Një Përmbledhje Gjithëpërfshirëse e Metodave të Rritjes së Silicit Monokristaline

Një Përmbledhje Gjithëpërfshirëse e Metodave të Rritjes së Silicit Monokristaline

1. Sfondi i Zhvillimit të Silicit Monokristaline

Përparimi i teknologjisë dhe kërkesa në rritje për produkte inteligjente me efikasitet të lartë e kanë forcuar më tej pozicionin thelbësor të industrisë së qarqeve të integruara (IC) në zhvillimin kombëtar. Si gurthemeli i industrisë së IC-ve, silici monokristalin gjysmëpërçues luan një rol jetësor në nxitjen e inovacionit teknologjik dhe rritjes ekonomike.

Sipas të dhënave nga Shoqata Ndërkombëtare e Industrisë së Gjysmëpërçuesve, tregu global i pllakave gjysmëpërçuese arriti një shifër shitjesh prej 12.6 miliardë dollarësh, me dërgesa që u rritën në 14.2 miliardë inç katrorë. Për më tepër, kërkesa për pllaka silikoni vazhdon të rritet vazhdimisht.

Megjithatë, industria globale e pllakave të silikonit është shumë e përqendruar, me pesë furnizuesit kryesorë që dominojnë mbi 85% të pjesës së tregut, siç tregohet më poshtë:

• Shin-Etsu Chemical (Japoni)

• SUMCO (Japoni)

• Napolitane Globale

• Siltronic (Gjermani)

• SK Siltron (Koreja e Jugut)

Ky oligopol rezulton në varësinë e madhe të Kinës nga pllakat e silikonit monokristalin të importuara, e cila është bërë një nga pengesat kryesore që kufizojnë zhvillimin e industrisë së qarqeve të integruara në vend.

Për të kapërcyer sfidat aktuale në sektorin e prodhimit të monokristalit të silikonit gjysmëpërçues, investimi në kërkim dhe zhvillim dhe forcimi i kapaciteteve të prodhimit vendas është një zgjedhje e pashmangshme.

2. Përmbledhje e Materialit të Silikonit Monokristaline

Siliconi monokristalin është themeli i industrisë së qarqeve të integruara. Deri më sot, mbi 90% e çipave të integruar dhe pajisjeve elektronike prodhohen duke përdorur silicin monokristalin si material parësor. Kërkesa e përhapur për silicin monokristalin dhe aplikimet e tij të larmishme industriale mund t'i atribuohen disa faktorëve:

1. Siguria dhe Miqësori me MjedisinSilici është i bollshëm në koren e Tokës, jo-toksik dhe miqësor ndaj mjedisit.

2. Izolim elektrikSilici shfaq natyrshëm veti izoluese elektrike dhe, pas trajtimit termik, formon një shtresë mbrojtëse të dioksidit të silikonit, i cili parandalon në mënyrë efektive humbjen e ngarkesës elektrike.

3. Teknologjia e Rritjes së PjekurHistoria e gjatë e zhvillimit teknologjik në proceset e rritjes së silikonit e ka bërë atë shumë më të sofistikuar se materialet e tjera gjysmëpërçuese.

Këta faktorë së bashku e mbajnë silicin monokristalin në ballë të industrisë, duke e bërë atë të pazëvendësueshëm nga materialet e tjera.

Për sa i përket strukturës kristalore, silici monokristalin është një material i bërë nga atome silici të rregulluara në një rrjetë periodike, duke formuar një strukturë të vazhdueshme. Është baza e industrisë së prodhimit të çipave.

Diagrami i mëposhtëm ilustron procesin e plotë të përgatitjes së silikonit monokristalin:

Përmbledhje e procesit:
Silici monokristalin nxirret nga xeherori i silicit nëpërmjet një sërë hapash rafinimi. Së pari, përftohet silici polikristalin, i cili më pas rritet në një shufër silici monokristalin në një furrë rritjeje kristali. Më pas, pritet, lëmohet dhe përpunohet në pllaka silikoni të përshtatshme për prodhimin e çipave.

