Մոնոբյուրեղային սիլիցիումի աճեցման մեթոդների համապարփակ ակնարկ

Մոնոբյուրեղային սիլիցիումի աճեցման մեթոդների համապարփակ ակնարկ

1. Մոնոբյուրեղային սիլիցիումի մշակման նախապատմությունը

Տեխնոլոգիաների զարգացումը և բարձր արդյունավետությամբ խելացի արտադրանքի աճող պահանջարկը էլ ավելի են ամրապնդել ինտեգրալ սխեմաների (IC) արդյունաբերության հիմնական դիրքը ազգային զարգացման մեջ: Որպես ինտեգրալ սխեմաների արդյունաբերության անկյունաքար՝ կիսահաղորդչային մոնոբյուրեղային սիլիցիումը կարևոր դեր է խաղում տեխնոլոգիական նորարարությունների և տնտեսական աճի խթանման գործում:

Միջազգային կիսահաղորդչային արդյունաբերության ասոցիացիայի տվյալների համաձայն՝ կիսահաղորդչային թիթեղների համաշխարհային շուկան հասել է 12.6 միլիարդ դոլարի վաճառքի ցուցանիշի, իսկ առաքումները աճել են մինչև 14.2 միլիարդ քառակուսի դյույմ։ Ավելին, սիլիցիումային թիթեղների պահանջարկը շարունակում է կայուն աճել։

Այնուամենայնիվ, համաշխարհային սիլիկոնային վեֆլերի արդյունաբերությունը խիստ կենտրոնացված է, որտեղ առաջատար հինգ մատակարարները գերիշխում են շուկայի ավելի քան 85%-ը, ինչպես ցույց է տրված ստորև.

• Շին-Էցու Քեմիքալ (Ճապոնիա)

• ՍՈՒՄԿՈ (Ճապոնիա)

• Գլոբալ վաֆլիներ

• Սիլտրոնիկ (Գերմանիա)

• SK Siltron (Հարավային Կորեա)

Այս օլիգոպոլիան հանգեցնում է Չինաստանի խիստ կախվածության ներմուծված մոնոբյուրեղային սիլիցիումային թիթեղներից, որը դարձել է երկրի ինտեգրալ սխեմաների արդյունաբերության զարգացումը սահմանափակող հիմնական խոչընդոտներից մեկը։

Կիսահաղորդչային սիլիցիումային մոնոբյուրեղային արտադրության ոլորտում առկա մարտահրավերները հաղթահարելու համար հետազոտությունների և զարգացման մեջ ներդրումներ կատարելը և ներքին արտադրական կարողությունների ամրապնդումը անխուսափելի ընտրություն է։

2. Մոնոկրիստալային սիլիցիումային նյութի ակնարկ

Մոնոբյուրեղային սիլիցիումը ինտեգրալ սխեմաների արդյունաբերության հիմքն է: Մինչ օրս, ինտեգրալ սխեմաների չիպերի և էլեկտրոնային սարքերի ավելի քան 90%-ը պատրաստվում է մոնոբյուրեղային սիլիցիումի օգտագործմամբ որպես հիմնական նյութ: Մոնոբյուրեղային սիլիցիումի լայն պահանջարկը և դրա բազմազան արդյունաբերական կիրառությունները կարելի է վերագրել մի քանի գործոնների.

