Gambaran Keseluruhan Komprehensif Kaedah Pertumbuhan Silikon Monokristalin

Gambaran Keseluruhan Komprehensif Kaedah Pertumbuhan Silikon Monokristalin

1. Latar Belakang Pembangunan Silikon Monokristalin

Kemajuan teknologi dan permintaan yang semakin meningkat untuk produk pintar berkecekapan tinggi telah mengukuhkan lagi kedudukan teras industri litar bersepadu (IC) dalam pembangunan negara. Sebagai asas industri IC, silikon monokristalin semikonduktor memainkan peranan penting dalam memacu inovasi teknologi dan pertumbuhan ekonomi.

Menurut data daripada Persatuan Industri Semikonduktor Antarabangsa, pasaran wafer semikonduktor global mencapai angka jualan sebanyak $12.6 bilion, dengan penghantaran meningkat kepada 14.2 bilion inci persegi. Tambahan pula, permintaan untuk wafer silikon terus meningkat dengan stabil.

Walau bagaimanapun, industri wafer silikon global sangat tertumpu, dengan lima pembekal teratas menguasai lebih 85% bahagian pasaran, seperti yang ditunjukkan di bawah:

• Kimia Shin-Etsu (Jepun)

• SUMCO (Jepun)

• Wafer Global

• Siltronic (Jerman)

• SK Siltron (Korea Selatan)

Oligopoli ini mengakibatkan kebergantungan besar China terhadap wafer silikon monokristalin yang diimport, yang telah menjadi salah satu halangan utama yang mengehadkan pembangunan industri litar bersepadu negara.

Bagi mengatasi cabaran semasa dalam sektor pembuatan silikon monokristal semikonduktor, melabur dalam penyelidikan dan pembangunan serta memperkukuh keupayaan pengeluaran domestik merupakan pilihan yang tidak dapat dielakkan.

2. Gambaran Keseluruhan Bahan Silikon Monokristalin

Silikon monokristalin merupakan asas industri litar bersepadu. Sehingga kini, lebih 90% cip IC dan peranti elektronik dibuat menggunakan silikon monokristalin sebagai bahan utama. Permintaan meluas untuk silikon monokristalin dan aplikasi perindustriannya yang pelbagai boleh dikaitkan dengan beberapa faktor:

1. Keselamatan dan Mesra Alam SekitarSilikon banyak terdapat di kerak Bumi, tidak toksik dan mesra alam.

2. Penebat ElektrikSilikon secara semula jadi mempamerkan sifat penebat elektrik, dan apabila dirawat haba, ia membentuk lapisan pelindung silikon dioksida, yang berkesan mencegah kehilangan cas elektrik.

3. Teknologi Pertumbuhan MatangSejarah panjang perkembangan teknologi dalam proses pertumbuhan silikon telah menjadikannya jauh lebih canggih daripada bahan semikonduktor lain.

Faktor-faktor ini bersama-sama mengekalkan silikon monokristalin di barisan hadapan industri, menjadikannya tidak dapat digantikan oleh bahan lain.

Dari segi struktur kristal, silikon monokristalin ialah bahan yang diperbuat daripada atom silikon yang disusun dalam kekisi berkala, membentuk struktur berterusan. Ia merupakan asas industri pembuatan cip.

Gambar rajah berikut menggambarkan proses lengkap penyediaan silikon monokristalin:

Gambaran Keseluruhan Proses:
Silikon monokristalin diperoleh daripada bijih silikon melalui beberapa langkah penapisan. Pertama, silikon polikristalin diperoleh, yang kemudiannya ditumbuhkan menjadi jongkong silikon monokristalin dalam relau pertumbuhan kristal. Selepas itu, ia dipotong, digilap dan diproses menjadi wafer silikon yang sesuai untuk pembuatan cip.

Wafer silikon biasanya dibahagikan kepada dua kategori:gred fotovoltaikdangred semikonduktorKedua-dua jenis ini berbeza terutamanya dari segi struktur, ketulenan dan kualiti permukaannya.

• Wafer gred semikonduktormempunyai ketulenan yang sangat tinggi sehingga 99.999999999%, dan dikehendaki sepenuhnya menjadi monokristalin.

• Wafer gred fotovoltaikkurang tulen, dengan tahap ketulenan antara 99.99% hingga 99.9999%, dan tidak mempunyai keperluan kualiti kristal yang begitu ketat.

Di samping itu, wafer gred semikonduktor memerlukan kelicinan dan kebersihan permukaan yang lebih tinggi berbanding wafer gred fotovoltaik. Piawaian yang lebih tinggi untuk wafer semikonduktor meningkatkan kerumitan penyediaannya dan nilai seterusnya dalam aplikasi.

Carta berikut menggariskan evolusi spesifikasi wafer semikonduktor, yang telah meningkat daripada wafer awal 4 inci (100mm) dan 6 inci (150mm) kepada wafer 8 inci (200mm) dan 12 inci (300mm) semasa.

Dalam penyediaan monokristal silikon sebenar, saiz wafer berbeza-beza berdasarkan jenis aplikasi dan faktor kos. Contohnya, cip memori biasanya menggunakan wafer 12 inci, manakala peranti kuasa selalunya menggunakan wafer 8 inci.

Secara ringkasnya, evolusi saiz wafer adalah hasil daripada Hukum Moore dan faktor ekonomi. Saiz wafer yang lebih besar membolehkan pertumbuhan kawasan silikon yang lebih boleh digunakan di bawah keadaan pemprosesan yang sama, sekali gus mengurangkan kos pengeluaran sambil meminimumkan pembaziran daripada tepi wafer.

