მონოკრისტალური სილიციუმის ზრდის მეთოდების ყოვლისმომცველი მიმოხილვა

მონოკრისტალური სილიციუმის ზრდის მეთოდების ყოვლისმომცველი მიმოხილვა

1. მონოკრისტალური სილიციუმის შემუშავების წინაპირობა

ტექნოლოგიების განვითარებამ და მაღალი ეფექტურობის მქონე ჭკვიანი პროდუქტების მზარდმა მოთხოვნამ კიდევ უფრო განამტკიცა ინტეგრირებული სქემების (IC) ინდუსტრიის ძირითადი პოზიცია ეროვნულ განვითარებაში. როგორც ინტეგრირებული სქემების ინდუსტრიის ქვაკუთხედი, ნახევარგამტარული მონოკრისტალური სილიციუმი სასიცოცხლო როლს ასრულებს ტექნოლოგიური ინოვაციებისა და ეკონომიკური ზრდის ხელშეწყობაში.

ნახევარგამტარული ინდუსტრიის საერთაშორისო ასოციაციის მონაცემების თანახმად, ნახევარგამტარული ვაფლების გლობალურმა ბაზარმა გაყიდვების მაჩვენებელი 12.6 მილიარდი დოლარი შეადგინა, ხოლო გადაზიდვები 14.2 მილიარდ კვადრატულ ინჩამდე გაიზარდა. გარდა ამისა, სილიკონის ვაფლებზე მოთხოვნა სტაბილურად იზრდება.

თუმცა, გლობალური სილიკონის ვაფლის ინდუსტრია მაღალკონცენტრირებულია, სადაც ხუთი უმსხვილესი მომწოდებელი დომინირებს ბაზრის წილის 85%-ზე მეტს, როგორც ქვემოთ არის ნაჩვენები:

• შინ-ეცუ ქემიკალ (იაპონია)

• სუმკო (იაპონია)

• გლობალური ვაფლები

• სილტრონიკი (გერმანია)

• SK Siltron (სამხრეთ კორეა)

ეს ოლიგოპოლია იწვევს ჩინეთის ძლიერ დამოკიდებულებას იმპორტირებულ მონოკრისტალურ სილიციუმის ვაფლებზე, რაც ქვეყნის ინტეგრირებული სქემების ინდუსტრიის განვითარების ერთ-ერთ მთავარ შემაფერხებელ ფაქტორად იქცა.

ნახევარგამტარული სილიციუმის მონოკრისტალების წარმოების სექტორში არსებული გამოწვევების დასაძლევად, კვლევასა და განვითარებაში ინვესტირება და ადგილობრივი წარმოების შესაძლებლობების გაძლიერება გარდაუვალი არჩევანია.

2. მონოკრისტალური სილიციუმის მასალის მიმოხილვა

მონოკრისტალური სილიციუმი ინტეგრირებული სქემების ინდუსტრიის საფუძველია. დღეისათვის, ინტეგრირებული სქემების ჩიპებისა და ელექტრონული მოწყობილობების 90%-ზე მეტი დამზადებულია მონოკრისტალური სილიციუმის, როგორც პირველადი მასალის გამოყენებით. მონოკრისტალური სილიციუმის ფართოდ გავრცელებული მოთხოვნა და მისი მრავალფეროვანი სამრეწველო გამოყენება შეიძლება რამდენიმე ფაქტორს მივაწეროთ:

1. უსაფრთხოება და ეკოლოგიურად სუფთასილიციუმი უხვად არის დედამიწის ქერქში, არატოქსიკური და ეკოლოგიურად სუფთა.

2. ელექტრო იზოლაციასილიციუმი ბუნებრივად ავლენს ელექტროიზოლაციის თვისებებს და თერმული დამუშავების შემდეგ ქმნის სილიციუმის დიოქსიდის დამცავ ფენას, რომელიც ეფექტურად უშლის ხელს ელექტრული მუხტის დაკარგვას.

