סקירה מקיפה של שיטות גידול סיליקון חד-גבישי

סקירה מקיפה של שיטות גידול סיליקון חד-גבישי

1. רקע של פיתוח סיליקון חד-גבישי

התקדמות הטכנולוגיה והביקוש הגובר למוצרים חכמים בעלי יעילות גבוהה ביססו עוד יותר את מעמדה המרכזי של תעשיית המעגלים המשולבים (IC) בפיתוח הלאומי. כאבן הפינה של תעשיית המעגלים המשולבים, סיליקון חד-גבישי מוליך למחצה ממלא תפקיד חיוני בהנעת חדשנות טכנולוגית וצמיחה כלכלית.

על פי נתוני איגוד תעשיית המוליכים למחצה הבינלאומי, שוק פרוסות הסיליקון העולמי הגיע לנתוני מכירות של 12.6 מיליארד דולר, כאשר המשלוחים גדלו ל-14.2 מיליארד אינץ' רבועים. יתר על כן, הביקוש לפלסטיק סיליקון ממשיך לעלות בהתמדה.

עם זאת, תעשיית פרוסות הסיליקון העולמית ריכוזית מאוד, כאשר חמשת הספקים המובילים שולטים ביותר מ-85% מנתח השוק, כפי שמוצג להלן:

• שין-אטסו כימיקלים (יפן)

• SUMCO (יפן)

• ופלים גלובליים

• סילטרוניק (גרמניה)

• SK Siltron (דרום קוריאה)

אוליגופול זה גורם לתלותה הכבדה של סין בפרוסות סיליקון חד-קריסטליות מיובאות, שהפכה לאחד מצווארי הבקבוק המרכזיים המגבילים את התפתחות תעשיית המעגלים המשולבים במדינה.

כדי להתגבר על האתגרים הנוכחיים במגזר ייצור המונוקריסטלים של סיליקון למחצה, השקעה במחקר ופיתוח וחיזוק יכולות הייצור המקומיות היא בחירה בלתי נמנעת.

2. סקירה כללית של חומר סיליקון מונוקריסטלי

סיליקון מונוקריסטלי הוא הבסיס של תעשיית המעגלים המשולבים. נכון להיום, למעלה מ-90% משבבי המעגלים המשולבים והמכשירים האלקטרוניים מיוצרים באמצעות סיליקון מונוקריסטלי כחומר העיקרי. הביקוש הנרחב לסיליקון מונוקריסטלי ויישומיו התעשייתיים המגוונים ניתן לייחס למספר גורמים:

1. בטיחות וידידותיות לסביבהסיליקון נמצא בשפע בקרום כדור הארץ, אינו רעיל וידידותי לסביבה.

2. בידוד חשמליסיליקון באופן טבעי מציג תכונות בידוד חשמליות, ובטיפול בחום הוא יוצר שכבת מגן של סיליקון דו-חמצני, אשר מונעת ביעילות אובדן מטען חשמלי.

3. טכנולוגיית צמיחה בוגרתההיסטוריה הארוכה של פיתוח טכנולוגי בתהליכי גידול סיליקון הפכה אותו למתוחכם בהרבה מחומרים מוליכים למחצה אחרים.

גורמים אלה יחד שומרים על סיליקון חד-קריסטליני בחזית התעשייה, מה שהופך אותו לחסר תחליף בחומרים אחרים.

מבחינת מבנה גבישי, סיליקון חד-גבישי הוא חומר העשוי מאטומי סיליקון המסודרים בסריג מחזורי, ויוצרים מבנה רציף. זהו הבסיס לתעשיית ייצור השבבים.

התרשים הבא ממחיש את התהליך המלא של הכנת סיליקון חד-גבישי:

סקירת התהליך:
סיליקון חד-קריסטלי מופק מעפרת סיליקון באמצעות סדרה של שלבי זיקוק. ראשית, מתקבל סיליקון רב-קריסטלי, אשר לאחר מכן מגודל למטיל סיליקון חד-קריסטלי בכבשן גידול גבישים. לאחר מכן, הוא נחתך, מלוטש ומעובד לפרוסות סיליקון המתאימות לייצור שבבים.

