Комплексный обзор методов выращивания монокристаллического кремния

Комплексный обзор методов выращивания монокристаллического кремния

1. Предпосылки разработки монокристаллического кремния

Развитие технологий и растущий спрос на высокоэффективные интеллектуальные продукты ещё больше укрепили ключевое положение производства интегральных схем (ИС) в национальном развитии. Будучи краеугольным камнем отрасли ИС, полупроводниковый монокристаллический кремний играет важнейшую роль в стимулировании технологических инноваций и экономического роста.

По данным Международной ассоциации полупроводниковой промышленности, объём мирового рынка полупроводниковых пластин достиг 12,6 млрд долларов США, а объём поставок увеличился до 14,2 млрд квадратных дюймов. При этом спрос на кремниевые пластины продолжает стабильно расти.

Однако мировая индустрия кремниевых пластин отличается высокой концентрацией: на долю пяти крупнейших поставщиков приходится более 85% доли рынка, как показано ниже:

• Shin-Etsu Chemical (Япония)

• SUMCO (Япония)

• Глобальные вафли

• Siltronic (Германия)

• SK Siltron (Южная Корея)

Эта олигополия приводит к сильной зависимости Китая от импорта монокристаллических кремниевых пластин, что стало одним из основных препятствий, сдерживающих развитие отрасли интегральных схем в стране.

Для преодоления текущих проблем в секторе производства монокристаллов полупроводникового кремния неизбежным выбором являются инвестиции в исследования и разработки, а также укрепление внутреннего производственных возможностей.

2. Обзор материала монокристаллического кремния

Монокристаллический кремний является основой производства интегральных схем. На сегодняшний день более 90% микросхем и электронных устройств производятся с использованием монокристаллического кремния в качестве основного материала. Высокий спрос на монокристаллический кремний и его разнообразные промышленные применения обусловлены несколькими факторами:

1. Безопасность и экологичность: Кремний широко распространен в земной коре, он нетоксичен и безопасен для окружающей среды.

2. Электроизоляция: Кремний по своей природе обладает электроизоляционными свойствами, а при термической обработке образует защитный слой диоксида кремния, который эффективно предотвращает потерю электрического заряда.

3. Технология зрелого роста: Длительная история технологического развития процессов выращивания кремния сделала его гораздо более сложным по сравнению с другими полупроводниковыми материалами.

Сочетание этих факторов позволяет монокристаллическому кремнию занимать лидирующие позиции в отрасли, делая его незаменимым для других материалов.

С точки зрения кристаллической структуры монокристаллический кремний — это материал, состоящий из атомов кремния, расположенных в периодической решётке, образующей непрерывную структуру. Он является основой производства микросхем.

На следующей диаграмме показан полный процесс получения монокристаллического кремния:

Обзор процесса:
Монокристаллический кремний получают из кремниевой руды посредством ряда стадий очистки. Сначала получают поликристаллический кремний, который затем выращивают в монокристаллическом кремниевом слитке в печи для выращивания кристаллов. После этого кремний режут, полируют и перерабатывают в кремниевые пластины, пригодные для производства микросхем.

Кремниевые пластины обычно делятся на две категории:фотоэлектрического классаиполупроводникового класса. Эти два типа различаются главным образом по своей структуре, чистоте и качеству поверхности.

• Пластины полупроводникового качестваимеют исключительно высокую чистоту до 99,999999999% и строго должны быть монокристаллическими.

• Фотоэлектрические пластиныони менее чистые, с уровнем чистоты от 99,99% до 99,9999%, и не имеют столь строгих требований к качеству кристаллов.

Кроме того, пластины полупроводникового качества требуют более высокой гладкости и чистоты поверхности, чем пластины фотоэлектрического качества. Более высокие стандарты, предъявляемые к полупроводниковым пластинам, увеличивают как сложность их изготовления, так и их последующую ценность для приложений.

На следующей диаграмме показана эволюция спецификаций полупроводниковых пластин, которые увеличились с ранних 4-дюймовых (100 мм) и 6-дюймовых (150 мм) пластин до современных 8-дюймовых (200 мм) и 12-дюймовых (300 мм) пластин.

При изготовлении реальных монокристаллов кремния размер пластины варьируется в зависимости от типа применения и стоимости. Например, для микросхем памяти обычно используются 12-дюймовые пластины, а для силовых устройств — 8-дюймовые.