1. Անվտանգություն և շրջակա միջավայրի համար անվտանգությունՍիլիցիումը առատ է Երկրի ընդերքում, ոչ թունավոր է և էկոլոգիապես մաքուր։

2. Էլեկտրական մեկուսացումՍիլիցիումը բնականաբար ցուցաբերում է էլեկտրական մեկուսացման հատկություններ, և ջերմային մշակումից հետո այն առաջացնում է սիլիցիումի երկօքսիդի պաշտպանիչ շերտ, որն արդյունավետորեն կանխում է էլեկտրական լիցքի կորուստը։

3. Հասուն աճի տեխնոլոգիաՍիլիցիումի աճեցման գործընթացների տեխնոլոգիական զարգացման երկար պատմությունը այն դարձրել է շատ ավելի բարդ, քան մյուս կիսահաղորդչային նյութերը։

Այս գործոնները միասին մոնոբյուրեղային սիլիցիումը պահում են արդյունաբերության առաջատար դիրքում, դարձնելով այն անփոխարինելի այլ նյութերի համեմատ։

Բյուրեղային կառուցվածքի առումով, մոնոբյուրեղային սիլիցիումը նյութ է, որը պատրաստված է պարբերական ցանցում դասավորված սիլիցիումի ատոմներից՝ կազմելով անընդհատ կառուցվածք: Այն չիպերի արտադրության արդյունաբերության հիմքն է:

Հետևյալ դիագրամը պատկերում է մոնոբյուրեղային սիլիցիումի ստացման ամբողջական գործընթացը։

Գործընթացի ակնարկ:
Մոնոբյուրեղային սիլիցիումը ստացվում է սիլիցիումի հանքաքարից՝ մի շարք մաքրման փուլերի միջոցով: Սկզբում ստացվում է պոլիբյուրեղային սիլիցիում, որը այնուհետև բյուրեղների աճեցման վառարանում աճեցվում է մոնոբյուրեղային սիլիցիումային ձուլակտորի մեջ: Այնուհետև այն կտրվում, հղկվում և մշակվում է չիպերի արտադրության համար հարմար սիլիցիումային թիթեղների:

Սիլիկոնային թիթեղները սովորաբար բաժանվում են երկու կատեգորիայի՝ֆոտովոլտային կարգիևկիսահաղորդչային կարգիԱյս երկու տեսակները հիմնականում տարբերվում են իրենց կառուցվածքով, մաքրությամբ և մակերեսի որակով։

• Կիսահաղորդչային կարգի թիթեղներունեն բացառիկ բարձր մաքրություն՝ մինչև 99.999999999%, և խստիվ պահանջվում է, որ լինեն մոնոբյուրեղային։

• Ֆոտովոլտային կարգի վաֆլիներավելի քիչ մաքուր են՝ մաքրության մակարդակները տատանվում են 99.99%-ից մինչև 99.9999%, և չունեն բյուրեղի որակի նկատմամբ այդքան խիստ պահանջներ։

Բացի այդ, կիսահաղորդչային կարգի վեֆլիները պահանջում են ավելի բարձր մակերեսային հարթություն և մաքրություն, քան ֆոտովոլտային կարգի վեֆլիները: Կիսահաղորդչային վեֆլիների ավելի բարձր չափանիշները մեծացնում են ինչպես դրանց պատրաստման բարդությունը, այնպես էլ դրանց հետագա արժեքը կիրառություններում:

Հետևյալ գրաֆիկը ներկայացնում է կիսահաղորդչային թիթեղների սպեցիֆիկացիաների էվոլյուցիան, որոնք աճել են վաղ 4 դյույմանոց (100 մմ) և 6 դյույմանոց (150 մմ) թիթեղներից մինչև ներկայիս 8 դյույմանոց (200 մմ) և 12 դյույմանոց (300 մմ) թիթեղները։

Իրական սիլիցիումային մոնոբյուրեղային պատրաստման դեպքում, վաֆլիի չափը տատանվում է՝ կախված կիրառման տեսակից և արժեքի գործոններից: Օրինակ՝ հիշողության չիպերը սովորաբար օգտագործում են 12 դյույմանոց վաֆլիներ, մինչդեռ սնուցման սարքերը հաճախ օգտագործում են 8 դյույմանոց վաֆլիներ:

