Trosolwg Cynhwysfawr o Ddulliau Twf Silicon Monocrystalline

Trosolwg Cynhwysfawr o Ddulliau Twf Silicon Monocrystalline

1. Cefndir Datblygiad Silicon Monocrystalline

Mae datblygiad technoleg a'r galw cynyddol am gynhyrchion clyfar effeithlonrwydd uchel wedi cadarnhau ymhellach safle craidd y diwydiant cylched integredig (IC) mewn datblygiad cenedlaethol. Fel conglfaen y diwydiant IC, mae silicon monogrisialog lled-ddargludyddion yn chwarae rhan hanfodol wrth yrru arloesedd technolegol a thwf economaidd.

Yn ôl data gan Gymdeithas Ryngwladol y Diwydiant Lled-ddargludyddion, cyrhaeddodd marchnad wafers lled-ddargludyddion byd-eang ffigur gwerthiant o $12.6 biliwn, gyda llwythi'n tyfu i 14.2 biliwn modfedd sgwâr. Ar ben hynny, mae'r galw am wafers silicon yn parhau i gynyddu'n gyson.

Fodd bynnag, mae diwydiant wafer silicon byd-eang wedi'i grynhoi'n fawr, gyda'r pum cyflenwr gorau yn dominyddu dros 85% o gyfran y farchnad, fel y dangosir isod:

• Shin-Etsu Chemical (Japan)

• SUMCO (Japan)

• Wafers Byd-eang

• Siltronic (Yr Almaen)

• SK Siltron (De Corea)

Mae'r oligopoly hwn yn arwain at ddibyniaeth fawr Tsieina ar wafers silicon monogrisialog a fewnforir, sydd wedi dod yn un o'r tagfeydd allweddol sy'n cyfyngu ar ddatblygiad diwydiant cylched integredig y wlad.

Er mwyn goresgyn yr heriau presennol yn y sector gweithgynhyrchu monogrisial silicon lled-ddargludyddion, mae buddsoddi mewn ymchwil a datblygu a chryfhau galluoedd cynhyrchu domestig yn ddewis anochel.

2. Trosolwg o Ddeunydd Silicon Monocrystalline

Silicon monocrystalline yw sylfaen y diwydiant cylched integredig. Hyd yn hyn, mae dros 90% o sglodion IC a dyfeisiau electronig wedi'u gwneud gan ddefnyddio silicon monocrystalline fel y prif ddeunydd. Gellir priodoli'r galw eang am silicon monocrystalline a'i gymwysiadau diwydiannol amrywiol i sawl ffactor:

1. Diogelwch a Chyfeillgar i'r AmgylcheddMae silicon yn doreithiog yng nghramen y Ddaear, nid yw'n wenwynig, ac yn gyfeillgar i'r amgylchedd.

2. Inswleiddio TrydanolMae silicon yn arddangos priodweddau inswleiddio trydanol yn naturiol, ac ar ôl triniaeth wres, mae'n ffurfio haen amddiffynnol o silicon deuocsid, sy'n atal colli gwefr drydanol yn effeithiol.

3. Technoleg Twf AeddfedMae hanes hir datblygiad technolegol mewn prosesau twf silicon wedi ei wneud yn llawer mwy soffistigedig na deunyddiau lled-ddargludyddion eraill.

Gyda'i gilydd, mae'r ffactorau hyn yn cadw silicon monogrisialog ar flaen y gad yn y diwydiant, gan ei wneud yn anhepgor gan ddeunyddiau eraill.

O ran strwythur crisial, mae silicon monocrystalline yn ddeunydd wedi'i wneud o atomau silicon wedi'u trefnu mewn dellt gyfnodol, gan ffurfio strwythur parhaus. Dyma sail y diwydiant gweithgynhyrchu sglodion.

Mae'r diagram canlynol yn dangos y broses gyflawn o baratoi silicon monocrystalline:

Trosolwg o'r Broses:
Mae silicon monogrisialog yn deillio o fwyn silicon trwy gyfres o gamau mireinio. Yn gyntaf, ceir silicon polygrisialog, sydd wedyn yn cael ei dyfu'n ingot silicon monogrisialog mewn ffwrnais twf crisial. Wedi hynny, caiff ei dorri, ei sgleinio, a'i brosesu'n wafferi silicon sy'n addas ar gyfer gweithgynhyrchu sglodion.

