Monokristal Silikon Artım Metodlarının Kompleks Baxışı

Monokristal Silikon Artım Metodlarının Kompleks Baxışı

1. Monokristal Silikon İnkişafının Əsası

Texnologiyanın inkişafı və yüksək səmərəli smart məhsullara artan tələbat milli inkişafda inteqral sxem (IC) sənayesinin əsas mövqeyini daha da möhkəmləndirdi. IC sənayesinin təməl daşı kimi, yarımkeçirici monokristal silikon texnoloji innovasiyaların və iqtisadi inkişafın idarə edilməsində mühüm rol oynayır.

Beynəlxalq Yarımkeçiricilər Sənayesi Assosiasiyasının məlumatlarına görə, qlobal yarımkeçirici vafli bazarı 12,6 milyard dollar satış rəqəminə çatdı və tədarüklər 14,2 milyard kvadrat düymədək artdı. Üstəlik, silikon vaflilərə tələbat durmadan artmaqda davam edir.

Bununla belə, qlobal silikon vafli sənayesi yüksək konsentrasiyaya malikdir və ilk beş təchizatçı aşağıda göstərildiyi kimi bazar payının 85%-dən çoxunu təşkil edir:

• Shin-Etsu Chemical (Yaponiya)

• SUMCO (Yaponiya)

• Qlobal vaflilər

• Siltronic (Almaniya)

• SK Siltron (Cənubi Koreya)

Bu oliqopoliya Çinin idxal olunan monokristal silikon vaflilərdən ağır asılılığı ilə nəticələnir ki, bu da ölkənin inteqral sxem sənayesinin inkişafını məhdudlaşdıran əsas maneələrdən birinə çevrilmişdir.

Yarımkeçirici silikon monokristal istehsalı sektorunda mövcud problemləri aradan qaldırmaq üçün tədqiqat və inkişafa sərmayə qoymaq və yerli istehsal imkanlarını gücləndirmək qaçınılmaz seçimdir.

2. Monokristal Silikon Materialına İcmal

Monokristal silikon inteqral sxem sənayesinin əsasını təşkil edir. Bu günə qədər IC çiplərinin və elektron cihazların 90%-dən çoxu əsas material kimi monokristal silikondan istifadə etməklə hazırlanır. Monokristal silikona və onun müxtəlif sənaye tətbiqlərinə geniş tələbat bir neçə amillə əlaqələndirilə bilər:

1. Təhlükəsizlik və Ekoloji Dostluq: Silikon Yer qabığında boldur, zəhərli deyil və ekoloji cəhətdən təmizdir.

2. Elektrik izolyasiyası: Silikon təbii olaraq elektrik izolyasiya xüsusiyyətlərini nümayiş etdirir və istilik müalicəsi zamanı silikon dioksidin qoruyucu təbəqəsi əmələ gətirir və bu, elektrik yükünün itirilməsinin qarşısını alır.

3. Yetkin Böyümə Texnologiyası: Silikon artım proseslərində texnoloji inkişafın uzun tarixi onu digər yarımkeçirici materiallardan daha mürəkkəb etmişdir.

Bu amillər birlikdə monokristal silisiumu sənayenin ön sıralarında saxlayır və onu digər materiallarla əvəzolunmaz edir.

Kristal quruluşu baxımından monokristal silisium davamlı bir quruluş meydana gətirən, dövri qəfəsdə düzülmüş silikon atomlarından hazırlanmış bir materialdır. Çip istehsalı sənayesinin əsasını təşkil edir.

Aşağıdakı diaqram monokristal silisiumun hazırlanmasının tam prosesini göstərir:

Prosesə Baxış:
Monokristal silisium silisium filizindən bir sıra təmizləmə mərhələləri vasitəsilə əldə edilir. Əvvəlcə polikristal silisium əldə edilir, daha sonra kristal böyümə sobasında monokristal silikon külçəyə çevrilir. Daha sonra kəsilir, cilalanır və çip istehsalı üçün uyğun olan silikon vaflilərə işlənir.