Napolitanet e silikonit zakonisht ndahen në dy kategori:gradë fotovoltaikedhegjysmëpërçuesKëto dy lloje ndryshojnë kryesisht në strukturën, pastërtinë dhe cilësinë e sipërfaqes së tyre.

• Napolitane të gradës gjysmëpërçuesekanë një pastërti jashtëzakonisht të lartë deri në 99.999999999% dhe kërkohet rreptësisht të jenë monokristaline.

• Napolitane të gradës fotovoltaikejanë më pak të pastra, me nivele pastërtie që variojnë nga 99.99% në 99.9999%, dhe nuk kanë kërkesa kaq të rrepta për cilësinë e kristalit.

Përveç kësaj, pllakat e gradës gjysmëpërçuese kërkojnë lëmim dhe pastërti më të lartë sipërfaqësore sesa pllakat e gradës fotovoltaike. Standardet më të larta për pllakat gjysmëpërçuese rrisin si kompleksitetin e përgatitjes së tyre ashtu edhe vlerën e tyre të mëvonshme në aplikime.

Grafiku i mëposhtëm përshkruan evolucionin e specifikimeve të pllakave gjysmëpërçuese, të cilat janë rritur nga pllakat e hershme 4 inç (100 mm) dhe 6 inç (150 mm) në pllakat aktuale 8 inç (200 mm) dhe 12 inç (300 mm).

Në përgatitjen aktuale të monokristalit të silikonit, madhësia e pllakës ndryshon në bazë të llojit të aplikimit dhe faktorëve të kostos. Për shembull, çipat e memories zakonisht përdorin pllaka 12-inç, ndërsa pajisjet e energjisë shpesh përdorin pllaka 8-inç.

Si përmbledhje, evolucioni i madhësisë së pllakës së silikonit është rezultat si i Ligjit të Moore-it ashtu edhe i faktorëve ekonomikë. Një madhësi më e madhe e pllakës së silikonit mundëson rritjen e një sipërfaqeje më të përdorshme të silikonit në të njëjtat kushte përpunimi, duke ulur kostot e prodhimit dhe duke minimizuar mbetjet nga skajet e pllakës së silikonit.

Si një material thelbësor në zhvillimin modern teknologjik, pllakat e silikonit gjysmëpërçues, përmes proceseve precize si fotolitografia dhe implantimi jonik, mundësojnë prodhimin e pajisjeve të ndryshme elektronike, duke përfshirë ndreqës me fuqi të lartë, transistorë, transistorë kryqëzimi bipolarë dhe pajisje komutuese. Këto pajisje luajnë një rol kyç në fusha të tilla si inteligjenca artificiale, komunikimet 5G, elektronika automobilistike, Interneti i Gjërave dhe hapësira ajrore, duke formuar gurthemelin e zhvillimit ekonomik kombëtar dhe inovacionit teknologjik.

3. Teknologjia e Rritjes së Silicit Monokristaline

I/E/Të/TëMetoda Czochralski (CZ)është një proces efikas për nxjerrjen e materialit monokristalin me cilësi të lartë nga shkrirja. E propozuar nga Jan Czochralski në vitin 1917, kjo metodë njihet edhe siTërheqja e kristalitmetodë.

Aktualisht, metoda CZ përdoret gjerësisht në përgatitjen e materialeve të ndryshme gjysmëpërçuese. Sipas statistikave të paplota, rreth 98% e komponentëve elektronikë janë bërë nga silic monokristalin, me 85% të këtyre komponentëve të prodhuar duke përdorur metodën CZ.

Metoda CZ është e preferuar për shkak të cilësisë së shkëlqyer të kristalit, madhësisë së kontrollueshme, shkallës së shpejtë të rritjes dhe efikasitetit të lartë të prodhimit. Këto karakteristika e bëjnë silikonin monokristalin CZ materialin e preferuar për të përmbushur kërkesën me cilësi të lartë dhe në shkallë të gjerë në industrinë elektronike.

