Monokristalin Silisyum Büyüme Yöntemlerine Kapsamlı Bir Bakış

Monokristalin Silisyum Büyüme Yöntemlerine Kapsamlı Bir Bakış

1. Monokristalin Silisyum Gelişiminin Arka Planı

Teknolojinin ilerlemesi ve yüksek verimli akıllı ürünlere olan talebin artması, entegre devre (IC) sektörünün ulusal kalkınmadaki temel konumunu daha da sağlamlaştırmıştır. IC sektörünün temel taşı olan yarı iletken monokristalin silikon, teknolojik inovasyonu ve ekonomik büyümeyi yönlendirmede hayati bir rol oynamaktadır.

Uluslararası Yarı İletken Endüstrisi Birliği verilerine göre, küresel yarı iletken yonga plakası pazarı 12,6 milyar dolarlık bir satış rakamına ulaşırken, sevkiyatlar 14,2 milyar inç kareye ulaştı. Ayrıca, silikon yonga plakası talebi istikrarlı bir şekilde artmaya devam ediyor.

Ancak küresel silikon gofret endüstrisi oldukça yoğunlaşmış durumda ve aşağıda gösterildiği gibi, ilk beş tedarikçi pazar payının %85'inden fazlasına hakim durumda:

• Shin-Etsu Chemical (Japonya)

• SUMCO (Japonya)

• Küresel Wafer'lar

• Siltronic (Almanya)

• SK Siltron (Güney Kore)

Bu oligopol, Çin'in ithal monokristalin silikon gofretlere aşırı bağımlılığına yol açıyor ve bu durum ülkenin entegre devre endüstrisinin gelişimini sınırlayan temel darboğazlardan biri haline geldi.

Yarı iletken silisyum monokristal üretim sektöründeki mevcut zorlukların üstesinden gelmek için araştırma ve geliştirmeye yatırım yapmak ve yerli üretim kabiliyetlerini güçlendirmek kaçınılmaz bir tercihtir.

2. Monokristalin Silisyum Malzemesine Genel Bakış

Monokristalin silikon, entegre devre endüstrisinin temelini oluşturur. Bugüne kadar, entegre devre yongalarının ve elektronik cihazların %90'ından fazlası ana malzeme olarak monokristalin silikon kullanılarak üretilmektedir. Monokristalin silikona olan yaygın talep ve çeşitli endüstriyel uygulamaları birkaç faktöre bağlanabilir:

1. Güvenlik ve Çevre Dostu:Silisyum, Dünya kabuğunda bol miktarda bulunan, toksik olmayan ve çevre dostu bir maddedir.

2. Elektrik Yalıtımı: Silisyum doğal olarak elektriksel yalıtım özelliği gösterir ve ısıl işlem uygulandığında, elektrik yükünün kaybını etkili bir şekilde önleyen koruyucu bir silisyum dioksit tabakası oluşturur.

3. Olgun Büyüme Teknolojisi:Silikon büyüme süreçlerindeki uzun teknolojik gelişme geçmişi, onu diğer yarı iletken malzemelerden çok daha karmaşık hale getirmiştir.

Bu faktörler bir araya geldiğinde monokristalin silisyum, endüstrinin ön saflarında yer alıyor ve onu diğer malzemelerle değiştirilemez kılıyor.

Kristal yapısı açısından monokristalin silisyum, silisyum atomlarının periyodik bir kafes şeklinde düzenlenerek sürekli bir yapı oluşturmasıyla oluşan bir malzemedir ve çip üretim endüstrisinin temelini oluşturur.

Aşağıdaki diyagram monokristalin silisyum hazırlama sürecinin tamamını göstermektedir:

Süreç Genel Bakışı:
Monokristalin silisyum, silisyum cevherinden bir dizi rafinasyon adımıyla elde edilir. İlk olarak polikristalin silisyum elde edilir ve ardından bir kristal büyütme fırınında monokristalin silisyum külçesine dönüştürülür. Daha sonra kesilir, cilalanır ve çip üretimine uygun silikon gofretlere dönüştürülür.