Fel arfer, mae waferi silicon yn cael eu rhannu'n ddau gategori:gradd ffotofoltäigagradd lled-ddargludyddionMae'r ddau fath hyn yn wahanol yn bennaf o ran eu strwythur, eu purdeb ac ansawdd eu harwyneb.

• Wafers gradd lled-ddargludyddionsydd â burdeb eithriadol o uchel o hyd at 99.999999999%, ac mae'n ofynnol iddynt fod yn fonocrisialog.

• Waferi gradd ffotofoltäigyn llai pur, gyda lefelau purdeb yn amrywio o 99.99% i 99.9999%, ac nid oes ganddynt ofynion mor llym ar gyfer ansawdd crisial.

Yn ogystal, mae angen llyfnder a glendid arwyneb uwch ar wafers gradd lled-ddargludyddion na wafers gradd ffotofoltäig. Mae'r safonau uwch ar gyfer wafers lled-ddargludyddion yn cynyddu cymhlethdod eu paratoi a'u gwerth dilynol mewn cymwysiadau.

Mae'r siart ganlynol yn amlinellu esblygiad manylebau wafer lled-ddargludyddion, sydd wedi cynyddu o wafers 4 modfedd (100mm) a 6 modfedd (150mm) cynnar i wafers 8 modfedd (200mm) a 12 modfedd (300mm) cyfredol.

Wrth baratoi monogrisial silicon mewn gwirionedd, mae maint y wafer yn amrywio yn seiliedig ar y math o gymhwysiad a ffactorau cost. Er enghraifft, mae sglodion cof yn aml yn defnyddio waferi 12 modfedd, tra bod dyfeisiau pŵer yn aml yn defnyddio waferi 8 modfedd.

I grynhoi, mae esblygiad maint wafer yn ganlyniad i Gyfraith Moore a ffactorau economaidd. Mae maint wafer mwy yn galluogi twf arwynebedd silicon mwy defnyddiadwy o dan yr un amodau prosesu, gan leihau costau cynhyrchu wrth leihau gwastraff o ymylon wafer.

Fel deunydd hanfodol mewn datblygiad technolegol modern, mae waferi silicon lled-ddargludyddion, trwy brosesau manwl gywir fel ffotolithograffeg ac mewnblannu ïonau, yn galluogi cynhyrchu amrywiol ddyfeisiau electronig, gan gynnwys cywiryddion pŵer uchel, transistorau, transistorau cyffordd deubegwn, a dyfeisiau newid. Mae'r dyfeisiau hyn yn chwarae rhan allweddol mewn meysydd fel deallusrwydd artiffisial, cyfathrebu 5G, electroneg modurol, Rhyngrwyd Pethau, ac awyrofod, gan ffurfio conglfaen datblygiad economaidd cenedlaethol ac arloesedd technolegol.

3. Technoleg Twf Silicon Monocrystalline

YDull Czochralski (CZ)yn broses effeithlon ar gyfer tynnu deunydd monogrisialog o ansawdd uchel o'r toddiant. Wedi'i gynnig gan Jan Czochralski ym 1917, mae'r dull hwn hefyd yn cael ei adnabod fel yTynnu Grisialdull.

Ar hyn o bryd, defnyddir y dull CZ yn helaeth wrth baratoi amrywiol ddeunyddiau lled-ddargludyddion. Yn ôl ystadegau anghyflawn, mae tua 98% o gydrannau electronig wedi'u gwneud o silicon monocrystalline, gyda 85% o'r cydrannau hyn yn cael eu cynhyrchu gan ddefnyddio'r dull CZ.

Mae'r dull CZ yn cael ei ffafrio oherwydd ei ansawdd crisial rhagorol, ei faint rheoladwy, ei gyfradd twf cyflym, a'i effeithlonrwydd cynhyrchu uchel. Mae'r nodweddion hyn yn gwneud silicon monogrisialog CZ yn ddeunydd dewisol ar gyfer bodloni'r galw am ansawdd uchel, ar raddfa fawr yn y diwydiant electroneg.