3. ზრდასრული ზრდის ტექნოლოგიასილიციუმის ზრდის პროცესების ტექნოლოგიური განვითარების ხანგრძლივმა ისტორიამ ის სხვა ნახევარგამტარულ მასალებთან შედარებით გაცილებით დახვეწილი გახადა.

ეს ფაქტორები ერთად მონოკრისტალურ სილიციუმს ინდუსტრიის წინა პლანზე ინარჩუნებს, რაც მას სხვა მასალებთან შედარებით შეუცვლელს ხდის.

კრისტალური სტრუქტურის თვალსაზრისით, მონოკრისტალური სილიციუმი არის მასალა, რომელიც დამზადებულია სილიციუმის ატომებისგან, რომლებიც განლაგებულია პერიოდულ ბადეში და ქმნიან უწყვეტ სტრუქტურას. ის ჩიპების წარმოების ინდუსტრიის საფუძველს წარმოადგენს.

შემდეგი დიაგრამა ასახავს მონოკრისტალური სილიციუმის მომზადების სრულ პროცესს:

პროცესის მიმოხილვა:
მონოკრისტალური სილიციუმი მიიღება სილიციუმის მადნიდან გადამუშავების რამდენიმე ეტაპის მეშვეობით. პირველ რიგში, მიიღება პოლიკრისტალური სილიციუმი, რომელიც შემდეგ კრისტალების ზრდის ღუმელში მონოკრისტალური სილიციუმის ზოდად იქცევა. შემდეგ ის იჭრება, იპრიალება და მუშავდება ჩიპების წარმოებისთვის შესაფერის სილიციუმის ვაფლებად.

სილიკონის ვაფლები ჩვეულებრივ იყოფა ორ კატეგორიად:ფოტოელექტრული კლასისდანახევარგამტარული კლასისეს ორი ტიპი ძირითადად განსხვავდება სტრუქტურით, სისუფთავით და ზედაპირის ხარისხით.

• ნახევარგამტარული კლასის ვაფლებიაქვთ განსაკუთრებით მაღალი სისუფთავე, 99.999999999%-მდე და მკაცრად მოითხოვენ, რომ იყვნენ მონოკრისტალური.

• ფოტოელექტრული დონის ვაფლებინაკლებად სუფთაა, სისუფთავის დონე 99.99%-დან 99.9999%-მდე მერყეობს და არ აქვთ ასეთი მკაცრი მოთხოვნები კრისტალის ხარისხის მიმართ.

გარდა ამისა, ნახევარგამტარული კლასის ვაფლებს უფრო მაღალი ზედაპირის სიგლუვე და სისუფთავე სჭირდებათ, ვიდრე ფოტოელექტრული კლასის ვაფლებს. ნახევარგამტარული ვაფლების უფრო მაღალი სტანდარტები ზრდის როგორც მათი მომზადების სირთულეს, ასევე მათ შემდგომ ღირებულებას გამოყენებაში.

ქვემოთ მოცემულ დიაგრამაზე გამოსახულია ნახევარგამტარული ვაფლების სპეციფიკაციების ევოლუცია, რომელიც გაიზარდა ადრეული 4 დიუმიანი (100 მმ) და 6 დიუმიანი (150 მმ) ვაფლებიდან ამჟამინდელ 8 დიუმიან (200 მმ) და 12 დიუმიან (300 მმ) ვაფლებამდე.

სილიციუმის მონოკრისტალების მომზადებისას, ვაფლის ზომა განსხვავდება გამოყენების ტიპისა და ღირებულების ფაქტორების მიხედვით. მაგალითად, მეხსიერების ჩიპები ჩვეულებრივ იყენებენ 12 დიუმიან ვაფლებს, ხოლო კვების მოწყობილობები ხშირად იყენებენ 8 დიუმიან ვაფლებს.