פרוסות סיליקון מחולקות בדרך כלל לשתי קטגוריות:פוטו-וולטאיתובדרגת מוליכים למחצהשני סוגים אלה נבדלים בעיקר במבנה שלהם, בטוהר שלהם ובאיכות פני השטח שלהם.

• פרוסות ברמת מוליכים למחצהבעלי טוהר גבוה במיוחד של עד 99.999999999%, ונדרש בקפדנות שהם חד-קריסטליים.

• פרוסות פוטו-וולטאיותפחות טהורים, עם רמות טוהר הנעות בין 99.99% ל-99.9999%, ואין להם דרישות כה מחמירות לאיכות הגביש.

בנוסף, פרוסות בדרגת מוליכים למחצה דורשות חלקות פני שטח וניקיון גבוהים יותר בהשוואה לפרוסות בדרגת פוטו-וולטאית. הסטנדרטים הגבוהים יותר עבור פרוסות מוליכים למחצה מגדילים הן את מורכבות הכנתן והן את ערכן ביישומים.

הטבלה הבאה מתארת ​​את התפתחות מפרטי פרוסות המוליכים למחצה, אשר עלו מוופלים מוקדמים בגודל 4 אינץ' (100 מ"מ) ו-6 אינץ' (150 מ"מ) לוופלים נוכחיים בגודל 8 אינץ' (200 מ"מ) ו-12 אינץ' (300 מ"מ).

בהכנת סיליקון חד-גבישי בפועל, גודל הוופל משתנה בהתאם לסוג היישום ולגורמי העלות. לדוגמה, שבבי זיכרון משתמשים בדרך כלל בפרוסות בגודל 12 אינץ', בעוד שמכשירי חשמל משתמשים לעתים קרובות בפרוסות בגודל 8 אינץ'.

לסיכום, התפתחות גודל הוופל היא תוצאה של חוק מור וגורמים כלכליים כאחד. גודל וופל גדול יותר מאפשר גידול של שטח סיליקון שמיש יותר באותם תנאי עיבוד, מה שמפחית את עלויות הייצור תוך מזעור פסולת מקצוות הוופל.

כחומר מכריע בפיתוח טכנולוגי מודרני, פרוסות סיליקון מוליכים למחצה, באמצעות תהליכים מדויקים כגון פוטוליוגרפיה והשתלת יונים, מאפשרות ייצור של מגוון מכשירים אלקטרוניים, כולל מיישרים בעלי הספק גבוה, טרנזיסטורים, טרנזיסטורים לצומת דו-קוטבי והתקני מיתוג. התקנים אלה ממלאים תפקיד מפתח בתחומים כמו בינה מלאכותית, תקשורת 5G, אלקטרוניקה לרכב, האינטרנט של הדברים ותעופה וחלל, ומהווים את אבן הפינה של הפיתוח הכלכלי הלאומי והחדשנות הטכנולוגית.

3. טכנולוגיית גידול סיליקון מונוקריסטלי

השיטת צ'וכרלסקי (CZ)הוא תהליך יעיל להוצאת חומר חד-גבישי באיכות גבוהה מהמותך. שיטה זו, שהוצעה על ידי יאן צ'וכרלסקי בשנת 1917, ידועה גם בשםמשיכת גבישיםשִׁיטָה.

כיום, שיטת CZ נמצאת בשימוש נרחב בהכנת חומרים שונים של מוליכים למחצה. על פי נתונים סטטיסטיים חלקיים, כ-98% מהרכיבים האלקטרוניים עשויים מסיליקון חד-גבישי, כאשר 85% מרכיבים אלה מיוצרים בשיטת CZ.

שיטת הסיליקון המונוקריסטליני CZ מועדפת בזכות איכות הגביש המעולה שלה, גודל נשלט, קצב גידול מהיר ויעילות ייצור גבוהה. מאפיינים אלה הופכים את הסיליקון המונוקריסטליני CZ לחומר המועדף לעמידה בביקוש האיכותי בקנה מידה גדול בתעשיית האלקטרוניקה.

