Silizio monokristalinoaren hazkuntza-metodoen ikuspegi orokorra

Silizio monokristalinoaren hazkuntza-metodoen ikuspegi orokorra

1. Silizio monokristalinoaren garapenaren aurrekariak

Teknologiaren aurrerapenak eta eraginkortasun handiko produktu adimendunen eskaria gero eta handiagoa izateak zirkuitu integratuen (IC) industriaren posizio nagusia sendotu dute garapen nazionalean. IC industriaren oinarrizko elementu gisa, erdieroaleen silizio monokristalinoak funtsezko zeregina du berrikuntza teknologikoa eta hazkunde ekonomikoa bultzatzeko.

Nazioarteko Erdieroaleen Industria Elkartearen datuen arabera, erdieroaleen obleen merkatu globalak 12.600 milioi dolarreko salmenta-zifra lortu zuen, eta bidalketak 14.200 milioi hazbete karratuetara iritsi ziren. Gainera, siliziozko obleen eskaria etengabe hazten ari da.

Hala ere, siliziozko obleen industria globala oso kontzentratuta dago, bost hornitzaile nagusiek merkatu-kuotaren % 85 baino gehiago menderatzen baitute, behean erakusten den bezala:

• Shin-Etsu Chemical (Japonia)

• SUMCO (Japonia)

• Mundu mailako obleak

• Siltronic (Alemania)

• SK Siltron (Hego Korea)

Oligopolio honek Txinak inportatutako silizio monokristalinozko obleen menpekotasun handia dakar, eta hori herrialdeko zirkuitu integratuen industriaren garapena mugatzen duen oztopo nagusietako bat bihurtu da.

Erdieroale silizio monokristalen fabrikazio sektoreko egungo erronkak gainditzeko, ikerketan eta garapenean inbertitzea eta barne ekoizpen gaitasunak indartzea aukera saihestezina da.

2. Silizio monokristalinozko materialaren ikuspegi orokorra

Silizio monokristalinoa zirkuitu integratuen industriaren oinarria da. Gaur egun, IC txipen eta gailu elektronikoen % 90 baino gehiago silizio monokristalinoa material nagusi gisa erabiliz egiten dira. Silizio monokristalinoaren eskaria zabala eta haren industria-aplikazio anitzak hainbat faktoreren ondorioz izan daitezke:

1. Segurtasuna eta ingurumena errespetatzen duenaSilizioa ugaria da Lurraren lurrazalean, ez da toxikoa eta ingurumena errespetatzen du.

2. Isolamendu elektrikoaSilizioak modu naturalean erakusten ditu isolamendu elektrikoaren propietateak, eta bero-tratamenduan, silizio dioxidozko babes-geruza bat sortzen du, karga elektrikoaren galera eraginkortasunez eragozten duena.

3. Hazkunde Helduaren TeknologiaSilizioaren hazkuntza-prozesuetan izandako garapen teknologikoaren historia luzeari esker, beste erdieroale-material batzuk baino askoz sofistikatuagoak dira.

Faktore hauek guztiek silizio monokristalinoa industriaren abangoardian mantentzen dute, beste materialek ordezkaezina bihurtuz.

Kristal-egiturari dagokionez, silizio monokristalinoa sare periodiko batean antolatutako silizio atomoz osatutako materiala da, egitura jarraitu bat osatuz. Txip fabrikazio industriaren oinarria da.

Hurrengo diagramak silizio monokristalinoaren prestaketa prozesu osoa erakusten du:

Prozesuaren ikuspegi orokorra:
Silizio monokristalinoa silizio-meatik eratorria da, fintze-urrats batzuen bidez. Lehenik, silizio polikristalinoa lortzen da, eta ondoren, kristal-hazkuntzako labe batean silizio monokristalinozko lingote bihurtzen da. Ondoren, moztu, leundu eta txipak fabrikatzeko egokiak diren siliziozko obleetan prozesatzen da.

Siliziozko obleak normalean bi kategoriatan banatzen dira:fotovoltaiko mailakoetaerdieroale mailakoBi mota hauek batez ere egituran, purutasunean eta gainazalaren kalitatean bereizten dira.

• Erdieroale mailako obleak% 99,999999999 arteko purutasun handia dute, eta guztiz monokristalinoak izan behar dute.

• Fotovoltaiko mailako obleakez dira hain puruak, % 99,99tik % 99,9999ra bitarteko purutasun-mailekin, eta ez dituzte kristalen kalitateari buruzko eskakizun zorrotzak.

Gainera, erdieroale mailako obleak fotovoltaiko mailako obleak baino gainazal leuntasun eta garbitasun handiagoa behar dute. Erdieroale mailako obleak dituzten estandar altuagoek haien prestaketaren konplexutasuna eta aplikazioetan duten balioa areagotzen dituzte.

Hurrengo grafikoak erdieroaleen obleen zehaztapenen bilakaera azaltzen du, hasierako 4 hazbeteko (100 mm) eta 6 hazbeteko (150 mm) obleetatik egungo 8 hazbeteko (200 mm) eta 12 hazbeteko (300 mm) obleetara igo baitira.

Benetako silizio monokristalen prestaketan, oblearen tamaina aplikazio motaren eta kostu faktoreen arabera aldatzen da. Adibidez, memoria txipek normalean 12 hazbeteko obleak erabiltzen dituzte, eta potentzia gailuek, berriz, 8 hazbeteko obleak.

Laburbilduz, oblearen tamainaren bilakaera Moore-ren Legearen eta faktore ekonomikoen ondorioa da. Oblearen tamaina handiago batek silizio-eremu erabilgarri gehiago haztea ahalbidetzen du prozesatzeko baldintza berdinetan, ekoizpen-kostuak murriztuz eta oblearen ertzetako hondakinak minimizatuz.

