Шарҳи ҳамаҷонибаи усулҳои афзоиши кремнийи монокристаллӣ

Шарҳи ҳамаҷонибаи усулҳои афзоиши кремнийи монокристаллӣ

1. Заминаи рушди кремнийи монокристаллӣ

Пешрафти технология ва талаботи афзоянда ба маҳсулоти интеллектуалии баландсамара мавқеи асосии саноати интегралӣ (IC) дар рушди миллӣ боз ҳам мустаҳкамтар гардид. Ҳамчун санги асосии саноати IC, кремнийи монокристалии нимноқил дар пешбурди навовариҳои технологӣ ва рушди иқтисодӣ нақши муҳим мебозад.

Тибқи маълумоти Ассотсиатсияи Байналмилалии Саноати нимноқилҳо, бозори ҷаҳонии вафли нимноқилҳо ба 12,6 миллиард доллар расид ва интиқол ба 14,2 миллиард дюймаи мураббаъ афзоиш ёфт. Ғайр аз он, талабот ба вафли кремний мунтазам афзоиш меёбад.

Бо вуҷуди ин, саноати ҷаҳонии вафли кремний мутамарказ шудааст ва панҷ таъминкунандаи беҳтарин дар 85% ҳиссаи бозор бартарӣ доранд, тавре ки дар зер нишон дода шудааст:

• Шин-Этсу химия (Ҷопон)

• SUMCO (Ҷопон)

• Вафли ҷаҳонӣ

• Siltronic (Олмон)

• SK Siltron (Кореяи Ҷанубӣ)

Ин олигополия ба вобастагии шадиди Чин аз вафли кремнийи монокристалии воридотӣ оварда мерасонад, ки ба яке аз монеаҳои калидӣ табдил ёфтааст, ки рушди саноати интегралии микросхемаҳои кишварро маҳдуд мекунад.

Барои бартараф кардани мушкилоти мавҷуда дар бахши истеҳсоли нимноқилҳои кремнийи монокристалӣ, сармоягузорӣ ба тадқиқот ва рушд ва таҳкими иқтидори истеҳсолии ватанӣ интихоби ногузир аст.

2. Баррасии маводи кремнийи монокристаллӣ

Кремнийи монокристаллӣ асоси саноати микросхемаҳои интегралӣ мебошад. То имрӯз, зиёда аз 90% микросхемаҳои IC ва дастгоҳҳои электронӣ бо истифода аз кремнийи монокристаллӣ ҳамчун маводи асосӣ сохта шудаанд. Талаботи васеъ ба кремнийи монокристаллӣ ва барномаҳои гуногуни саноатии онро метавон ба якчанд омилҳо рабт дод:

1. Бехатарӣ ва аз ҷиҳати экологӣ тоза: Кремний дар кишри Замин фаровон буда, заҳролуд нест ва аз ҷиҳати экологӣ тоза аст.

2. Изолятсияи электрикӣ: Кремний табиатан хосиятҳои изолятсияи барқро нишон медиҳад ва ҳангоми коркарди гармӣ он қабати муҳофизатии диоксиди кремнийро ташкил медиҳад, ки аз даст додани заряди барқ ​​ба таври муассир пешгирӣ мекунад.

3. Технологияи рушди баркамол: Таърихи дуру дарози рушди технологӣ дар равандҳои афзоиши кремний онро нисбат ба дигар маводҳои нимноқилӣ хеле мураккабтар кардааст.

Ин омилҳо якҷоя кремнийи монокристаллро дар сафи пеши саноат нигоҳ медоранд ва онро бо дигар маводҳо ивазнашаванда мегардонанд.

Аз ҷиҳати сохтори кристаллӣ, кремнийи монокристаллӣ маводест, ки аз атомҳои кремний сохта шудааст, ки дар як торҳои даврӣ ҷойгир шудаанд ва сохтори муттасилро ташкил медиҳанд. Он асоси саноати коркарди чип мебошад.

Дар диаграммаи зерин раванди пурраи тайёр кардани кремнийи монокристаллӣ нишон дода шудааст:

Шарҳи раванд:
Кремнийи монокристаллӣ аз маъдани кремний тавассути як қатор қадамҳои тозакунӣ ба даст меояд. Аввалан, кремнийи поликристаллӣ ба даст оварда мешавад, ки баъдан дар печи афзоиши кристалл ба як гулбачаи кремнийи монокристаллӣ парвариш карда мешавад. Пас аз он, он бурида, сайқал дода мешавад ва ба вафли кремнийи барои истеҳсоли чип мувофиқ коркард карда мешавад.