Sebagai bahan penting dalam pembangunan teknologi moden, wafer silikon semikonduktor, melalui proses yang tepat seperti fotolitografi dan implantasi ion, membolehkan penghasilan pelbagai peranti elektronik, termasuk penerus berkuasa tinggi, transistor, transistor simpang bipolar dan peranti pensuisan. Peranti ini memainkan peranan penting dalam bidang seperti kecerdasan buatan, komunikasi 5G, elektronik automotif, Internet untuk Segalanya dan aeroangkasa, membentuk asas pembangunan ekonomi negara dan inovasi teknologi.

3. Teknologi Pertumbuhan Silikon Monokristalin

YangKaedah Czochralski (CZ)merupakan proses yang cekap untuk menarik bahan monokristalin berkualiti tinggi daripada leburan. Dicadangkan oleh Jan Czochralski pada tahun 1917, kaedah ini juga dikenali sebagaiPenarikan Kristalkaedah.

Pada masa ini, kaedah CZ digunakan secara meluas dalam penyediaan pelbagai bahan semikonduktor. Menurut statistik yang tidak lengkap, kira-kira 98% komponen elektronik diperbuat daripada silikon monokristalin, dengan 85% daripada komponen ini dihasilkan menggunakan kaedah CZ.

Kaedah CZ digemari kerana kualiti kristalnya yang sangat baik, saiz yang boleh dikawal, kadar pertumbuhan yang pesat dan kecekapan pengeluaran yang tinggi. Ciri-ciri ini menjadikan silikon monokristalin CZ bahan pilihan untuk memenuhi permintaan berskala besar yang berkualiti tinggi dalam industri elektronik.

Prinsip pertumbuhan silikon monokristalin CZ adalah seperti berikut:

Proses CZ memerlukan suhu tinggi, vakum dan persekitaran tertutup. Peralatan utama untuk proses ini ialahrelau pertumbuhan kristal, yang memudahkan keadaan ini.

Rajah berikut menggambarkan struktur relau pertumbuhan kristal.

Dalam proses CZ, silikon tulen diletakkan di dalam mangkuk pijar, dicairkan, dan kristal biji dimasukkan ke dalam silikon cair. Dengan mengawal parameter seperti suhu, kadar tarikan dan kelajuan putaran mangkuk pijar dengan tepat, atom atau molekul pada antara muka kristal biji dan silikon cair akan terus disusun semula, memejal apabila sistem menyejuk dan akhirnya membentuk kristal tunggal.

Teknik pertumbuhan kristal ini menghasilkan silikon monokristalin berdiameter besar berkualiti tinggi dengan orientasi kristal tertentu.

Proses pertumbuhan melibatkan beberapa langkah penting, termasuk:

1. Pembongkaran dan Pemuatan: Mengeluarkan kristal dan membersihkan relau dan komponen secara menyeluruh daripada bahan cemar seperti kuarza, grafit atau bendasing lain.

2. Vakum dan PeleburanSistem ini dikosongkan ke vakum, diikuti dengan pengenalan gas argon dan pemanasan cas silikon.

3. Penarikan KristalKristal benih diturunkan ke dalam silikon cair dan suhu antara muka dikawal dengan teliti untuk memastikan penghabluran yang betul.

4. Kawalan Bahu dan DiameterApabila kristal membesar, diameternya dipantau dan diselaraskan dengan teliti untuk memastikan pertumbuhan yang seragam.

5. Tamat Pertumbuhan dan Penutupan RelauSetelah saiz kristal yang diingini dicapai, relau dimatikan dan kristal dikeluarkan.

Langkah-langkah terperinci dalam proses ini memastikan penghasilan monokristal berkualiti tinggi dan bebas kecacatan yang sesuai untuk pembuatan semikonduktor.

4. Cabaran dalam Pengeluaran Silikon Monokristalin

Salah satu cabaran utama dalam menghasilkan monokristal semikonduktor berdiameter besar terletak pada mengatasi kesesakan teknikal semasa proses pertumbuhan, terutamanya dalam meramalkan dan mengawal kecacatan kristal:

1. Kualiti Monokristal yang Tidak Konsisten dan Hasil RendahApabila saiz monokristal silikon meningkat, kerumitan persekitaran pertumbuhan juga meningkat, menjadikannya sukar untuk mengawal faktor seperti medan haba, aliran dan magnet. Ini merumitkan tugas untuk mencapai kualiti yang konsisten dan hasil yang lebih tinggi.

2. Proses Kawalan Tidak StabilProses pertumbuhan monokristal silikon semikonduktor adalah sangat kompleks, dengan pelbagai medan fizikal berinteraksi, menjadikan ketepatan kawalan tidak stabil dan membawa kepada hasil produk yang rendah. Strategi kawalan semasa tertumpu terutamanya pada dimensi makroskopik kristal, manakala kualiti masih diselaraskan berdasarkan pengalaman manual, menjadikannya sukar untuk memenuhi keperluan untuk fabrikasi mikro dan nano dalam cip IC.

Bagi menangani cabaran ini, pembangunan kaedah pemantauan dan ramalan dalam talian masa nyata untuk kualiti kristal amat diperlukan, berserta penambahbaikan dalam sistem kawalan bagi memastikan pengeluaran monokristal besar yang stabil dan berkualiti tinggi untuk digunakan dalam litar bersepadu.