مروری جامع بر روش‌های رشد سیلیکون تک‌بلوری

مروری جامع بر روش‌های رشد سیلیکون تک‌بلوری

۱. پیشینه توسعه سیلیکون تک‌بلوری

پیشرفت فناوری و تقاضای روزافزون برای محصولات هوشمند با راندمان بالا، جایگاه اصلی صنعت مدارهای مجتمع (IC) را در توسعه ملی بیش از پیش تثبیت کرده است. سیلیکون تک‌بلوری نیمه‌رسانا، به عنوان سنگ بنای صنعت مدارهای مجتمع، نقش حیاتی در پیشبرد نوآوری‌های فناوری و رشد اقتصادی ایفا می‌کند.

طبق داده‌های انجمن بین‌المللی صنعت نیمه‌هادی، بازار جهانی ویفر نیمه‌هادی به رقم فروش ۱۲.۶ میلیارد دلار رسیده است و حجم محموله‌ها به ۱۴.۲ میلیارد اینچ مربع افزایش یافته است. علاوه بر این، تقاضا برای ویفرهای سیلیکونی همچنان به طور پیوسته در حال افزایش است.

با این حال، صنعت جهانی ویفر سیلیکون بسیار متمرکز است و پنج تأمین‌کننده برتر، همانطور که در زیر نشان داده شده است، بیش از 85 درصد از سهم بازار را در اختیار دارند:

• شرکت شیمیایی شین-اتسو (ژاپن)

• سومکو (ژاپن)

• ویفرهای جهانی

• سیلترونیک (آلمان)

• اس‌کی سیلترون (کره جنوبی)

این انحصار چندجانبه منجر به وابستگی شدید چین به ویفرهای سیلیکونی تک‌بلوری وارداتی شده است که به یکی از تنگناهای کلیدی محدودکننده توسعه صنعت مدارهای مجتمع این کشور تبدیل شده است.

برای غلبه بر چالش‌های فعلی در بخش تولید مونوکریستال‌های سیلیکون نیمه‌هادی، سرمایه‌گذاری در تحقیق و توسعه و تقویت قابلیت‌های تولید داخلی یک انتخاب اجتناب‌ناپذیر است.

۲. بررسی اجمالی مواد سیلیکونی تک‌بلوری

سیلیکون تک‌بلوری پایه و اساس صنعت مدارهای مجتمع است. تا به امروز، بیش از ۹۰٪ تراشه‌های مدار مجتمع و دستگاه‌های الکترونیکی با استفاده از سیلیکون تک‌بلوری به عنوان ماده اصلی ساخته می‌شوند. تقاضای گسترده برای سیلیکون تک‌بلوری و کاربردهای صنعتی متنوع آن را می‌توان به چندین عامل نسبت داد:

1. ایمنی و سازگار با محیط زیستسیلیکون به وفور در پوسته زمین یافت می‌شود، غیرسمی و سازگار با محیط زیست است.

2. عایق الکتریکیسیلیکون به طور طبیعی خواص عایق الکتریکی از خود نشان می‌دهد و پس از عملیات حرارتی، یک لایه محافظ از دی اکسید سیلیکون تشکیل می‌دهد که به طور موثری از اتلاف بار الکتریکی جلوگیری می‌کند.

3. فناوری رشد بالغسابقه طولانی توسعه فناوری در فرآیندهای رشد سیلیکون، آن را بسیار پیچیده‌تر از سایر مواد نیمه‌هادی کرده است.

این عوامل در کنار هم، سیلیکون تک‌بلوری را در خط مقدم صنعت نگه می‌دارند و آن را غیرقابل جایگزینی با سایر مواد می‌کنند.

از نظر ساختار کریستالی، سیلیکون تک‌بلوری ماده‌ای است که از اتم‌های سیلیکون که در یک شبکه تناوبی قرار گرفته‌اند و یک ساختار پیوسته را تشکیل می‌دهند، ساخته شده است. این ماده اساس صنعت تولید تراشه است.

نمودار زیر فرآیند کامل تهیه سیلیکون تک کریستالی را نشان می‌دهد:

مرور کلی فرآیند:
سیلیکون تک‌بلوری از طریق یک سری مراحل پالایش از سنگ معدن سیلیکون به دست می‌آید. ابتدا، سیلیکون چندبلوری به دست می‌آید که سپس در کوره رشد کریستال به شمش سیلیکون تک‌بلوری تبدیل می‌شود. پس از آن، برش داده می‌شود، صیقل داده می‌شود و به ویفرهای سیلیکونی مناسب برای ساخت تراشه تبدیل می‌شود.