შეჯამებისთვის, ვაფლის ზომის ევოლუცია როგორც მურის კანონის, ასევე ეკონომიკური ფაქტორების შედეგია. ვაფლის უფრო დიდი ზომა საშუალებას იძლევა გაიზარდოს უფრო გამოსაყენებელი სილიციუმის ფართობი იმავე დამუშავების პირობებში, რაც ამცირებს წარმოების ხარჯებს და ამავდროულად მინიმუმამდე ამცირებს ვაფლის კიდეებიდან წარმოქმნილ ნარჩენებს.

თანამედროვე ტექნოლოგიური განვითარების უმნიშვნელოვანესი მასალის სახით, ნახევარგამტარული სილიკონის ვაფლები, ისეთი ზუსტი პროცესების მეშვეობით, როგორიცაა ფოტოლითოგრაფია და იონური იმპლანტაცია, საშუალებას იძლევა სხვადასხვა ელექტრონული მოწყობილობების, მათ შორის მაღალი სიმძლავრის გამასწორებლების, ტრანზისტორების, ბიპოლარული შეერთების ტრანზისტორებისა და გადართვის მოწყობილობების წარმოებისა. ეს მოწყობილობები მნიშვნელოვან როლს ასრულებენ ისეთ სფეროებში, როგორიცაა ხელოვნური ინტელექტი, 5G კომუნიკაციები, საავტომობილო ელექტრონიკა, ნივთების ინტერნეტი და აერონავტიკა, რაც ეროვნული ეკონომიკური განვითარებისა და ტექნოლოგიური ინოვაციების ქვაკუთხედს წარმოადგენს.

3. მონოკრისტალური სილიციუმის ზრდის ტექნოლოგია

ისჩოხრალსკის (ჩეხეთი) მეთოდიარის ეფექტური პროცესი დნობიდან მაღალი ხარისხის მონოკრისტალური მასალის ამოსაღებად. შემოთავაზებული იან ჩოხრალსკის მიერ 1917 წელს, ეს მეთოდი ასევე ცნობილია, როგორცკრისტალის გაყვანამეთოდი.

ამჟამად, CZ მეთოდი ფართოდ გამოიყენება სხვადასხვა ნახევარგამტარული მასალების დასამზადებლად. არასრული სტატისტიკის მიხედვით, ელექტრონული კომპონენტების დაახლოებით 98% დამზადებულია მონოკრისტალური სილიციუმისგან, ამ კომპონენტების 85% კი CZ მეთოდით იწარმოება.

CZ მეთოდი უპირატესობას ანიჭებს მისი შესანიშნავი კრისტალის ხარისხის, კონტროლირებადი ზომის, სწრაფი ზრდის ტემპისა და მაღალი წარმოების ეფექტურობის გამო. ეს მახასიათებლები CZ მონოკრისტალურ სილიციუმს ელექტრონიკის ინდუსტრიაში მაღალი ხარისხის, ფართომასშტაბიანი მოთხოვნის დასაკმაყოფილებლად სასურველ მასალად აქცევს.

CZ მონოკრისტალური სილიციუმის ზრდის პრინციპი შემდეგია:

CZ პროცესი მოითხოვს მაღალ ტემპერატურას, ვაკუუმს და დახურულ გარემოს. ამ პროცესისთვის ძირითადი აღჭურვილობააკრისტალების ზრდის ღუმელი, რაც ამ პირობებს აადვილებს.

შემდეგი დიაგრამა ასახავს კრისტალების ზრდის ღუმელის სტრუქტურას.

CZ პროცესში, სუფთა სილიციუმი თავსდება ტიგანში, დნება და გამდნარ სილიციუმში შეჰყავთ საწყისი კრისტალი. ისეთი პარამეტრების ზუსტი კონტროლით, როგორიცაა ტემპერატურა, წევის სიჩქარე და ტიგანის ბრუნვის სიჩქარე, საწყისი კრისტალისა და გამდნარი სილიციუმის საზღვარზე ატომები ან მოლეკულები განუწყვეტლივ რეორგანიზდებიან, სისტემის გაგრილებისას მყარდებიან და საბოლოოდ ქმნიან ერთ კრისტალს.

