedi ja suurema saagikuse saavutamist.

2. Ebastabiilne juhtimisprotsessPooljuhtide räni monokristallide kasvuprotsess on väga keeruline, hõlmates mitut omavahel interakteerivat füüsikalist välja, mis muudab juhtimise täpsuse ebastabiilseks ja viib madala saagikuseni. Praegused juhtimisstrateegiad keskenduvad peamiselt kristalli makroskoopilistele mõõtmetele, samas kui kvaliteeti reguleeritakse endiselt käsitsi saadud kogemuste põhjal, mistõttu on mikro- ja nanoosakeste valmistamise nõuete täitmine mikrokiipides keeruline.

Nende probleemide lahendamiseks on hädavajalik välja töötada reaalajas ja võrgus jälgitavad ning ennustavad kristallide kvaliteeti ning täiustada juhtimissüsteeme, et tagada integraallülitustes kasutatavate suurte monokristallide stabiilne ja kvaliteetne tootmine.