Dyma egwyddor twf silicon monocrystalline CZ:

Mae'r broses CZ angen tymereddau uchel, gwactod, ac amgylchedd caeedig. Yr offer allweddol ar gyfer y broses hon yw'rffwrnais twf crisial, sy'n hwyluso'r amodau hyn.

Mae'r diagram canlynol yn dangos strwythur ffwrnais twf crisial.

Yn y broses CZ, rhoddir silicon pur mewn croeslen, caiff ei doddi, a chyflwynir crisial hadau i'r silicon tawdd. Trwy reoli paramedrau fel tymheredd, cyfradd tynnu, a chyflymder cylchdroi'r croeslen yn fanwl gywir, mae atomau neu foleciwlau ar ryngwyneb y grisial hadau a'r silicon tawdd yn aildrefnu'n barhaus, gan galedu wrth i'r system oeri ac yn y pen draw ffurfio crisial sengl.

Mae'r dechneg tyfu crisial hon yn cynhyrchu silicon monogrisialog o ansawdd uchel, diamedr mawr gyda chyfeiriadau crisial penodol.

Mae'r broses dyfu yn cynnwys sawl cam allweddol, gan gynnwys:

1. Dadosod a LlwythoTynnu'r grisial a glanhau'r ffwrnais a'r cydrannau'n drylwyr o halogion fel cwarts, graffit, neu amhureddau eraill.

2. Gwactod a ThoddiCaiff y system ei gwagio i wactod, ac yna cyflwyno nwy argon a chynhesu'r gwefr silicon.

3. Tynnu GrisialCaiff y grisial hadau ei ostwng i'r silicon tawdd, a chaiff tymheredd y rhyngwyneb ei reoli'n ofalus i sicrhau crisialu priodol.

4. Rheoli Ysgwyddau a DiamedrWrth i'r grisial dyfu, caiff ei ddiamedr ei fonitro a'i addasu'n ofalus i sicrhau twf unffurf.

5. Diwedd y Twf a Chau'r FfwrnaisUnwaith y cyflawnir y maint crisial a ddymunir, caiff y ffwrnais ei diffodd, a chaiff y grisial ei dynnu allan.

Mae'r camau manwl yn y broses hon yn sicrhau creu monogrisialau o ansawdd uchel, heb ddiffygion, sy'n addas ar gyfer gweithgynhyrchu lled-ddargludyddion.

4. Heriau mewn Cynhyrchu Silicon Monocrystalline

Un o'r prif heriau wrth gynhyrchu monogrisialau lled-ddargludyddion diamedr mawr yw goresgyn y tagfeydd technegol yn ystod y broses dyfu, yn enwedig wrth ragweld a rheoli diffygion crisial:

1. Ansawdd Monocrisial Anghyson a Chynnyrch IselWrth i faint y monogrisialau silicon gynyddu, mae cymhlethdod yr amgylchedd tyfu yn cynyddu, gan ei gwneud hi'n anodd rheoli ffactorau fel y meysydd thermol, llif a magnetig. Mae hyn yn cymhlethu'r dasg o gyflawni ansawdd cyson a chynnyrch uwch.

2. Proses Rheoli AnsefydlogMae proses dyfu monogrisialau silicon lled-ddargludyddion yn gymhleth iawn, gyda nifer o feysydd ffisegol yn rhyngweithio, gan wneud cywirdeb rheoli yn ansefydlog ac yn arwain at gynnyrch cynnyrch isel. Mae strategaethau rheoli cyfredol yn canolbwyntio'n bennaf ar ddimensiynau macrosgopig y grisial, tra bod ansawdd yn dal i gael ei addasu yn seiliedig ar brofiad â llaw, gan ei gwneud hi'n anodd bodloni'r gofynion ar gyfer micro- a nano-weithgynhyrchu mewn sglodion IC.

Er mwyn mynd i'r afael â'r heriau hyn, mae angen datblygu dulliau monitro a rhagfynegi amser real, ar-lein ar gyfer ansawdd crisial ar frys, ynghyd â gwelliannau mewn systemau rheoli i sicrhau cynhyrchu monogrisialau mawr o ansawdd uchel a sefydlog i'w defnyddio mewn cylchedau integredig.