עקרון הצמיחה של סיליקון חד-קריסטליני CZ הוא כדלקמן:

תהליך ה-CZ דורש טמפרטורות גבוהות, ואקום וסביבה סגורה. הציוד המרכזי לתהליך זה הוא ה-תנור צמיחת גבישים, מה שמקל על התנאים הללו.

התרשים הבא ממחיש את מבנה תנור גידול גבישים.

בתהליך CZ, סיליקון טהור מוכנס לכור היתוך, מותך, וגביש זרעים מוחדר לתוך הסיליקון המותך. על ידי שליטה מדויקת בפרמטרים כגון טמפרטורה, קצב משיכה ומהירות סיבוב כור היתוך, אטומים או מולקולות בממשק גביש הזרעים והסיליקון המותך מתארגנים מחדש ללא הרף, מתמצקים ככל שהמערכת מתקררת ובסופו של דבר יוצרים גביש יחיד.

טכניקת גידול גבישים זו מייצרת סיליקון חד-גבישי באיכות גבוהה בקוטר גדול עם אוריינטציות גביש ספציפיות.

תהליך הצמיחה כולל מספר שלבים מרכזיים, ביניהם:

1. פירוק וטעינההסרת הגביש וניקוי יסודי של התנור והרכיבים ממנועים מזהמים כגון קוורץ, גרפיט או זיהומים אחרים.

2. ואקום והתכההמערכת מפונה לוואקום, ולאחר מכן מכניסים גז ארגון ומחוממים את מטען הסיליקון.

3. משיכת גבישיםגביש הזרעים מורד לתוך הסיליקון המותך, וטמפרטורת הממשק נשלטת בקפידה כדי להבטיח התגבשות תקינה.

4. בקרת כתפיים וקוטרככל שהגביש גדל, קוטרו מנוטר ומותאם בקפידה כדי להבטיח צמיחה אחידה.

5. סוף הצמיחה וסגירת התנורלאחר שמושגים את גודל הגביש הרצוי, מכבים את הכבשן ומוציאים את הגביש.

השלבים המפורטים בתהליך זה מבטיחים יצירת מונוגבישים באיכות גבוהה וללא פגמים, המתאימים לייצור מוליכים למחצה.

4. אתגרים בייצור סיליקון חד-גבישי

אחד האתגרים העיקריים בייצור גבישים חד-ממדיים של מוליכים למחצה בקוטר גדול טמון בהתגברות על צווארי בקבוק טכניים במהלך תהליך הגידול, במיוחד בניבוי ובקרה של פגמי גביש:

1. איכות מונוקריסטלית לא עקבית ותפוקה נמוכהככל שגודלם של גבישי הסיליקון החד-חלקיים גדל, מורכבות סביבת הגידול עולה, מה שמקשה על שליטה בגורמים כמו שדות תרמיים, זרימה ושדות מגנטיים. זה מסבך את המשימה של השגת איכות עקבית ותפוקות גבוהות יותר.

2. תהליך בקרה לא יציבתהליך הגידול של גבישי סיליקון מוליכים למחצה הוא מורכב ביותר, עם מספר שדות פיזיקליים הפועלים באינטראקציה, מה שהופך את דיוק הבקרה ללא יציב ומוביל לתפוקות מוצר נמוכות. אסטרטגיות הבקרה הנוכחיות מתמקדות בעיקר במידות המקרוסקופיות של הגביש, בעוד שהאיכות עדיין מותאמת על סמך ניסיון ידני, מה שמקשה על עמידה בדרישות לייצור מיקרו וננו בשבבי IC.

כדי להתמודד עם אתגרים אלה, יש צורך דחוף בפיתוח שיטות ניטור וחיזוי בזמן אמת ומקוונות לאיכות גבישים, יחד עם שיפורים במערכות בקרה כדי להבטיח ייצור יציב ואיכותי של גבישים חד-גבישיים גדולים לשימוש במעגלים משולבים.