Silikon vaflilər adətən iki kateqoriyaya bölünür:fotovoltaik dərəcəlivəyarımkeçirici dərəcəli. Bu iki növ əsasən quruluşu, təmizliyi və səth keyfiyyəti ilə fərqlənir.

• Yarımkeçirici dərəcəli vaflilər99,999999999%-ə qədər olduqca yüksək təmizliyə malikdir və monokristal olması ciddi şəkildə tələb olunur.

• Fotovoltaik dərəcəli vaflilərdaha az təmizdir, təmizlik səviyyələri 99,99%-dən 99,9999%-ə qədərdir və kristal keyfiyyəti üçün belə ciddi tələblər yoxdur.

Bundan əlavə, yarımkeçirici dərəcəli vaflilər fotovoltaik dərəcəli vaflilərə nisbətən daha yüksək səth hamarlığı və təmizlik tələb edir. Yarımkeçirici vaflilər üçün daha yüksək standartlar həm onların hazırlanmasının mürəkkəbliyini, həm də tətbiqlərdə sonrakı dəyərini artırır.

Aşağıdakı diaqramda ilkin 4 düym (100 mm) və 6 düym (150 mm) vaflilərdən indiki 8 düym (200 mm) və 12 düym (300 mm) vaflilərə qədər artmış yarımkeçirici vafli spesifikasiyalarının təkamülü təsvir edilmişdir.

Faktiki silikon monokristal hazırlanmasında vafli ölçüsü tətbiq növünə və xərc faktorlarına görə dəyişir. Məsələn, yaddaş çipləri adətən 12 düymlük vaflilərdən istifadə edir, güc qurğuları isə tez-tez 8 düymlük vaflilərdən istifadə edir.

Xülasə, vafli ölçüsünün təkamülü həm Mur qanununun, həm də iqtisadi amillərin nəticəsidir. Daha böyük vafli ölçüsü eyni emal şəraitində daha çox istifadə edilə bilən silikon sahəsinin böyüməsinə imkan verir, istehsal xərclərini azaldır, eyni zamanda vafli kənarlarından tullantıları minimuma endirir.

Müasir texnoloji inkişafda həlledici material kimi, fotolitoqrafiya və ion implantasiyası kimi dəqiq proseslər vasitəsilə yarımkeçirici silikon vaflilər yüksək güclü rektifikatorlar, tranzistorlar, bipolyar keçid tranzistorları və keçid cihazları daxil olmaqla müxtəlif elektron cihazların istehsalına imkan verir. Bu qurğular süni intellekt, 5G rabitəsi, avtomobil elektronikası, əşyaların interneti və aerokosmik kimi sahələrdə əsas rol oynayır və milli iqtisadi inkişafın və texnoloji innovasiyaların təməl daşını təşkil edir.

3. Monokristal Silikon Artırma Texnologiyası

TheCzochralski (CZ) metoduyüksək keyfiyyətli monokristal materialı ərimədən çıxarmaq üçün səmərəli prosesdir. 1917-ci ildə Jan Czochralski tərəfindən təklif edilən bu üsul həm də adlanırKristal çəkməüsul.

Hazırda müxtəlif yarımkeçirici materialların hazırlanmasında CZ üsulundan geniş istifadə olunur. Natamam statistik məlumatlara görə, elektron komponentlərin təxminən 98% -i monokristal silisiumdan hazırlanır, bu komponentlərin 85% -i CZ üsulu ilə istehsal olunur.

CZ metodu əla kristal keyfiyyəti, idarə oluna bilən ölçüsü, sürətli böyümə sürəti və yüksək istehsal səmərəliliyinə görə üstünlük təşkil edir. Bu xüsusiyyətlər CZ monokristal silikonunu elektronika sənayesində yüksək keyfiyyətli, geniş miqyaslı tələbatı ödəmək üçün üstünlük təşkil edən material halına gətirir.

CZ monokristal silisiumunun böyümə prinsipi aşağıdakı kimidir:

CZ prosesi yüksək temperatur, vakuum və qapalı mühit tələb edir. Bu proses üçün əsas avadanlıqdırkristal böyümə sobası, bu şərtləri asanlaşdırır.