Ամփոփելով՝ վաֆլիի չափի էվոլյուցիան Մուրի օրենքի և տնտեսական գործոնների արդյունք է։ Վաֆլիի ավելի մեծ չափը հնարավորություն է տալիս նույն մշակման պայմաններում աճեցնել ավելի օգտագործելի սիլիցիումային մակերես, նվազեցնելով արտադրական ծախսերը և միաժամանակ նվազագույնի հասցնելով վաֆլիի եզրերից առաջացող թափոնները։

Որպես ժամանակակից տեխնոլոգիական զարգացման կարևորագույն նյութ, կիսահաղորդչային սիլիցիումային թիթեղները, ճշգրիտ գործընթացների միջոցով, ինչպիսիք են լուսանկարչական լիտոգրաֆիան և իոնային իմպլանտացիան, հնարավորություն են տալիս արտադրել տարբեր էլեկտրոնային սարքեր, այդ թվում՝ բարձր հզորության ուղղիչներ, տրանզիստորներ, երկբևեռ միացման տրանզիստորներ և անջատիչ սարքեր: Այս սարքերը կարևոր դեր են խաղում այնպիսի ոլորտներում, ինչպիսիք են արհեստական ​​բանականությունը, 5G կապը, ավտոմոբիլային էլեկտրոնիկան, իրերի ինտերնետը և ավիատիեզերական արդյունաբերությունը՝ կազմելով ազգային տնտեսական զարգացման և տեխնոլոգիական նորարարության անկյունաքարը:

3. Մոնոբյուրեղային սիլիցիումի աճեցման տեխնոլոգիա

TheՉոխրալսկիի (Չեխիա) մեթոդըարդյունավետ գործընթաց է հալույթից բարձրորակ մոնոբյուրեղային նյութ հանելու համար: Առաջարկվել է Յան Չոչրալսկու կողմից 1917 թվականին, այս մեթոդը հայտնի է նաև որպեսԲյուրեղների քաշումմեթոդ

Ներկայումս CZ մեթոդը լայնորեն կիրառվում է տարբեր կիսահաղորդչային նյութերի պատրաստման մեջ: Անավարտ վիճակագրության համաձայն՝ էլեկտրոնային բաղադրիչների մոտ 98%-ը պատրաստված է մոնոբյուրեղային սիլիցիումից, որոնցից 85%-ը արտադրվում է CZ մեթոդով:

CZ մեթոդը նախընտրելի է իր գերազանց բյուրեղային որակի, կառավարելի չափի, արագ աճի տեմպի և բարձր արտադրողականության շնորհիվ: Այս բնութագրերը CZ մոնոբյուրեղային սիլիցիումը դարձնում են նախընտրելի նյութ էլեկտրոնիկայի արդյունաբերության բարձր որակի, լայնածավալ պահանջարկը բավարարելու համար:

CZ մոնոբյուրեղային սիլիցիումի աճի սկզբունքը հետևյալն է.

CZ գործընթացը պահանջում է բարձր ջերմաստիճաններ, վակուում և փակ միջավայր: Այս գործընթացի հիմնական սարքավորումներն են՝բյուրեղների աճեցման վառարան, ինչը հեշտացնում է այս պայմանները։

Հետևյալ դիագրամը պատկերում է բյուրեղների աճեցման վառարանի կառուցվածքը։

CZ գործընթացում մաքուր սիլիցիումը տեղադրվում է հալոցքի մեջ, հալվում է, և հալված սիլիցիումի մեջ ներմուծվում է սկզբնական բյուրեղ։ Ջերմաստիճանի, ձգման արագության և հալոցքի պտտման արագության նման պարամետրերի ճշգրիտ կառավարման միջոցով, սկզբնական բյուրեղի և հալված սիլիցիումի միջերեսում գտնվող ատոմները կամ մոլեկուլները անընդհատ վերակազմակերպվում են, պնդանալով համակարգի սառչելուն զուգընթաց և, ի վերջո, ձևավորելով մեկ բյուրեղ։

