In wiidweidich oersjoch fan metoaden foar groei fan monokristallijne silisium

In wiidweidich oersjoch fan metoaden foar groei fan monokristallijne silisium

1. Eftergrûn fan ûntwikkeling fan monokristallijn silisium

De foarútgong fan technology en de groeiende fraach nei heech-effisjinte tûke produkten hawwe de kearnposysje fan 'e yntegreare circuit (IC) yndustry yn nasjonale ûntwikkeling fierder fersterke. As de hoekstien fan 'e IC-yndustry spilet healgeleider monokristallijn silisium in essensjele rol yn it oandriuwen fan technologyske ynnovaasje en ekonomyske groei.

Neffens gegevens fan 'e International Semiconductor Industry Association berikte de wrâldwide merk foar healgeleiderwafers in ferkeapsifer fan $12,6 miljard, mei ferstjoeringen dy't groeiden nei 14,2 miljard fjouwerkante inch. Boppedat bliuwt de fraach nei silisiumwafers stadichoan tanimme.

De wrâldwide silisiumwaferyndustry is lykwols tige konsintrearre, mei de top fiif leveransiers dy't mear as 85% fan it merkoandiel dominearje, lykas hjirûnder werjûn:

• Shin-Etsu Chemical (Japan)

• SUMCO (Japan)

• Globale wafels

• Siltronic (Dútslân)

• SK Siltron (Súd-Korea)

Dit oligopoly resultearret yn 'e swiere ôfhinklikens fan Sina fan ymportearre monokristallijne silisiumwafers, wat ien fan 'e wichtichste knelpunten wurden is dy't de ûntwikkeling fan 'e yntegreare circuityndustry fan it lân beheint.

Om de hjoeddeistige útdagings yn 'e sektor foar produksje fan healgeleiders-silisiummonokristallen te oerwinnen, is ynvestearjen yn ûndersyk en ûntwikkeling en it fersterkjen fan binnenlânske produksjemooglikheden in ûnûntkomber kar.

2. Oersjoch fan monokristallijn silisiummateriaal

Monokristallijn silisium is de basis fan 'e yntegreare circuityndustry. Oant no ta wurde mear as 90% fan IC-chips en elektroanyske apparaten makke mei monokristallijn silisium as it primêre materiaal. De wiidfersprate fraach nei monokristallijn silisium en syn ferskate yndustriële tapassingen kin taskreaun wurde oan ferskate faktoaren:

1. Feilichheid en miljeufreonlikSilisium is oerfloedich yn 'e ierdkoarste, net-giftich en miljeufreonlik.

2. Elektryske isolaasjeSilisium fertoant fan natuere elektryske isolaasje-eigenskippen, en by waarmtebehanneling foarmet it in beskermjende laach fan silisiumdiokside, dy't effektyf it ferlies fan elektryske lading foarkomt.

3. Folwoeksen groeitechnologyDe lange skiednis fan technologyske ûntwikkeling yn silisiumgroeiprosessen hat it folle ferfine makke as oare healgeleidermaterialen.

Dizze faktoaren tegearre hâlde monokristallijn silisium oan 'e foargrûn fan' e yndustry, wêrtroch it ûnferfangber is troch oare materialen.

Wat de kristalstruktuer oanbelanget, is monokristallijn silisium in materiaal makke fan silisiumatomen dy't yn in periodyk roaster rangearre binne, wêrtroch't in trochgeande struktuer ûntstiet. It is de basis fan 'e chipproduksje-yndustry.

It folgjende diagram yllustrearret it folsleine proses fan monokristallijne silisium tarieding:

Proses Oersjoch:
Monokristallijn silisium wurdt ôflaat fan silisiumerts troch in searje raffinaazjestappen. Earst wurdt polykristallijn silisium krigen, dat dan yn in kristalgroeioven ta in monokristallijn silisiumstaaf groeid wurdt. Dêrnei wurdt it snien, gepolijst en ferwurke ta silisiumwafers dy't geskikt binne foar chipproduksje.

Silisiumwafers wurde typysk ferdield yn twa kategoryen:fotovoltaïsk-klasseenhealgeleiderkwaliteitDizze twa typen ferskille benammen yn har struktuer, suverens en oerflakkwaliteit.

• Wafers fan healgeleiderkwaliteithawwe in útsûnderlik hege suverens fan maksimaal 99.999999999%, en moatte strikt monokristallijn wêze.

• Fotovoltaïske wafersbinne minder suver, mei suverensnivo's fariearjend fan 99,99% oant 99,9999%, en hawwe net sa strange easken foar kristalkwaliteit.

Derneist fereaskje wafers fan healgeleiderkwaliteit in hegere oerflakglêdens en skjinens as wafers fan fotovoltaïske kwaliteit. De hegere noarmen foar healgeleiderwafers ferheegje sawol de kompleksiteit fan har tarieding as har lettere wearde yn tapassingen.

De folgjende tabel sketst de evolúsje fan spesifikaasjes foar healgeleiderwafers, dy't tanommen binne fan iere 4-inch (100 mm) en 6-inch (150 mm) wafers nei hjoeddeistige 8-inch (200 mm) en 12-inch (300 mm) wafers.

By de werklike tarieding fan silisiummonokristallen fariëarret de wafergrutte ôfhinklik fan it type tapassing en kostenfaktoaren. Bygelyks, ûnthâldchips brûke meastentiids wafers fan 12 inch, wylst stroomfoarsjennings faak wafers fan 8 inch brûke.

Gearfetsjend is de evolúsje fan wafergrutte it resultaat fan sawol de Wet fan Moore as ekonomyske faktoaren. In gruttere wafergrutte makket de groei mooglik fan in mear brûkber silisiumgebiet ûnder deselde ferwurkingsomstannichheden, wêrtroch produksjekosten wurde fermindere en ôffal fan waferrânen minimalisearre wurdt.