Вафли кремний одатан ба ду категория тақсим мешавад:дараҷаи фотоэлектрикӣвадараҷаи нимноқил. Ин ду намуд асосан дар сохтор, тозагӣ ва сифати рӯи худ фарқ мекунанд.

• Вафли нимноқилӣтозагии бениҳоят баланди то 99,999999999% доранд ва ба таври қатъӣ монокристаллӣ талаб карда мешаванд.

• Вафли фотоэлектрикӣкамтар соф буда, сатҳҳои тозагӣ аз 99,99% то 99,9999% мебошанд ва барои сифати кристалл чунин талаботи қатъӣ надоранд.

Илова бар ин, вафли нимноқил нисбат ба пластинҳои дараҷаи фотоэлектрикӣ ҳамворӣ ва тозагии сатҳи баландро талаб мекунад. Стандартҳои баландтари вафли нимноқил ҳам мураккабии тайёр кардани онҳо ва ҳам арзиши минбаъдаи онҳоро дар татбиқ зиёд мекунанд.

Дар ҷадвали зерин эволютсияи мушаххасоти вафли нимноқилӣ, ки аз вафли аввали 4 дюйм (100 мм) ва 6 дюйм (150 мм) то вафли кунунии 8 дюйм (200 мм) ва 12 дюйм (300 мм) афзоиш ёфтааст, нишон медиҳад.

Ҳангоми омодасозии воқеии монокристаллҳои кремний, андозаи вафли вобаста ба намуди татбиқ ва омилҳои арзиш фарқ мекунад. Масалан, микросхемаҳои хотира одатан вафли 12 дюймиро истифода мебаранд, дар ҳоле ки дастгоҳҳои барқӣ аксар вақт вафли 8 дюймиро истифода мебаранд.

Хулоса, эволютсияи андозаи вафель натиҷаи ҳам Қонуни Мур ва ҳам омилҳои иқтисодӣ мебошад. Андозаи калонтари вафли имкон медиҳад, ки майдони бештари кремнийро дар як шароити коркард афзоиш дода, хароҷоти истеҳсолиро коҳиш дода, партовҳоро аз кунҷҳои вафли кам кунад.

Ҳамчун маводи муҳим дар рушди технологии муосир, пластинкаҳои кремнийи нимноқилӣ тавассути равандҳои дақиқ, ба монанди фотолитография ва имплантатсияи ион, имкон медиҳанд, ки дастгоҳҳои гуногуни электронӣ, аз ҷумла росткунакҳои пуриқтидор, транзисторҳо, транзисторҳои пайвасти биполярӣ ва дастгоҳҳои коммутатсионӣ истеҳсол карда шаванд. Ин дастгоҳҳо дар соҳаҳое ба мисли зеҳни сунъӣ, алоқаи 5G, электроникаи автомобилӣ, Интернети ашё ва аэрокосмос нақши калидӣ доранд, ки санги асосии рушди иқтисоди миллӣ ва навовариҳои технологӣ мебошанд.

3. Технологияи афзоиши кремнийи монокристаллӣ

ДарУсули Czochralski (CZ).як раванди самараноки кашидани маводи монокристалии баландсифат аз об аст. Ин усулро Ян Чочральский дар соли 1917 пешнињод карда буд, инчунин бо номиГирифтани кристаллусул.

Дар айни замон усули CZ дар тайёр кардани маводи гуногуни нимноқилӣ васеъ истифода мешавад. Тибқи омори нопурра, тақрибан 98% ҷузъҳои электронӣ аз кремнийи монокристаллӣ сохта шудаанд ва 85% ин ҷузъҳо бо усули CZ истеҳсол карда мешаванд.

Усули CZ аз сабаби сифати аълои кристалл, андозаи назоратшаванда, суръати афзоиши босуръат ва самаранокии баланди истеҳсолот маъқул аст. Ин хусусиятҳо кремнийи монокристалии CZ-ро ба маводи афзалиятнок барои қонеъ кардани талаботи баландсифат ва миқёси калон дар саноати электроника табдил медиҳанд.

