Una panoramica completa dei metodi di crescita del silicio monocristallino

Una panoramica completa dei metodi di crescita del silicio monocristallino

1. Contesto dello sviluppo del silicio monocristallino

Il progresso tecnologico e la crescente domanda di prodotti intelligenti ad alta efficienza hanno ulteriormente consolidato il ruolo centrale dell'industria dei circuiti integrati (IC) nello sviluppo nazionale. In quanto pilastro dell'industria dei circuiti integrati, il silicio monocristallino semiconduttore svolge un ruolo fondamentale nel guidare l'innovazione tecnologica e la crescita economica.

Secondo i dati dell'International Semiconductor Industry Association, il mercato globale dei wafer di semiconduttori ha raggiunto un fatturato di 12,6 miliardi di dollari, con spedizioni che hanno raggiunto i 14,2 miliardi di pollici quadrati. Inoltre, la domanda di wafer di silicio continua a crescere costantemente.

Tuttavia, l'industria mondiale dei wafer di silicio è altamente concentrata, con i primi cinque fornitori che dominano oltre l'85% della quota di mercato, come mostrato di seguito:

• Shin-Etsu Chemical (Giappone)

• SUMCO (Giappone)

• Wafer globali

• Siltronic (Germania)

• SK Siltron (Corea del Sud)

Questo oligopolio determina una forte dipendenza della Cina dalle importazioni di wafer di silicio monocristallino, che sono diventati uno dei principali ostacoli allo sviluppo dell'industria dei circuiti integrati del Paese.

Per superare le attuali sfide nel settore della produzione di monocristalli di silicio semiconduttore, investire in ricerca e sviluppo e rafforzare le capacità produttive nazionali è una scelta inevitabile.

2. Panoramica del materiale in silicio monocristallino

Il silicio monocristallino è il fondamento dell'industria dei circuiti integrati. Ad oggi, oltre il 90% dei chip e dei dispositivi elettronici è realizzato utilizzando il silicio monocristallino come materiale primario. L'ampia domanda di silicio monocristallino e le sue molteplici applicazioni industriali possono essere attribuite a diversi fattori:

1. Sicurezza e rispetto dell'ambiente: Il silicio è abbondante nella crosta terrestre, non è tossico ed è ecologico.

2. Isolamento elettrico: Il silicio possiede naturalmente proprietà di isolamento elettrico e, dopo trattamento termico, forma uno strato protettivo di biossido di silicio, che previene efficacemente la perdita di carica elettrica.

3. Tecnologia di crescita matura:La lunga storia di sviluppo tecnologico nei processi di crescita del silicio lo ha reso molto più sofisticato rispetto ad altri materiali semiconduttori.

Questi fattori insieme mantengono il silicio monocristallino all'avanguardia nel settore, rendendolo insostituibile rispetto ad altri materiali.

In termini di struttura cristallina, il silicio monocristallino è un materiale costituito da atomi di silicio disposti in un reticolo periodico, formando una struttura continua. È la base dell'industria manifatturiera dei chip.

Il diagramma seguente illustra il processo completo di preparazione del silicio monocristallino:

Panoramica del processo:
Il silicio monocristallino si ricava dal minerale di silicio attraverso una serie di fasi di raffinazione. Innanzitutto, si ottiene il silicio policristallino, che viene poi coltivato in un forno di crescita cristallina fino a ottenere un lingotto di silicio monocristallino. Successivamente, il silicio viene tagliato, lucidato e trasformato in wafer di silicio adatti alla produzione di chip.

I wafer di silicio sono generalmente suddivisi in due categorie:di grado fotovoltaicoEgrado semiconduttoreQuesti due tipi differiscono principalmente per struttura, purezza e qualità della superficie.

• Wafer di qualità semiconduttricehanno una purezza eccezionalmente elevata, fino al 99,999999999%, e devono essere rigorosamente monocristallini.

• Wafer di qualità fotovoltaicasono meno puri, con livelli di purezza che vanno dal 99,99% al 99,9999% e non hanno requisiti così rigorosi per la qualità dei cristalli.

Inoltre, i wafer di qualità semiconduttrice richiedono una maggiore levigatezza e pulizia superficiale rispetto ai wafer di qualità fotovoltaica. Gli standard più elevati per i wafer di qualità semiconduttrice aumentano sia la complessità della loro preparazione sia il loro valore applicativo.

Il grafico seguente illustra l'evoluzione delle specifiche dei wafer semiconduttori, che sono aumentate dai primi wafer da 4 pollici (100 mm) e 6 pollici (150 mm) agli attuali wafer da 8 pollici (200 mm) e 12 pollici (300 mm).

Nella preparazione effettiva dei monocristalli di silicio, le dimensioni dei wafer variano in base al tipo di applicazione e ai fattori di costo. Ad esempio, i chip di memoria utilizzano comunemente wafer da 12 pollici, mentre i dispositivi di potenza utilizzano spesso wafer da 8 pollici.