Silikon gofretler genellikle iki kategoriye ayrılır:fotovoltaik sınıfVeyarı iletken sınıfıBu iki tip esas olarak yapı, saflık ve yüzey kalitesi bakımından farklılık gösterir.

• Yarı iletken sınıfı gofretler%99,99999999'a kadar olağanüstü yüksek bir saflığa sahip olmaları ve kesinlikle monokristal olmaları gerekmektedir.

• Fotovoltaik sınıfı gofretlerdaha az saftırlar, saflık seviyeleri %99,99 ile %99,9999 arasında değişir ve kristal kalitesi için bu kadar katı gerekliliklere sahip değildirler.

Ayrıca, yarı iletken sınıfı gofretler, fotovoltaik sınıfı gofretlere kıyasla daha yüksek yüzey pürüzsüzlüğü ve temizlik gerektirir. Yarı iletken gofretlere yönelik daha yüksek standartlar, hem hazırlanmalarının karmaşıklığını hem de uygulamalardaki değerlerini artırır.

Aşağıdaki tablo, ilk 4 inç (100 mm) ve 6 inç (150 mm) gofretlerden günümüzdeki 8 inç (200 mm) ve 12 inç (300 mm) gofretlere kadar artan yarı iletken gofret özelliklerinin evrimini özetlemektedir.

Gerçek silikon monokristal üretiminde, yonga boyutu uygulama türüne ve maliyet faktörlerine göre değişir. Örneğin, bellek yongaları genellikle 12 inç yongalar kullanırken, güç aygıtları genellikle 8 inç yongalar kullanır.

Özetle, gofret boyutunun evrimi hem Moore Yasası'nın hem de ekonomik faktörlerin bir sonucudur. Daha büyük bir gofret boyutu, aynı işleme koşulları altında daha fazla kullanılabilir silikon alanının büyümesini sağlayarak üretim maliyetlerini düşürürken, gofret kenarlarından kaynaklanan atıkları da en aza indirir.

Modern teknolojik gelişimde önemli bir malzeme olan yarı iletken silikon gofretler, fotolitografi ve iyon aşılama gibi hassas işlemlerle yüksek güçlü doğrultucular, transistörler, bipolar bağlantı transistörleri ve anahtarlama cihazları da dahil olmak üzere çeşitli elektronik cihazların üretimini mümkün kılmaktadır. Bu cihazlar, yapay zeka, 5G iletişimi, otomotiv elektroniği, Nesnelerin İnterneti ve havacılık gibi alanlarda önemli bir rol oynayarak ulusal ekonomik kalkınmanın ve teknolojik inovasyonun temel taşını oluşturmaktadır.

3. Monokristalin Silisyum Büyüme Teknolojisi

TheCzochralski (CZ) YöntemiEriyikten yüksek kaliteli monokristalin malzeme çekmek için etkili bir işlemdir. Jan Czochralski tarafından 1917'de önerilen bu yöntem, aynı zamandaKristal Çekmeyöntem.

Günümüzde CZ yöntemi, çeşitli yarı iletken malzemelerin hazırlanmasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Eksik istatistiklere göre, elektronik bileşenlerin yaklaşık %98'i monokristalin silisyumdan üretilmekte ve bu bileşenlerin %85'i CZ yöntemi kullanılarak üretilmektedir.

CZ yöntemi, mükemmel kristal kalitesi, kontrol edilebilir boyutu, hızlı büyüme hızı ve yüksek üretim verimliliği nedeniyle tercih edilmektedir. Bu özellikler, CZ monokristalin silisyumu elektronik endüstrisindeki yüksek kaliteli ve büyük ölçekli talebi karşılamak için tercih edilen malzeme haline getirmektedir.