Garapen teknologiko modernoan funtsezko material gisa, siliziozko oblea erdieroaleek, fotolitografia eta ioi inplantazioa bezalako prozesu zehatzen bidez, hainbat gailu elektroniko ekoiztea ahalbidetzen dute, besteak beste, potentzia handiko zuzentzaileak, transistoreak, juntura bipolarreko transistoreak eta kommutazio gailuak. Gailu hauek funtsezko zeregina dute adimen artifiziala, 5G komunikazioak, automobilgintzako elektronika, Gauzen Internet eta aeroespaziala bezalako arloetan, garapen ekonomiko nazionalaren eta berrikuntza teknologikoaren oinarrizko zutabea osatuz.

3. Silizio monokristalinoaren hazkuntza-teknologia

TheCzochralski (CZ) metodoaprozesu eraginkorra da kalitate handiko material monokristalinoa urtutako materialetik ateratzeko. Jan Czochralski-k 1917an proposatu zuen metodo hau, eta honela ere ezagutzen da:Kristalezko tiraketametodoa.

Gaur egun, CZ metodoa asko erabiltzen da hainbat material erdieroale prestatzeko. Estatistika osatugabeen arabera, osagai elektronikoen % 98 inguru silizio monokristalinoz eginda daude, eta osagai horien % 85 CZ metodoa erabiliz ekoizten dira.

CZ metodoa gogokoena da bere kristal-kalitate bikainagatik, tamaina kontrolagarriagatik, hazkunde-tasa azkarragatik eta ekoizpen-eraginkortasun handiagatik. Ezaugarri hauek CZ silizio monokristalinoa elektronika-industrian kalitate handiko eta eskala handiko eskaera asetzeko material hobetsia bihurtzen dute.

CZ silizio monokristalinoaren hazkuntza-printzipioa honako hau da:

CZ prozesuak tenperatura altuak, hutsunea eta ingurune itxia behar ditu. Prozesu honetarako ekipamendu nagusia dakristalen hazkuntza-labea, eta horrek baldintza hauek errazten ditu.

Hurrengo diagramak kristal-hazkundeko labe baten egitura erakusten du.

CZ prozesuan, silizio purua gurutz batean jartzen da, urtzen da eta hazi-kristal bat sartzen da silizio urtuan. Tenperatura, tiratze-abiadura eta gurutz-biraketa-abiadura bezalako parametroak zehatz-mehatz kontrolatuz, hazi-kristalaren eta silizio urtuaren interfazean dauden atomo edo molekulak etengabe berrantolatzen dira, sistema hozten den heinean solidotuz eta azkenean kristal bakar bat osatuz.

Kristalen hazkuntza-teknika honek kalitate handiko diametro handiko silizio monokristalinoa ekoizten du, kristal-orientazio espezifikoekin.

Hazkunde prozesuak hainbat urrats nagusi ditu, besteak beste:

1. Desmuntaketa eta kargatzeaKristala kentzea eta labea eta osagaiak ondo garbitzea kutsatzaileetatik, hala nola kutsatzaileak, hala nola kutsatzaileak, grafitoa edo bestelako ezpurutasunak.

2. Hutsean eta urtzeanSistema hutsera hustutzen da, ondoren argon gasa sartzen da eta silizio karga berotzen da.

3. Kristalezko tiraketaHazi-kristala silizio urtuan sartzen da, eta gainazaleko tenperatura arretaz kontrolatzen da kristalizazio egokia bermatzeko.

4. Sorbalden eta diametroaren kontrolaKristala hazten den heinean, bere diametroa arretaz kontrolatzen eta doitzen da hazkunde uniformea ​​bermatzeko.

5. Hazkundearen amaiera eta labearen itzaltzeaBehin kristalaren tamaina lortuta, labea itzali eta kristala kentzen da.

Prozesu honetako urrats zehatzek erdieroaleen fabrikaziorako egokiak diren kalitate handiko monokristal akatsik gabekoak sortzea bermatzen dute.

4. Silizio monokristalinoaren ekoizpenaren erronkak

Diametro handiko erdieroale monokristalak ekoizteko erronka nagusietako bat hazkuntza-prozesuan dauden oztopo teknikoak gainditzea da, batez ere kristalen akatsak aurreikusteko eta kontrolatzeko orduan:

1. Monokristalaren kalitate ez-koherentea eta etekin txikiaSiliziozko monokristalen tamaina handitzen den heinean, hazkuntza-ingurunearen konplexutasuna handitzen da, eta horrek zaildu egiten du eremu termikoak, fluxu-eremuak eta eremu magnetikoak bezalako faktoreak kontrolatzea. Horrek zaildu egiten du kalitate koherentea eta errendimendu handiagoak lortzeko lana.

2. Kontrol-prozesu ezegonkorraSiliziozko monokristal erdieroaleen hazkuntza-prozesua oso konplexua da, hainbat eremu fisiko elkarreraginean daude, eta horrek kontrol-zehaztasuna ezegonkor bihurtzen du eta produktu-errendimendu baxuak eragiten ditu. Gaur egungo kontrol-estrategiek kristalaren dimentsio makroskopikoetan jartzen dute arreta batez ere, kalitatea eskuzko esperientziaren arabera doitzen den bitartean, eta horrek zaildu egiten du mikro eta nanofabrikaziorako eskakizunak betetzea IC txipetan.

Erronka hauei aurre egiteko, premiazkoa da kristalen kalitatea denbora errealean eta online monitorizatzeko eta iragartzeko metodoak garatzea, baita kontrol-sistemetan hobekuntzak egitea ere, zirkuitu integratuetan erabiltzeko monokristal handien ekoizpen egonkorra eta kalitatezkoa bermatzeko.