Aşağıdakı diaqram kristal böyümə sobasının quruluşunu göstərir.

CZ prosesində təmiz silisium potada yerləşdirilir, əridilir və ərinmiş silisiumun içinə toxum kristalı daxil edilir. Temperatur, çəkmə sürəti və pota fırlanma sürəti kimi parametrlərə dəqiq nəzarət etməklə, toxum kristalının və ərimiş silisiumun interfeysindəki atomlar və ya molekullar davamlı olaraq yenidən təşkil olunur, sistem soyuduqca bərkiyir və nəticədə tək kristal əmələ gəlir.

Bu kristal böyütmə texnikası xüsusi kristal istiqamətləri ilə yüksək keyfiyyətli, böyük diametrli monokristal silisium istehsal edir.

Böyümə prosesi bir neçə əsas addımı əhatə edir, o cümlədən:

1. Sökülmə və Yükləmə: Kristalın çıxarılması və sobanın və komponentlərin kvars, qrafit və ya digər çirklər kimi çirkləndiricilərdən hərtərəfli təmizlənməsi.

2. Vakuum və ərimə: Sistem vakuuma evakuasiya edilir, ardınca arqon qazının daxil edilməsi və silikon yükünün qızdırılması.

3. Kristal çəkmə: Toxum kristalı ərimiş silisiumun içinə endirilir və düzgün kristallaşmanı təmin etmək üçün interfeys temperaturu diqqətlə idarə olunur.

4. Çiyinlərə və Diametrə Nəzarət: Kristal böyüdükcə, vahid böyüməni təmin etmək üçün onun diametri diqqətlə izlənilir və tənzimlənir.

5. Artımın sonu və sobanın dayandırılması: İstədiyiniz kristal ölçüsünə çatdıqdan sonra soba bağlanır və kristal çıxarılır.

Bu prosesdə ətraflı addımlar yarımkeçiricilərin istehsalı üçün uyğun olan yüksək keyfiyyətli, qüsursuz monokristalların yaradılmasını təmin edir.

4. Monokristal Silikon İstehsalında Çətinliklər

Böyük diametrli yarımkeçirici monokristalların istehsalında əsas problemlərdən biri böyümə prosesi zamanı texniki darboğazları aradan qaldırmaq, xüsusən də kristal qüsurlarını proqnozlaşdırmaq və nəzarət etməkdir:

1. Uyğun olmayan Monokristal Keyfiyyət və Aşağı Məhsuldarlıq: Silikon monokristallarının ölçüsü artdıqca böyümə mühitinin mürəkkəbliyi artır, bu da istilik, axın və maqnit sahələri kimi amilləri idarə etməyi çətinləşdirir. Bu, ardıcıl keyfiyyət və yüksək məhsul əldə etmək vəzifəsini çətinləşdirir.

2. Qeyri-sabit Nəzarət Prosesi: Yarımkeçirici silisium monokristallarının böyümə prosesi çox mürəkkəbdir, bir çox fiziki sahələr qarşılıqlı təsir göstərir, nəzarət dəqiqliyini qeyri-sabit edir və məhsulun aşağı məhsuldarlığına gətirib çıxarır. Mövcud nəzarət strategiyaları əsasən kristalın makroskopik ölçülərinə diqqət yetirir, keyfiyyət isə hələ də əl ilə təcrübə əsasında tənzimlənir və bu, IC çiplərində mikro və nano istehsalı üçün tələblərə cavab verməyi çətinləşdirir.

Bu problemləri həll etmək üçün inteqral sxemlərdə istifadə üçün böyük monokristalların sabit, yüksək keyfiyyətli istehsalını təmin etmək üçün idarəetmə sistemlərində təkmilləşdirmələrlə yanaşı, kristal keyfiyyətinin real vaxt rejimində, onlayn monitorinq və proqnozlaşdırma üsullarının işlənib hazırlanmasına təcili ehtiyac duyulur.