Подводя итог, можно сказать, что изменение размера пластины является результатом как закона Мура, так и экономических факторов. Больший размер пластины позволяет увеличить полезную площадь кремния при тех же условиях обработки, снижая производственные затраты и минимизируя отходы с краев пластины.

Будучи важнейшим материалом для современного технологического развития, полупроводниковые кремниевые пластины, полученные с помощью таких прецизионных процессов, как фотолитография и ионная имплантация, позволяют производить различные электронные устройства, включая мощные выпрямители, транзисторы, биполярные транзисторы и коммутационные устройства. Эти устройства играют ключевую роль в таких областях, как искусственный интеллект, связь 5G, автомобильная электроника, Интернет вещей и аэрокосмическая промышленность, являясь краеугольным камнем развития национальной экономики и технологических инноваций.

3. Технология выращивания монокристаллического кремния

TheМетод Чохральского (CZ)Это эффективный процесс получения высококачественного монокристаллического материала из расплава. Этот метод, предложенный Яном Чохральским в 1917 году, также известен какВытягивание кристалловметод.

В настоящее время метод ЦЗ широко применяется для получения различных полупроводниковых материалов. По неполным данным, около 98% электронных компонентов изготавливается из монокристаллического кремния, причём 85% этих компонентов производятся методом ЦЗ.

Метод CZ популярен благодаря превосходному качеству кристаллов, контролируемому размеру, высокой скорости роста и высокой эффективности производства. Эти характеристики делают монокристаллический кремний CZ предпочтительным материалом для удовлетворения высококачественного и массового спроса в электронной промышленности.

Принцип роста монокристаллического кремния CZ заключается в следующем:

Процесс CZ требует высоких температур, вакуума и замкнутой среды. Ключевым оборудованием для этого процесса являетсяпечь для выращивания кристаллов, что облегчает эти условия.

На следующей диаграмме показана структура печи для выращивания кристаллов.

В процессе CZ чистый кремний помещают в тигель, расплавляют, а затем в расплавленный кремний вводят затравочный кристалл. Благодаря точному контролю таких параметров, как температура, скорость вытягивания и скорость вращения тигля, атомы или молекулы на границе затравочного кристалла и расплавленного кремния непрерывно реорганизуются, затвердевая по мере охлаждения системы и в конечном итоге образуя монокристалл.

Этот метод выращивания кристаллов позволяет получать высококачественный монокристаллический кремний большого диаметра с определенной ориентацией кристаллов.

Процесс роста включает несколько ключевых этапов, включая:

1. Разборка и погрузка: Извлечение кристалла и тщательная очистка печи и компонентов от загрязнений, таких как кварц, графит и другие примеси.

2. Вакуум и плавление: Система откачивается до вакуума, после чего вводится газ аргон и производится нагрев кремниевой шихты.

3. Вытягивание кристаллов: Затравочный кристалл опускается в расплавленный кремний, и температура интерфейса тщательно контролируется для обеспечения правильной кристаллизации.

4. Контроль уступов и диаметра: По мере роста кристалла его диаметр тщательно контролируется и регулируется для обеспечения равномерного роста.

5. Окончание роста и остановка печи: Как только достигается нужный размер кристалла, печь выключается, а кристалл извлекается.

Детализированные этапы этого процесса гарантируют создание высококачественных, бездефектных монокристаллов, пригодных для производства полупроводников.

4. Проблемы производства монокристаллического кремния

Одной из основных проблем при производстве полупроводниковых монокристаллов большого диаметра является преодоление технических трудностей в процессе роста, в частности, в прогнозировании и контроле дефектов кристалла:

1. Нестабильное качество монокристаллов и низкий выход годных изделий: С увеличением размера монокристаллов кремния возрастает сложность условий роста, что затрудняет контроль таких факторов, как тепловые, потоковые и магнитные поля. Это усложняет задачу достижения стабильного качества и более высокой производительности.

2. Нестабильный процесс управленияПроцесс выращивания полупроводниковых кремниевых монокристаллов чрезвычайно сложен, поскольку взаимодействие множества физических полей делает точность управления нестабильной и приводит к низкому выходу готовой продукции. Современные стратегии управления в основном ориентированы на макроскопические размеры кристалла, в то время как качество по-прежнему регулируется на основе ручного опыта, что затрудняет выполнение требований микро- и нанопроизводства интегральных схем.

Для решения этих задач крайне необходима разработка методов онлайн-мониторинга и прогнозирования качества кристаллов в режиме реального времени, а также совершенствование систем управления для обеспечения стабильного и высококачественного производства крупных монокристаллов для использования в интегральных схемах.