Szczegóły bloga

1. Tło i kontekst branżowy

Szybki postęp technologiczny i rosnący popyt na wysokowydajne inteligentne produkty jeszcze bardziej ugruntowały pozycję branży układów scalonych (IC) jako strategicznego filaru rozwoju kraju. Będąc podstawą ekosystemu układów scalonych, krzem monokrystaliczny klasy półprzewodnikowej ma kluczowe znaczenie zarówno dla innowacji technologicznych, jak i wzrostu gospodarczego.

Według Międzynarodowego Stowarzyszenia Przemysłu Półprzewodników światowy rynek płytek krzemowych odnotował12,6 miliarda dolaróww sprzedaży, z dostawami dochodzącymi14,2 miliarda cali kwadratowych. Popyt stale rośnie.

Branża jest wysoce skoncentrowana: pięciu największych dostawców stanowiponad 85%udziału w rynku światowym —Shin-Etsu Chemical (Japonia), SUMCO (Japonia), GlobalWafers, Siltronic (Niemcy),ISK Siltron (Korea Południowa)— co podkreśla duże uzależnienie Chin od importowanych monokrystalicznych płytek krzemowych. Zależność ta jest kluczowym wąskim gardłem ograniczającym rozwój IC kraju. Wzmocnienie krajowych mocy badawczo-rozwojowych i produkcyjnych jest zatem koniecznością.

2. Krzem monokrystaliczny: przegląd materiałów

Krzem monokrystaliczny stanowi podstawę nowoczesnej mikroelektroniki;ponad 90%układów scalonych i urządzeń elektronicznych jest wytwarzanych na krzemie. Jego dominacja wynika z kilku atrybutów:

• Obfitość i bezpieczeństwo środowiskowe:Krzem występuje powszechnie w skorupie ziemskiej, jest nietoksyczny i przyjazny dla środowiska.

• Izolacja elektryczna i tlenek natywny:Krzem w naturalny sposób zapewnia izolację elektryczną; powstaje w wyniku utleniania termicznegoSiO₂, wysokiej jakości dielektryk, który zapobiega utracie ładunku.

• Dojrzała infrastruktura produkcyjna:Dziesięciolecia rozwoju procesów zaowocowały głęboko udoskonalonym, skalowalnym ekosystemem wzrostu i produkcji płytek.

Strukturalnie krzem monokrystaliczny jest ciągłą, okresową siecią atomów krzemu – niezbędnym podłożem do produkcji chipów.

Przebieg procesu (wysoki poziom):Ruda krzemu jest rafinowana w celu wytworzenia krzemu polikrystalicznego, który jest następnie topiony i hodowany w monokrystaliczny wlewek w piecu do wzrostu kryształów. Wlewek jest cięty, docierany, polerowany i oczyszczany w celu uzyskania płytek do obróbki półprzewodników.

Klasy wafli:

• Klasa półprzewodnikowa:Bardzo wysoka czystość (do99,999999999%, „11 dziewiątek”) i ściśle monokrystaliczne, z rygorystycznymi wymaganiami dotyczącymi jakości kryształów i czystości powierzchni.

• Klasa fotowoltaiczna:Niższa czystość (99,99%–99,9999%) i mniej wymagające specyfikacje jakości kryształów i powierzchni.

Płytki półprzewodnikowe wymagają również doskonałej płaskości, gładkości powierzchni i czystości, co zwiększa zarówno złożoność procesu, jak i wartość końcową.

Ewolucja średnicy i ekonomia:Standardy branżowe rozwinęły się od4 cale (100 mm)I6 cali (150 mm)Do8 cali (200 mm)I12 cali (300 mm)wafle. Większe średnice zapewniają większą powierzchnię użytkową matrycy na przebieg procesu, poprawiając efektywność kosztową i zmniejszając straty na krawędziach — ewolucja napędzana prawem Moore'a i ekonomiką produkcji. W praktyce rozmiar płytki dobiera się do zastosowania i kosztu: na przykład powszechnie używa się pamięci300 mm, podczas gdy wiele urządzeń zasilających pozostaje włączonych200 mm.