Принсипи афзоиши кремнийи монокристаллии CZ чунин аст:

Раванди CZ ҳарорати баланд, вакуум ва муҳити пӯшидаро талаб мекунад. Таҷҳизоти асосии ин раванд ин асткӯраи афзоиши кристалл, ки ин шароитро осон мекунад.

Дар диаграммаи зерин сохтори кӯраи афзоиши кристалл нишон дода шудааст.

Дар раванди CZ, кремнийи соф дар тигель ҷойгир карда, гудохта мешавад ва кристали тухмӣ ба кремний гудохта ворид карда мешавад. Бо назорати дақиқи параметрҳо ба монанди ҳарорат, суръати кашиш ва суръати гардиши тигел, атомҳо ё молекулаҳо дар интерфейси кристали тухмӣ ва кремний гудохта пайваста аз нав ташкил шуда, ҳангоми хунук шудани система мустаҳкам мешаванд ва дар ниҳоят як кристаллро ташкил медиҳанд.

Ин усули парвариши кристалл кремнийи баландсифат ва диаметри калон бо ориентацияҳои мушаххаси кристаллӣ истеҳсол мекунад.

Раванди афзоиш аз якчанд марҳилаҳои асосӣ иборат аст, аз ҷумла:

1. Демонтаж ва бор кардан: Хориҷ кардани кристалл ва ҳаматарафа тоза кардани танӯр ва ҷузъҳо аз ифлоскунандаҳо ба монанди кварц, графит ё дигар ифлосиҳо.

2. Вакуум ва обшавӣ: Система ба вакуум эвакуация карда мешавад, пас аз он гази аргон ва гарм кардани заряди кремний.

3. Гирифтани кристалл: Кристалли тухмӣ ба кремнийи гудохта паст карда мешавад ва ҳарорати интерфейс бодиққат назорат карда мешавад, то кристаллизатсияи дурустро таъмин кунад.

4. Назорати китф ва диаметр: Вақте ки кристалл калон мешавад, диаметри он бодиққат назорат ва танзим карда мешавад, то афзоиши якхела таъмин карда шавад.

5. Анҷоми афзоиш ва қатъи танӯр: Пас аз ба даст овардани андозаи кристалл дилхоҳ, кӯраи хомӯш карда мешавад, ва кристалл хориҷ карда мешавад.

Қадамҳои муфассал дар ин раванд эҷоди монокристалҳои баландсифат ва бенуксиро, ки барои истеҳсоли нимноқилҳо мувофиқанд, таъмин мекунанд.

4. Мушкилот дар истеҳсоли кремнийи монокристаллӣ

Яке аз мушкилоти асосӣ дар истеҳсоли монокристалҳои нимноқилҳои диаметри калон дар бартараф кардани монеаҳои техникӣ дар ҷараёни афзоиш, махсусан дар пешгӯӣ ва назорати норасоиҳои кристаллӣ мебошад:

1. Сифати номувофиқ монокристалл ва ҳосили паст: Вақте ки андозаи монокристаллҳои кремний зиёд мешавад, мураккабии муҳити афзоиш меафзояд ва назорати омилҳо ба монанди майдонҳои гармӣ, ҷараён ва магнитиро мушкил мекунад. Ин кори ба даст овардани сифати пай дар пай ва баланд бардоштани хосилро душвор мегардонад.

2. Раванди назорати ноустувор: Раванди афзоиши монокристаллҳои кремнийи нимноқил хеле мураккаб буда, майдонҳои физикии сершумор ба ҳам таъсир мерасонанд, ки дақиқии назоратро ноустувор мегардонад ва боиси паст шудани ҳосили маҳсулот мегардад. Стратегияҳои кунунии назорат асосан ба андозаҳои макроскопии кристалл тамаркуз мекунанд, дар ҳоле ки сифат ҳанӯз дар асоси таҷрибаи дастӣ танзим карда мешавад, ки қонеъ кардани талаботро барои истеҳсоли микро ва нано дар микросхемаҳои IC душвор мегардонад.

Барои ҳалли ин мушкилот, таҳияи усулҳои дар вақти воқеӣ, мониторинг ва пешгӯии сифати кристалл, дар баробари такмил додани системаҳои идоракунӣ барои таъмини истеҳсоли устувор ва баландсифати монокристалҳои калон барои истифода дар микросхемаҳои интегралӣ фавран зарур аст.