Tổng quan toàn diện về các phương pháp phát triển silicon đơn tinh thể

Tổng quan toàn diện về các phương pháp phát triển silicon đơn tinh thể

1. Bối cảnh phát triển của Silic đơn tinh thể

Sự tiến bộ của công nghệ và nhu cầu ngày càng tăng đối với các sản phẩm thông minh hiệu suất cao đã củng cố thêm vị thế cốt lõi của ngành công nghiệp mạch tích hợp (IC) trong sự phát triển của quốc gia. Là nền tảng của ngành công nghiệp IC, silicon đơn tinh thể bán dẫn đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy đổi mới công nghệ và tăng trưởng kinh tế.

Theo dữ liệu từ Hiệp hội Công nghiệp Bán dẫn Quốc tế, thị trường wafer bán dẫn toàn cầu đã đạt doanh số 12,6 tỷ đô la, với khối lượng giao hàng tăng lên 14,2 tỷ inch vuông. Hơn nữa, nhu cầu về wafer silicon tiếp tục tăng đều đặn.

Tuy nhiên, ngành công nghiệp wafer silicon toàn cầu có mức độ tập trung cao, với năm nhà cung cấp hàng đầu chiếm hơn 85% thị phần, như thể hiện bên dưới:

• Shin-Etsu Chemical (Nhật Bản)

• SUMCO (Nhật Bản)

• Tấm wafer toàn cầu

• Siltronic (Đức)

• SK Siltron (Hàn Quốc)

Tình trạng độc quyền này khiến Trung Quốc phụ thuộc rất nhiều vào các tấm wafer silicon đơn tinh thể nhập khẩu, trở thành một trong những rào cản chính hạn chế sự phát triển của ngành công nghiệp mạch tích hợp của nước này.

Để vượt qua những thách thức hiện tại trong lĩnh vực sản xuất tinh thể bán dẫn silicon, đầu tư vào nghiên cứu và phát triển, tăng cường năng lực sản xuất trong nước là lựa chọn tất yếu.

2. Tổng quan về vật liệu Silic đơn tinh thể

Silic đơn tinh thể là nền tảng của ngành công nghiệp mạch tích hợp. Cho đến nay, hơn 90% chip IC và thiết bị điện tử được sản xuất bằng silic đơn tinh thể làm vật liệu chính. Nhu cầu rộng rãi về silic đơn tinh thể và các ứng dụng công nghiệp đa dạng của nó có thể được quy cho một số yếu tố sau:

1. An toàn và thân thiện với môi trường:Silic có nhiều trong lớp vỏ Trái đất, không độc hại và thân thiện với môi trường.

2. Cách điện:Silic có đặc tính cách điện tự nhiên và khi xử lý nhiệt, nó sẽ tạo thành một lớp silicon dioxide bảo vệ, có tác dụng ngăn ngừa mất điện tích hiệu quả.

3. Công nghệ tăng trưởng trưởng thành:Lịch sử phát triển công nghệ lâu dài trong quá trình phát triển silicon đã khiến nó trở nên tinh vi hơn nhiều so với các vật liệu bán dẫn khác.

Những yếu tố này kết hợp lại giúp silicon đơn tinh thể luôn dẫn đầu ngành, khiến nó không thể bị thay thế bởi bất kỳ vật liệu nào khác.

Về mặt cấu trúc tinh thể, silic đơn tinh thể là vật liệu được tạo thành từ các nguyên tử silic sắp xếp theo mạng lưới tuần hoàn, tạo thành cấu trúc liên tục. Đây là nền tảng của ngành công nghiệp sản xuất chip.

Sơ đồ sau đây minh họa toàn bộ quá trình chế tạo silicon đơn tinh thể:

Tổng quan về quy trình:
Silic đơn tinh thể được sản xuất từ ​​quặng silic qua một loạt các bước tinh chế. Đầu tiên, silic đa tinh thể được thu được, sau đó được nung chảy thành thỏi silic đơn tinh thể trong lò nung tinh thể. Tiếp theo, silic được cắt, đánh bóng và chế biến thành các tấm wafer silic phù hợp để sản xuất chip.