As in krúsjaal materiaal yn moderne technologyske ûntwikkeling, meitsje healgeleider-siliciumwafers, troch presys prosessen lykas fotolitografy en ionymplantaasje, de produksje fan ferskate elektroanyske apparaten mooglik, ynklusyf hege-fermogen gelijkrichters, transistors, bipolare junction transistors en skeakelapparaten. Dizze apparaten spylje in wichtige rol yn fjilden lykas keunstmjittige yntelliginsje, 5G-kommunikaasje, auto-elektroanika, it Ynternet fan Dingen en loftfeart, en foarmje de hoekstien fan nasjonale ekonomyske ûntwikkeling en technologyske ynnovaasje.

3. Monokristallijne silisiumgroeitechnology

DeCzochralski (CZ) Metoadeis in effisjint proses foar it lûken fan monokristallijn materiaal fan hege kwaliteit út 'e smelt. Dizze metoade, foarsteld troch Jan Czochralski yn 1917, is ek bekend as deKristal lûkemetoade.

Op it stuit wurdt de CZ-metoade in soad brûkt by de tarieding fan ferskate healgeleidermaterialen. Neffens ûnfolsleine statistiken is sawat 98% fan 'e elektroanyske komponinten makke fan monokristallijn silisium, wêrfan 85% mei de CZ-metoade produsearre wurdt.

De CZ-metoade wurdt foarkar jûn fanwegen syn poerbêste kristalkwaliteit, kontrolearbere grutte, rappe groeisnelheid en hege produksjeeffisjinsje. Dizze skaaimerken meitsje CZ monokristallijn silisium it foarkommende materiaal om te foldwaan oan de hege kwaliteit, grutskalige fraach yn 'e elektroanika-yndustry.

It groeiprinsipe fan CZ monokristallijn silisium is as folget:

It CZ-proses fereasket hege temperatueren, in fakuüm en in sletten omjouwing. De wichtichste apparatuer foar dit proses is dekristal groei oven, wat dizze betingsten fasilitearret.

It folgjende diagram yllustrearret de struktuer fan in kristalgroeioven.

Yn it CZ-proses wurdt suver silisium yn in kroes pleatst, smolten, en in siedkristal wurdt yn it smelte silisium ynbrocht. Troch parameters lykas temperatuer, lûksnelheid en rotaasjesnelheid fan 'e kroes presys te kontrolearjen, reorganisearje atomen of molekulen op it ynterface fan it siedkristal en smelte silisium kontinu, stolje as it systeem ôfkuollet en úteinlik in ienkristal foarmje.

Dizze kristalgroeitechnyk produseart monokristallijn silisium fan hege kwaliteit mei grutte diameter en spesifike kristaloriïntaasjes.

It groeiproses omfettet ferskate wichtige stappen, ynklusyf:

1. Demontage en LadenIt kristal fuortsmite en de oven en ûnderdielen yngeand skjinmeitsje fan fersmoarging lykas kwarts, grafyt of oare ûnreinheden.

2. Fakuüm en smeltenIt systeem wurdt nei in fakuüm brocht, folge troch de ynfiering fan argongas en de ferwaarming fan 'e silisiumlading.

3. Kristal lûkeIt siedkristal wurdt yn it smelte silisium sakke, en de tuskenflaktemperatuer wurdt sekuer kontroleare om in goede kristallisaasje te garandearjen.

4. Skoudering en diameterkontrôleAs it kristal groeit, wurdt de diameter derfan sekuer kontrolearre en oanpast om in unifoarme groei te garandearjen.

5. Ein fan groei en ôfsluting fan ovenSadree't de winske kristalgrutte berikt is, wurdt de oven útskeakele en wurdt de kristal fuorthelle.

De detaillearre stappen yn dit proses soargje foar it meitsjen fan monokristallen fan hege kwaliteit sûnder defekten dy't geskikt binne foar de produksje fan healgeleiders.

4. Útdagings yn 'e produksje fan monokristallijn silisium

Ien fan 'e wichtichste útdagings by it produsearjen fan healgeleidermonokristallen mei grutte diameter leit yn it oerwinnen fan 'e technyske knelpunten tidens it groeiproses, benammen by it foarsizzen en kontrolearjen fan kristaldefekten:

1. Ynkonsistente monokristalkwaliteit en lege opbringstAs de grutte fan 'e silisiummonokristallen tanimt, nimt de kompleksiteit fan 'e groeiomjouwing ta, wêrtroch it lestich is om faktoaren lykas de termyske, stream- en magnetyske fjilden te kontrolearjen. Dit komplisearret de taak om konsekwinte kwaliteit en hegere opbringsten te berikken.

2. Ynstabyl kontrôleprosesIt groeiproses fan healgeleider-silisiummonokristallen is tige kompleks, mei meardere fysike fjilden dy't ynteraksje hawwe, wêrtroch't de kontrôlepresyzje ynstabyl is en liedt ta lege produktopbringsten. De hjoeddeiske kontrôlestrategyen rjochtsje har benammen op 'e makroskopyske dimensjes fan it kristal, wylst de kwaliteit noch altyd oanpast wurdt op basis fan hânmjittige ûnderfining, wêrtroch it lestich is om te foldwaan oan 'e easken foar mikro- en nanofabrikaazje yn IC-chips.

Om dizze útdagings oan te pakken, is de ûntwikkeling fan real-time, online monitoring- en foarsizzingsmetoaden foar kristalkwaliteit driuwend nedich, tegearre mei ferbetteringen yn kontrôlesystemen om stabile, heechweardige produksje fan grutte monokristallen foar gebrûk yn yntegreare circuits te garandearjen.