Gambaran Keseluruhan Komprehensif Kaedah Pertumbuhan Silikon Monocrystalline

Gambaran Keseluruhan Komprehensif Kaedah Pertumbuhan Silikon Monocrystalline

1. Latar Belakang Perkembangan Silikon Monocrystalline

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 monohablur 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 $12.6 bilion, dengan penghantaran meningkat kepada 14.2 bilion inci persegi. Selain itu, 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 ditunjukkan di bawah:

• Shin-Etsu Chemical (Jepun)

• SUMCO (Jepun)

• Wafer Global

• Siltronic (Jerman)

• SK Siltron (Korea Selatan)

Oligopoli ini mengakibatkan pergantungan besar China pada wafer silikon monohabluran yang diimport, yang telah menjadi salah satu kesesakan utama yang mengehadkan pembangunan industri litar bersepadu negara.

Untuk mengatasi cabaran semasa dalam sektor pembuatan monohablur silikon semikonduktor, melabur dalam penyelidikan dan pembangunan serta mengukuhkan keupayaan pengeluaran domestik adalah pilihan yang tidak dapat dielakkan.

2. Gambaran Keseluruhan Bahan Silikon Monocrystalline

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

1. Keselamatan dan Mesra Alam: Silikon banyak terdapat dalam kerak bumi, tidak toksik dan mesra alam.

2. Penebat Elektrik: Silikon secara semula jadi mempamerkan sifat penebat elektrik, dan selepas rawatan haba, ia membentuk lapisan pelindung silikon dioksida, yang secara berkesan menghalang kehilangan cas elektrik.

3. Teknologi Pertumbuhan Matang: Sejarah panjang pembangunan teknologi dalam proses pertumbuhan silikon telah menjadikannya jauh lebih canggih daripada bahan semikonduktor lain.

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

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

Rajah berikut menggambarkan proses lengkap penyediaan silikon monohablur:

Gambaran Keseluruhan Proses:
Silikon monokristalin diperoleh daripada bijih silikon melalui satu siri langkah penapisan. Pertama, silikon polihablur diperolehi, yang kemudiannya ditanam menjadi jongkong silikon monohablur 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 semikonduktor. Kedua-dua jenis ini berbeza terutamanya dalam struktur, ketulenan, dan kualiti permukaannya.

• Wafer gred semikonduktormempunyai ketulenan yang sangat tinggi sehingga 99.999999999%, dan sangat diperlukan untuk menjadi monohablur.

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

Selain itu, wafer gred semikonduktor memerlukan kelicinan permukaan dan kebersihan yang lebih tinggi daripada wafer gred fotovoltaik. Piawaian yang lebih tinggi untuk wafer semikonduktor meningkatkan kedua-dua 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. Sebagai contoh, cip memori biasanya menggunakan wafer 12 inci, manakala peranti kuasa sering menggunakan wafer 8 inci.

Secara ringkasnya, evolusi saiz wafer adalah hasil daripada kedua-dua Undang-undang Moore dan faktor ekonomi. Saiz wafer yang lebih besar membolehkan pertumbuhan kawasan silikon yang lebih boleh digunakan di bawah keadaan pemprosesan yang sama, mengurangkan kos pengeluaran sambil meminimumkan sisa daripada tepi wafer.

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

3. Teknologi Pertumbuhan Silikon Monocrystalline

TheKaedah Czochralski (CZ).ialah proses yang cekap untuk menarik bahan monohablur berkualiti tinggi daripada cair. Dicadangkan oleh Jan Czochralski pada tahun 1917, kaedah ini juga dikenali sebagaiMenarik Kristalkaedah.

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

Kaedah CZ digemari kerana kualiti kristal yang sangat baik, saiz yang boleh dikawal, kadar pertumbuhan pesat dan kecekapan pengeluaran yang tinggi. Ciri-ciri ini menjadikan silikon monohabluran 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 dalam mangkuk pijar, cair, dan kristal benih dimasukkan ke dalam silikon cair. Dengan mengawal parameter seperti suhu, kadar tarikan dan kelajuan putaran pijar dengan tepat, atom atau molekul pada antara muka hablur benih dan silikon cair secara berterusan menyusun semula, memejal apabila sistem menyejuk dan akhirnya membentuk satu kristal.

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

Proses pertumbuhan melibatkan beberapa langkah utama, termasuk:

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

2. Vakum dan Pencairan: Sistem dipindahkan ke vakum, diikuti dengan pengenalan gas argon dan pemanasan cas silikon.

3. Menarik Kristal: Hablur benih diturunkan ke dalam silikon cair, dan suhu antara muka dikawal dengan teliti untuk memastikan penghabluran yang betul.

4. Bahu dan Kawalan Diameter: Apabila kristal membesar, diameternya dipantau dan diselaraskan dengan teliti untuk memastikan pertumbuhan seragam.

5. Tamat Pertumbuhan dan Penutupan Relau: Setelah saiz kristal yang dikehendaki dicapai, relau ditutup, dan kristal dikeluarkan.

Langkah terperinci dalam proses ini memastikan penciptaan monohablur berkualiti tinggi dan bebas kecacatan yang sesuai untuk pembuatan semikonduktor.

4. Cabaran dalam Pengeluaran Silikon Monocrystalline

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

1. Kualiti Monocrystal yang Tidak Konsisten dan Hasil Rendah: Apabila saiz monohablur silikon bertambah, kerumitan persekitaran pertumbuhan bertambah, 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 Stabil: Proses pertumbuhan monohablur 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.

Untuk menangani cabaran ini, pembangunan kaedah pemantauan dalam talian dan ramalan masa nyata untuk kualiti kristal amat diperlukan, bersama-sama dengan penambahbaikan dalam sistem kawalan untuk memastikan pengeluaran monohablur besar yang stabil dan berkualiti tinggi untuk digunakan dalam litar bersepadu.