Dzięki precyzyjnym procesom – fotolitografii, implantacji jonów, trawieniu, osadzaniu i obróbce termicznej – płytki krzemowe umożliwiają powstanie szerokiej gamy urządzeń: prostowników dużej mocy, tranzystorów MOSFET, BJT i ​​komponentów przełączających zasilających sztuczną inteligencję, 5G, elektronikę samochodową, IoT i przemysł lotniczy – podstawowe silniki wzrostu gospodarczego i innowacji.

3. Technologia wzrostu krzemu monokrystalicznego

Metoda Czochralskiego (CZ).

Zaproponowane przezJana Czochralskiegow 1917 r. metoda CZ (wyciąganie kryształów) skutecznie wytwarza ze stopu duże, wysokiej jakości monokryształy. Obecnie jest to dominujące podejście do krzemu: w przybliżeniu98%komponentów elektronicznych jest na bazie krzemu, oraz~85%z nich polegaUprawiany w CZwafle. CZ jest preferowana ze względu na jakość kryształów, kontrolowaną średnicę, stosunkowo szybkie tempo wzrostu i wysoką wydajność.

Zasada i wyposażenie:Proces CZ przebiega w wysokiej temperaturze w warunkach próżniowych/obojętnych w piecu do wzrostu kryształów. Krzem polikrystaliczny ładuje się do tygla i topi. Kryształ zaszczepiający styka się z powierzchnią stopu; precyzyjnie kontrolując temperaturę, szybkość wyciągania i obrót zarówno zarodka, jak i tygla, atomy na granicy stopu i ciała stałego zestalają się w monokryształ o pożądanej orientacji i średnicy.

Typowe etapy procesu:

1. Przygotowanie i ładowanie narzędzi:Zdemontować, oczyścić i ponownie załadować piec; usuwa zanieczyszczenia z kwarcu, grafitu i innych komponentów.

2. Odpompowywanie, zasypywanie i topienie:Odprowadzić próżnię, wprowadzić argon i ogrzać, aby całkowicie stopić ładunek krzemu.

3. Siew i początkowy wzrost:Opuść nasiona do stopionego materiału i utwórz stabilną granicę faz ciało stałe-ciecz.

4. Kontrola ramion i średnicy:Rozszerzaj do docelowej średnicy i utrzymuj ścisłą kontrolę dzięki informacji zwrotnej o temperaturze i szybkości ciągnięcia.

5. Ciągłe ciągnięcie:Utrzymuj równomierny wzrost przy ustawionej średnicy.

6. Zakończenie i ochłodzenie:Ukończ kryształ, zamknij i wyładuj sztabkę.

Prawidłowo wykonana metoda CZ pozwala uzyskać krzem monokrystaliczny o dużej średnicy i niskim stopniu defektów, odpowiedni do zaawansowanej produkcji półprzewodników.

4. Wyzwania i kierunki produkcyjne

Skalowanie do większych średnic przy jednoczesnym zachowaniu doskonałości kryształów stwarza poważne wyzwania, szczególnie wprzewidywanie i kontrola usterek:

• Zmienność jakości i utrata wydajności:Wraz ze wzrostem średnicy pola termiczne, przepływowe i magnetyczne w piecu stają się coraz bardziej złożone. Zarządzanie tymi sprzężonymi efektami wielofizycznymi jest trudne, co prowadzi do niespójności w jakości kryształów i niższych wydajności.

• Ograniczenia systemu sterowania:Obecne strategie kładą nacisk na parametry makroskopowe (np. średnicę, szybkość ciągnięcia). Kontrola defektów na drobną skalę w dalszym ciągu w dużym stopniu zależy od ludzkiej wiedzy, która jest coraz bardziej nieadekwatna do wymagań układów scalonych w skali mikro/nano.