Tấm silicon thường được chia thành hai loại:cấp quang điệnVàcấp bán dẫn. Hai loại này khác nhau chủ yếu ở cấu trúc, độ tinh khiết và chất lượng bề mặt.

• Tấm wafer cấp bán dẫncó độ tinh khiết đặc biệt cao lên tới 99,999999999% và bắt buộc phải là tinh thể đơn.

• Tấm wafer cấp quang điệnít tinh khiết hơn, với độ tinh khiết dao động từ 99,99% đến 99,9999% và không có yêu cầu khắt khe về chất lượng tinh thể.

Ngoài ra, wafer bán dẫn đòi hỏi độ mịn và độ sạch bề mặt cao hơn wafer quang điện. Các tiêu chuẩn cao hơn đối với wafer bán dẫn làm tăng cả độ phức tạp trong quá trình chế tạo lẫn giá trị ứng dụng sau này của chúng.

Biểu đồ sau đây phác thảo quá trình phát triển của thông số kỹ thuật wafer bán dẫn, tăng từ wafer 4 inch (100mm) và 6 inch (150mm) ban đầu lên wafer 8 inch (200mm) và 12 inch (300mm) hiện tại.

Trong quá trình chế tạo đơn tinh thể silicon thực tế, kích thước wafer thay đổi tùy theo loại ứng dụng và yếu tố chi phí. Ví dụ, chip nhớ thường sử dụng wafer 12 inch, trong khi các thiết bị điện thường sử dụng wafer 8 inch.

Tóm lại, sự tiến hóa về kích thước wafer là kết quả của cả Định luật Moore và các yếu tố kinh tế. Kích thước wafer lớn hơn cho phép tăng diện tích silicon khả dụng trong cùng điều kiện xử lý, giảm chi phí sản xuất đồng thời giảm thiểu chất thải từ các cạnh wafer.

Là một vật liệu thiết yếu trong phát triển công nghệ hiện đại, wafer bán dẫn silicon, thông qua các quy trình chính xác như quang khắc và cấy ion, cho phép sản xuất nhiều loại thiết bị điện tử, bao gồm bộ chỉnh lưu công suất cao, transistor, transistor tiếp giáp lưỡng cực và thiết bị chuyển mạch. Những thiết bị này đóng vai trò then chốt trong các lĩnh vực như trí tuệ nhân tạo, truyền thông 5G, điện tử ô tô, Internet vạn vật và hàng không vũ trụ, tạo thành nền tảng cho sự phát triển kinh tế quốc gia và đổi mới công nghệ.

3. Công nghệ phát triển silicon đơn tinh thể

CácPhương pháp Czochralski (CZ)là một quy trình hiệu quả để tách vật liệu đơn tinh thể chất lượng cao từ hỗn hợp nóng chảy. Được Jan Czochralski đề xuất vào năm 1917, phương pháp này còn được gọi làKéo tinh thểphương pháp.

Hiện nay, phương pháp CZ được sử dụng rộng rãi trong chế tạo nhiều loại vật liệu bán dẫn. Theo thống kê chưa đầy đủ, khoảng 98% linh kiện điện tử được chế tạo từ silicon đơn tinh thể, trong đó 85% linh kiện được sản xuất bằng phương pháp CZ.

Phương pháp CZ được ưa chuộng nhờ chất lượng tinh thể tuyệt vời, kích thước có thể kiểm soát, tốc độ tăng trưởng nhanh và hiệu quả sản xuất cao. Những đặc điểm này khiến silicon đơn tinh thể CZ trở thành vật liệu được ưa chuộng để đáp ứng nhu cầu chất lượng cao, quy mô lớn trong ngành công nghiệp điện tử.

Nguyên lý phát triển của silic đơn tinh thể CZ như sau:

Quy trình CZ đòi hỏi nhiệt độ cao, chân không và môi trường kín. Thiết bị chính cho quy trình này làlò phát triển tinh thể, điều này tạo điều kiện thuận lợi cho những điều kiện này.