Parimi i rritjes së silikonit monokristalin CZ është si më poshtë:

Procesi CZ kërkon temperatura të larta, vakum dhe një mjedis të mbyllur. Pajisjet kryesore për këtë proces janëfurrë për rritjen e kristaleve, gjë që i lehtëson këto kushte.

Diagrami i mëposhtëm ilustron strukturën e një furre për rritjen e kristaleve.

Në procesin CZ, silici i pastër vendoset në një enë shpimi, shkrihet dhe një kristal fillestar futet në silicin e shkrirë. Duke kontrolluar me saktësi parametra të tillë si temperatura, shkalla e tërheqjes dhe shpejtësia e rrotullimit të enës shpimi, atomet ose molekulat në ndërfaqen e kristalit fillestar dhe silicit të shkrirë riorganizohen vazhdimisht, duke u ngurtësuar ndërsa sistemi ftohet dhe në fund duke formuar një kristal të vetëm.

Kjo teknikë e rritjes së kristaleve prodhon silic monokristalin me cilësi të lartë, me diametër të madh, me orientime specifike të kristaleve.

Procesi i rritjes përfshin disa hapa kryesorë, duke përfshirë:

1. Çmontimi dhe NgarkimiHeqja e kristalit dhe pastrimi i plotë i furrës dhe i komponentëve nga ndotësit si kuarci, grafiti ose papastërtitë e tjera.

2. Vakum dhe ShkrirjeSistemi evakuohet në vakum, i ndjekur nga futja e gazit argon dhe ngrohja e ngarkesës së silikonit.

3. Tërheqja e kristalitKristali i farës zhytet në silicin e shkrirë dhe temperatura e ndërfaqes kontrollohet me kujdes për të siguruar kristalizimin e duhur.

4. Kontroll mbi shpatulla dhe diametërNdërsa kristali rritet, diametri i tij monitorohet dhe rregullohet me kujdes për të siguruar rritje uniforme.

5. Fundi i rritjes dhe mbyllja e furrësPasi të arrihet madhësia e dëshiruar e kristalit, furra fiket dhe kristali hiqet.

Hapat e detajuar në këtë proces sigurojnë krijimin e monokristaleve me cilësi të lartë dhe pa defekte, të përshtatshme për prodhimin e gjysmëpërçuesve.

4. Sfidat në Prodhimin e Silicit Monokristaline

Një nga sfidat kryesore në prodhimin e monokristaleve gjysmëpërçuese me diametër të madh qëndron në kapërcimin e pengesave teknike gjatë procesit të rritjes, veçanërisht në parashikimin dhe kontrollin e defekteve të kristalit:

1. Cilësi e paqëndrueshme monokristalore dhe rendiment i ulëtNdërsa madhësia e monokristaleve të silikonit rritet, kompleksiteti i mjedisit të rritjes rritet, duke e bërë të vështirë kontrollin e faktorëve si fushat termike, të rrjedhjes dhe magnetike. Kjo e ndërlikon detyrën e arritjes së cilësisë së qëndrueshme dhe rendimenteve më të larta.

2. Procesi i Kontrollit të PaqëndrueshëmProcesi i rritjes së monokristaleve të silikonit gjysmëpërçues është shumë kompleks, me fusha të shumëfishta fizike që bashkëveprojnë, duke e bërë saktësinë e kontrollit të paqëndrueshme dhe duke çuar në rendimente të ulëta të produktit. Strategjitë aktuale të kontrollit përqendrohen kryesisht në dimensionet makroskopike të kristalit, ndërsa cilësia ende rregullohet bazuar në përvojën manuale, duke e bërë të vështirë përmbushjen e kërkesave për prodhimin mikro dhe nano në çipat e IC.

Për t'iu përgjigjur këtyre sfidave, nevojitet urgjentisht zhvillimi i metodave të monitorimit dhe parashikimit në kohë reale, online, për cilësinë e kristaleve, së bashku me përmirësime në sistemet e kontrollit për të siguruar prodhim të qëndrueshëm dhe me cilësi të lartë të monokristaleve të mëdha për përdorim në qarqet e integruara.