Այս բյուրեղների աճեցման տեխնիկան արտադրում է բարձրորակ, մեծ տրամագծով մոնոբյուրեղային սիլիցիում` որոշակի բյուրեղային կողմնորոշումներով։

Աճման գործընթացը ներառում է մի քանի հիմնական փուլեր, ներառյալ՝

1. Ապամոնտաժում և բեռնումԲյուրեղի հեռացում և վառարանի ու բաղադրիչների մանրակրկիտ մաքրում աղտոտիչ նյութերից, ինչպիսիք են քվարցը, գրաֆիտը կամ այլ խառնուրդները։

2. Վակուում և հալեցումՀամակարգը վակուումի է վերածվում, որին հաջորդում է արգոն գազի ներմուծումը և սիլիցիումի լիցքի տաքացումը։

3. Բյուրեղների քաշումՍերմնային բյուրեղը իջեցվում է հալված սիլիցիումի մեջ, և միջերեսային ջերմաստիճանը ուշադիր վերահսկվում է՝ պատշաճ բյուրեղացումն ապահովելու համար։

4. Ուսերի և տրամագծի կառավարումԲյուրեղի աճին զուգընթաց, դրա տրամագիծը ուշադիր հսկվում և կարգավորվում է՝ միատարր աճ ապահովելու համար։

5. Աճման ավարտը և վառարանի անջատումըԵրբ հասնում ենք ցանկալի բյուրեղի չափսին, վառարանը անջատվում է, և բյուրեղը հանվում է։

Այս գործընթացի մանրամասն քայլերը ապահովում են կիսահաղորդիչների արտադրության համար հարմար բարձրորակ, արատներից զերծ մոնոբյուրեղների ստեղծումը։

4. Մոնոբյուրեղային սիլիցիումի արտադրության մարտահրավերները

Մեծ տրամագծով կիսահաղորդչային մոնոբյուրեղներ արտադրելու հիմնական մարտահրավերներից մեկը աճի գործընթացում տեխնիկական խոչընդոտների հաղթահարումն է, մասնավորապես՝ բյուրեղային արատների կանխատեսման և վերահսկման հարցում։

1. Անհամապատասխան մոնոբյուրեղային որակ և ցածր բերքատվությունՍիլիցիումային մոնոբյուրեղների չափի մեծացմանը զուգընթաց աճում է աճի միջավայրի բարդությունը, ինչը դժվարացնում է այնպիսի գործոնների վերահսկումը, ինչպիսիք են ջերմային, հոսքային և մագնիսական դաշտերը: Սա բարդացնում է կայուն որակի և ավելի բարձր բերքատվության հասնելու խնդիրը:

2. Անկայուն կառավարման գործընթացԿիսահաղորդչային սիլիցիումային մոնոբյուրեղների աճի գործընթացը խիստ բարդ է՝ բազմաթիվ ֆիզիկական դաշտերի փոխազդեցությամբ, ինչը կառավարման ճշգրտությունը դարձնում է անկայուն և հանգեցնում է արտադրանքի ցածր բերքատվության: Ներկայիս կառավարման ռազմավարությունները հիմնականում կենտրոնանում են բյուրեղի մակրոսկոպիկ չափսերի վրա, մինչդեռ որակը դեռևս կարգավորվում է ձեռքով փորձի հիման վրա, ինչը դժվարացնում է ինտեգրալ սխեմաներում միկրո և նանո արտադրության պահանջները բավարարելը:

Այս մարտահրավերները լուծելու համար շտապ անհրաժեշտ է բյուրեղների որակի իրական ժամանակի, առցանց մոնիթորինգի և կանխատեսման մեթոդների մշակում, ինչպես նաև կառավարման համակարգերի բարելավումներ՝ ինտեգրալ սխեմաներում օգտագործելու համար խոշոր մոնոբյուրեղների կայուն, բարձրորակ արտադրությունն ապահովելու համար։