Sơ đồ sau đây minh họa cấu trúc của lò phát triển tinh thể.

Trong quy trình CZ, silic nguyên chất được đặt trong nồi nấu chảy, sau đó một tinh thể mầm được đưa vào silic nóng chảy. Bằng cách kiểm soát chính xác các thông số như nhiệt độ, lực kéo và tốc độ quay của nồi nấu, các nguyên tử hoặc phân tử tại giao diện của tinh thể mầm và silic nóng chảy liên tục tái tổ chức, đông đặc lại khi hệ thống nguội đi và cuối cùng tạo thành một tinh thể duy nhất.

Kỹ thuật phát triển tinh thể này tạo ra silicon đơn tinh thể chất lượng cao, đường kính lớn với định hướng tinh thể cụ thể.

Quá trình tăng trưởng bao gồm một số bước chính, bao gồm:

1. Tháo rời và Tải: Loại bỏ tinh thể và làm sạch hoàn toàn lò và các bộ phận khỏi các chất gây ô nhiễm như thạch anh, than chì hoặc các tạp chất khác.

2. Chân không và nóng chảy:Hệ thống được hút chân không, sau đó đưa khí argon vào và nung nóng điện tích silicon.

3. Kéo tinh thể:Tinh thể hạt giống được hạ xuống silic nóng chảy và nhiệt độ giao diện được kiểm soát cẩn thận để đảm bảo quá trình kết tinh diễn ra đúng cách.

4. Kiểm soát đường kính và vai:Khi tinh thể phát triển, đường kính của nó được theo dõi và điều chỉnh cẩn thận để đảm bảo sự phát triển đồng đều.

5. Kết thúc tăng trưởng và đóng cửa lò nung: Khi đạt được kích thước tinh thể mong muốn, lò sẽ tắt và tinh thể sẽ được lấy ra.

Các bước chi tiết trong quy trình này đảm bảo tạo ra các tinh thể đơn chất lượng cao, không có khuyết tật, phù hợp cho sản xuất chất bán dẫn.

4. Những thách thức trong sản xuất Silic đơn tinh thể

Một trong những thách thức chính trong việc sản xuất các tinh thể đơn bán dẫn đường kính lớn nằm ở việc khắc phục những hạn chế về mặt kỹ thuật trong quá trình phát triển, đặc biệt là trong việc dự đoán và kiểm soát các khuyết tật tinh thể:

1. Chất lượng đơn tinh thể không đồng nhất và năng suất thấp: Khi kích thước của các tinh thể đơn silic tăng lên, độ phức tạp của môi trường nuôi cấy cũng tăng theo, khiến việc kiểm soát các yếu tố như nhiệt độ, dòng chảy và từ trường trở nên khó khăn. Điều này làm phức tạp thêm nhiệm vụ đạt được chất lượng đồng đều và năng suất cao hơn.

2. Quá trình kiểm soát không ổn định: Quá trình phát triển của tinh thể đơn silicon bán dẫn rất phức tạp, với sự tương tác của nhiều trường vật lý, khiến độ chính xác điều khiển không ổn định và dẫn đến năng suất sản phẩm thấp. Các chiến lược điều khiển hiện tại chủ yếu tập trung vào kích thước vĩ mô của tinh thể, trong khi chất lượng vẫn được điều chỉnh dựa trên kinh nghiệm thủ công, khiến việc đáp ứng các yêu cầu chế tạo vi mô và nano trong chip IC trở nên khó khăn.

Để giải quyết những thách thức này, việc phát triển các phương pháp giám sát và dự đoán trực tuyến, thời gian thực về chất lượng tinh thể là vô cùng cần thiết, cùng với việc cải thiện hệ thống điều khiển để đảm bảo sản xuất ổn định, chất lượng cao các tinh thể đơn lớn để sử dụng trong mạch tích hợp.