კრისტალების ზრდის ეს ტექნიკა წარმოქმნის მაღალი ხარისხის, დიდი დიამეტრის მონოკრისტალურ სილიციუმს სპეციფიკური კრისტალური ორიენტაციით.

ზრდის პროცესი მოიცავს რამდენიმე მნიშვნელოვან ეტაპს, მათ შორის:

1. დემონტაჟი და ჩატვირთვაკრისტალის მოცილება და ღუმელისა და კომპონენტების საფუძვლიანი გაწმენდა დამაბინძურებლებისგან, როგორიცაა კვარცი, გრაფიტი ან სხვა მინარევები.

2. ვაკუუმი და დნობასისტემა ვაკუუმში გადადის, რასაც მოჰყვება არგონის გაზის შეყვანა და სილიციუმის მუხტის გათბობა.

3. კრისტალის გაყვანასათესლე კრისტალი თავსდება გამდნარ სილიციუმში და სათანადო კრისტალიზაციის უზრუნველსაყოფად ფრთხილად კონტროლდება ინტერფეისის ტემპერატურა.

4. მხრების და დიამეტრის კონტროლიკრისტალის ზრდასთან ერთად, მისი დიამეტრი ყურადღებით კონტროლდება და რეგულირდება ერთგვაროვანი ზრდის უზრუნველსაყოფად.

5. ზრდის დასასრული და ღუმელის გამორთვასასურველი კრისტალის ზომის მიღწევის შემდეგ, ღუმელი ითიშება და კრისტალი ამოღებულია.

ამ პროცესის დეტალური ეტაპები უზრუნველყოფს ნახევარგამტარების წარმოებისთვის შესაფერისი მაღალი ხარისხის, დეფექტებისგან თავისუფალი მონოკრისტალების შექმნას.

4. მონოკრისტალური სილიციუმის წარმოების გამოწვევები

დიდი დიამეტრის ნახევარგამტარული მონოკრისტალების წარმოების ერთ-ერთი მთავარი გამოწვევა ზრდის პროცესში ტექნიკური შეფერხებების დაძლევაა, განსაკუთრებით კრისტალური დეფექტების პროგნოზირებისა და კონტროლის კუთხით:

1. მონოკრისტალური ხარისხის შეუსაბამობა და დაბალი მოსავლიანობასილიციუმის მონოკრისტალების ზომის ზრდასთან ერთად, იზრდება ზრდის გარემოს სირთულე, რაც ართულებს ისეთი ფაქტორების კონტროლს, როგორიცაა თერმული, ნაკადის და მაგნიტური ველები. ეს ართულებს თანმიმდევრული ხარისხისა და უფრო მაღალი მოსავლიანობის მიღწევის ამოცანას.

2. არასტაბილური კონტროლის პროცესინახევარგამტარული სილიციუმის მონოკრისტალების ზრდის პროცესი ძალიან რთულია, მრავალი ფიზიკური ველის ურთიერთქმედებით, რაც კონტროლის სიზუსტეს არასტაბილურს ხდის და პროდუქტის დაბალ მოსავლიანობას იწვევს. ამჟამინდელი კონტროლის სტრატეგიები ძირითადად კრისტალის მაკროსკოპულ ზომებზეა ორიენტირებული, ხოლო ხარისხი კვლავ რეგულირდება ხელით დამუშავების გამოცდილების საფუძველზე, რაც ართულებს მიკრო და ნანო დამზადების მოთხოვნების დაკმაყოფილებას ინტეგრირებული სქემების ჩიპებში.

ამ გამოწვევების გადასაჭრელად, სასწრაფოდ საჭიროა კრისტალების ხარისხის რეალურ დროში, ონლაინ მონიტორინგისა და პროგნოზირების მეთოდების შემუშავება, კონტროლის სისტემების გაუმჯობესებასთან ერთად, რათა უზრუნველყოფილი იყოს ინტეგრირებულ სქემებში გამოსაყენებლად დიდი მონოკრისტალების სტაბილური, მაღალი ხარისხის წარმოება.