ویفرهای سیلیکونی معمولاً به دو دسته تقسیم می‌شوند:درجه فتوولتائیکونیمه‌هادی درجهاین دو نوع عمدتاً در ساختار، خلوص و کیفیت سطح خود متفاوت هستند.

• ویفرهای نیمه‌هادیخلوص فوق‌العاده بالایی تا 99.999999999٪ دارند و اکیداً لازم است که تک‌بلوری باشند.

• ویفرهای فتوولتائیکخلوص کمتری دارند و سطح خلوص آنها از ۹۹.۹۹٪ تا ۹۹.۹۹۹۹٪ متغیر است و چنین الزامات سختگیرانه‌ای برای کیفیت کریستال ندارند.

علاوه بر این، ویفرهای نیمه‌هادی در مقایسه با ویفرهای فتوولتائیک به صافی و تمیزی سطح بالاتری نیاز دارند. استانداردهای بالاتر برای ویفرهای نیمه‌هادی، هم پیچیدگی آماده‌سازی آنها و هم ارزش بعدی آنها را در کاربردها افزایش می‌دهد.

نمودار زیر سیر تکامل مشخصات ویفرهای نیمه‌هادی را نشان می‌دهد که از ویفرهای اولیه ۴ اینچی (۱۰۰ میلی‌متر) و ۶ اینچی (۱۵۰ میلی‌متر) به ویفرهای فعلی ۸ اینچی (۲۰۰ میلی‌متر) و ۱۲ اینچی (۳۰۰ میلی‌متر) افزایش یافته است.

در آماده‌سازی واقعی تک‌بلور سیلیکون، اندازه ویفر بر اساس نوع کاربرد و عوامل هزینه متفاوت است. به عنوان مثال، تراشه‌های حافظه معمولاً از ویفرهای ۱۲ اینچی استفاده می‌کنند، در حالی که دستگاه‌های قدرت اغلب از ویفرهای ۸ اینچی استفاده می‌کنند.

به طور خلاصه، تکامل اندازه ویفر نتیجه قانون مور و عوامل اقتصادی است. اندازه بزرگتر ویفر امکان رشد مساحت سیلیکون قابل استفاده بیشتر را در شرایط پردازش یکسان فراهم می‌کند و هزینه‌های تولید را کاهش می‌دهد و در عین حال ضایعات لبه‌های ویفر را به حداقل می‌رساند.

ویفرهای سیلیکونی نیمه‌رسانا، به عنوان یک ماده حیاتی در توسعه فناوری مدرن، از طریق فرآیندهای دقیقی مانند لیتوگرافی نوری و کاشت یون، امکان تولید دستگاه‌های الکترونیکی مختلف، از جمله یکسوکننده‌های توان بالا، ترانزیستورها، ترانزیستورهای اتصال دوقطبی و دستگاه‌های سوئیچینگ را فراهم می‌کنند. این دستگاه‌ها نقش کلیدی در زمینه‌هایی مانند هوش مصنوعی، ارتباطات 5G، الکترونیک خودرو، اینترنت اشیا و هوافضا دارند و سنگ بنای توسعه اقتصادی ملی و نوآوری فناوری را تشکیل می‌دهند.

۳. فناوری رشد سیلیکون تک‌بلوری

روش چکرالسکی (CZ)یک فرآیند کارآمد برای بیرون کشیدن مواد تک بلوری با کیفیت بالا از مذاب است. این روش که توسط یان چکرالسکی در سال ۱۹۱۷ پیشنهاد شد، به عنوان ... نیز شناخته می‌شود.کشیدن کریستالروش.

در حال حاضر، روش CZ به طور گسترده در تهیه مواد نیمه‌هادی مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. طبق آمار ناقص، حدود ۹۸٪ از قطعات الکترونیکی از سیلیکون تک‌بلوری ساخته می‌شوند که ۸۵٪ از این قطعات با استفاده از روش CZ تولید می‌شوند.

روش CZ به دلیل کیفیت عالی کریستال، اندازه قابل کنترل، سرعت رشد سریع و راندمان تولید بالا مورد توجه است. این ویژگی‌ها، سیلیکون تک‌بلوری CZ را به ماده‌ای ترجیحی برای برآورده کردن تقاضای با کیفیت بالا و در مقیاس بزرگ در صنعت الکترونیک تبدیل می‌کند.