In sintesi, l'evoluzione delle dimensioni dei wafer è il risultato sia della Legge di Moore che di fattori economici. Una dimensione maggiore dei wafer consente di aumentare la superficie di silicio utilizzabile a parità di condizioni di lavorazione, riducendo i costi di produzione e minimizzando gli scarti sui bordi dei wafer.

Materiali cruciali nello sviluppo tecnologico moderno, i wafer di silicio semiconduttore, attraverso processi precisi come la fotolitografia e l'impianto ionico, consentono la produzione di vari dispositivi elettronici, tra cui raddrizzatori ad alta potenza, transistor, transistor a giunzione bipolare e dispositivi di commutazione. Questi dispositivi svolgono un ruolo chiave in settori come l'intelligenza artificiale, le comunicazioni 5G, l'elettronica automobilistica, l'Internet delle cose e l'industria aerospaziale, costituendo il fondamento dello sviluppo economico nazionale e dell'innovazione tecnologica.

3. Tecnologia di crescita del silicio monocristallino

ILMetodo Czochralski (CZ)è un processo efficiente per estrarre materiale monocristallino di alta qualità dalla massa fusa. Proposto da Jan Czochralski nel 1917, questo metodo è anche noto comeEstrazione dei cristallimetodo.

Attualmente, il metodo CZ è ampiamente utilizzato nella preparazione di vari materiali semiconduttori. Secondo statistiche incomplete, circa il 98% dei componenti elettronici è realizzato in silicio monocristallino, e l'85% di questi componenti è prodotto utilizzando il metodo CZ.

Il metodo CZ è preferito per l'eccellente qualità cristallina, le dimensioni controllabili, il rapido tasso di crescita e l'elevata efficienza produttiva. Queste caratteristiche rendono il silicio monocristallino CZ il materiale preferito per soddisfare la domanda di alta qualità e su larga scala dell'industria elettronica.

Il principio di crescita del silicio monocristallino CZ è il seguente:

Il processo CZ richiede alte temperature, vuoto e un ambiente chiuso. L'attrezzatura chiave per questo processo èforno per la crescita dei cristalli, che facilita queste condizioni.

Il diagramma seguente illustra la struttura di un forno per la crescita dei cristalli.

Nel processo CZ, il silicio puro viene posto in un crogiolo, fuso e un cristallo di avviamento viene introdotto nel silicio fuso. Controllando con precisione parametri come temperatura, velocità di estrazione e velocità di rotazione del crogiolo, gli atomi o le molecole all'interfaccia tra il cristallo di avviamento e il silicio fuso si riorganizzano continuamente, solidificandosi man mano che il sistema si raffredda e formando infine un monocristallo.

Questa tecnica di crescita dei cristalli produce silicio monocristallino di alta qualità, di grande diametro e con orientamenti cristallini specifici.

Il processo di crescita prevede diversi passaggi chiave, tra cui:

1. Smontaggio e caricamento: Rimozione del cristallo e pulizia accurata del forno e dei componenti da contaminanti quali quarzo, grafite o altre impurità.

2. Vuoto e fusione: Il sistema viene evacuato fino al vuoto, seguito dall'introduzione di gas argon e dal riscaldamento della carica di silicio.

3. Estrazione dei cristalli: Il cristallo di origine viene immerso nel silicio fuso e la temperatura dell'interfaccia viene attentamente controllata per garantire una corretta cristallizzazione.

4. Controllo della spalla e del diametro: Man mano che il cristallo cresce, il suo diametro viene attentamente monitorato e regolato per garantire una crescita uniforme.

5. Fine della crescita e chiusura della fornace: Una volta raggiunta la dimensione desiderata del cristallo, il forno viene spento e il cristallo viene rimosso.

Le fasi dettagliate di questo processo garantiscono la creazione di monocristalli di alta qualità e privi di difetti, adatti alla produzione di semiconduttori.

4. Sfide nella produzione di silicio monocristallino

Una delle principali sfide nella produzione di monocristalli semiconduttori di grande diametro consiste nel superare i colli di bottiglia tecnici durante il processo di crescita, in particolare nella previsione e nel controllo dei difetti dei cristalli:

1. Qualità monocristallina incoerente e bassa resa: Con l'aumentare delle dimensioni dei monocristalli di silicio, aumenta anche la complessità dell'ambiente di crescita, rendendo difficile il controllo di fattori come i campi termici, di flusso e magnetici. Ciò complica il raggiungimento di una qualità costante e di rese più elevate.

2. Processo di controllo instabile: Il processo di crescita dei monocristalli di silicio semiconduttore è estremamente complesso, con molteplici campi fisici che interagiscono, rendendo instabile la precisione del controllo e portando a basse rese del prodotto. Le attuali strategie di controllo si concentrano principalmente sulle dimensioni macroscopiche del cristallo, mentre la qualità è ancora regolata in base all'esperienza manuale, rendendo difficile soddisfare i requisiti per la micro e nanofabbricazione nei chip IC.

Per affrontare queste sfide, è urgente sviluppare metodi di monitoraggio e previsione online e in tempo reale della qualità dei cristalli, insieme a miglioramenti nei sistemi di controllo per garantire una produzione stabile e di alta qualità di grandi monocristalli da utilizzare nei circuiti integrati.