CZ monokristalin silisyumun büyüme prensibi şu şekildedir:

CZ işlemi yüksek sıcaklıklar, vakum ve kapalı bir ortam gerektirir. Bu işlem için temel ekipman:kristal büyüme fırınıBu koşulları kolaylaştıran.

Aşağıdaki diyagram bir kristal büyütme fırınının yapısını göstermektedir.

CZ işleminde, saf silisyum bir potaya yerleştirilir, eritilir ve erimiş silisyumun içine bir çekirdek kristal sokulur. Sıcaklık, çekme hızı ve pota dönüş hızı gibi parametreler hassas bir şekilde kontrol edilerek, çekirdek kristal ve erimiş silisyumun ara yüzeyindeki atomlar veya moleküller sürekli olarak yeniden düzenlenir, sistem soğudukça katılaşır ve nihayetinde tek bir kristal oluşturur.

Bu kristal büyüme tekniği, belirli kristal yönelimlerine sahip, yüksek kaliteli, büyük çaplı monokristalin silisyum üretir.

Büyüme süreci aşağıdakiler de dahil olmak üzere birkaç önemli adımı içerir:

1. Sökme ve Yükleme: Kristalin çıkarılması ve fırının ve bileşenlerinin kuvars, grafit veya diğer safsızlıklar gibi kirleticilerden iyice temizlenmesi.

2. Vakum ve Eritme:Sistem vakuma alınır, ardından argon gazı verilir ve silisyum yükü ısıtılır.

3. Kristal Çekme:Tohum kristali erimiş silisyumun içine indirilir ve uygun kristalleşmeyi sağlamak için arayüz sıcaklığı dikkatlice kontrol edilir.

4. Omuzlama ve Çap Kontrolü: Kristal büyüdükçe çapı dikkatlice izlenir ve düzgün büyümeyi sağlamak için ayarlanır.

5. Büyüme Sonu ve Fırın Kapatılması: İstenilen kristal büyüklüğüne ulaşıldığında fırın kapatılır ve kristal çıkarılır.

Bu süreçteki detaylı adımlar, yarı iletken üretimine uygun, yüksek kaliteli, hatasız monokristallerin oluşturulmasını sağlar.

4. Monokristalin Silisyum Üretimindeki Zorluklar

Büyük çaplı yarı iletken monokristallerin üretiminde karşılaşılan temel zorluklardan biri, özellikle kristal kusurlarını tahmin etme ve kontrol etmede, büyüme sürecindeki teknik darboğazların üstesinden gelmektir:

1. Tutarlı Olmayan Monokristal Kalitesi ve Düşük VerimSilisyum monokristallerinin boyutu arttıkça, büyüme ortamının karmaşıklığı da artar ve bu da termal, akış ve manyetik alanlar gibi faktörlerin kontrol edilmesini zorlaştırır. Bu durum, tutarlı kalite ve daha yüksek verim elde etme görevini zorlaştırır.

2. Kararsız Kontrol Süreci: Yarı iletken silikon monokristallerinin büyüme süreci oldukça karmaşıktır ve birden fazla fiziksel alan etkileşime girerek kontrol hassasiyetini dengesiz hale getirir ve düşük ürün verimine yol açar. Mevcut kontrol stratejileri esas olarak kristalin makroskobik boyutlarına odaklanırken, kalite hâlâ manuel deneyime göre ayarlanmaktadır ve bu da entegre devre yongalarında mikro ve nano üretim gereksinimlerini karşılamayı zorlaştırmaktadır.

Bu zorlukların üstesinden gelmek için, entegre devrelerde kullanılmak üzere büyük monokristallerin istikrarlı ve yüksek kaliteli üretimini garanti altına almak için kontrol sistemlerinde iyileştirmelerin yanı sıra, kristal kalitesi için gerçek zamanlı, çevrimiçi izleme ve tahmin yöntemlerinin geliştirilmesine acilen ihtiyaç duyulmaktadır.