اصل رشد سیلیکون تک بلوری CZ به شرح زیر است:

فرآیند CZ به دمای بالا، خلاء و محیط بسته نیاز دارد. تجهیزات کلیدی برای این فرآیند عبارتند ازکوره رشد کریستال، که این شرایط را تسهیل می‌کند.

نمودار زیر ساختار یک کوره رشد کریستال را نشان می‌دهد.

در فرآیند CZ، سیلیکون خالص در یک بوته قرار داده می‌شود، ذوب می‌شود و یک کریستال بذر به سیلیکون مذاب وارد می‌شود. با کنترل دقیق پارامترهایی مانند دما، نرخ کشش و سرعت چرخش بوته، اتم‌ها یا مولکول‌ها در سطح مشترک کریستال بذر و سیلیکون مذاب به طور مداوم سازماندهی مجدد می‌شوند و با سرد شدن سیستم، جامد می‌شوند و در نهایت یک کریستال واحد تشکیل می‌دهند.

این تکنیک رشد کریستال، سیلیکون تک بلوری با قطر بزرگ و کیفیت بالا با جهت‌گیری‌های کریستالی خاص تولید می‌کند.

فرآیند رشد شامل چندین مرحله کلیدی است، از جمله:

1. جداسازی قطعات و بارگیریحذف کریستال و تمیز کردن کامل کوره و قطعات از آلاینده‌هایی مانند کوارتز، گرافیت یا سایر ناخالصی‌ها.

2. خلاء و ذوبسیستم به خلاء منتقل می‌شود و پس از آن گاز آرگون وارد شده و بار سیلیکونی گرم می‌شود.

3. کشیدن کریستالکریستال بذر به داخل سیلیکون مذاب فرو برده می‌شود و دمای سطح مشترک به دقت کنترل می‌شود تا از تبلور مناسب اطمینان حاصل شود.

4. کنترل شانه و قطر: همزمان با رشد کریستال، قطر آن به دقت پایش و تنظیم می‌شود تا از رشد یکنواخت اطمینان حاصل شود.

5. پایان رشد و خاموشی کوره: پس از رسیدن به اندازه کریستال مورد نظر، کوره خاموش شده و کریستال خارج می‌شود.

مراحل دقیق این فرآیند، ایجاد تک‌بلورهای باکیفیت و بدون نقص مناسب برای ساخت نیمه‌رساناها را تضمین می‌کند.

۴. چالش‌های تولید سیلیکون تک‌بلوری

یکی از چالش‌های اصلی در تولید تک‌بلورهای نیمه‌هادی با قطر بزرگ، غلبه بر تنگناهای فنی در طول فرآیند رشد، به ویژه در پیش‌بینی و کنترل عیوب کریستالی است:

1. کیفیت تک بلوری متناقض و بازده پایینبا افزایش اندازه تک‌بلورهای سیلیکون، پیچیدگی محیط رشد افزایش می‌یابد و کنترل عواملی مانند میدان‌های حرارتی، جریان و مغناطیسی را دشوار می‌کند. این امر، دستیابی به کیفیت ثابت و بازده بالاتر را پیچیده می‌کند.

2. فرآیند کنترل ناپایدارفرآیند رشد تک‌بلورهای سیلیکون نیمه‌رسانا بسیار پیچیده است و میدان‌های فیزیکی متعددی در آن برهمکنش دارند که باعث ناپایداری دقت کنترل و در نتیجه کاهش بازده محصول می‌شود. استراتژی‌های کنترل فعلی عمدتاً بر ابعاد ماکروسکوپی کریستال تمرکز دارند، در حالی که کیفیت هنوز بر اساس تجربه دستی تنظیم می‌شود و این امر برآورده کردن الزامات ساخت میکرو و نانو در تراشه‌های IC را دشوار می‌کند.

برای پرداختن به این چالش‌ها، توسعه روش‌های نظارت و پیش‌بینی آنلاین و بلادرنگ برای کیفیت کریستال، همراه با بهبود سیستم‌های کنترل برای اطمینان از تولید پایدار و با کیفیت بالای مونوکریستال‌های بزرگ برای استفاده در مدارهای مجتمع، ضروری است.