جزئیات وبلاگ

1. پیشینه و زمینه صنعت

پیشرفت‌های سریع فناوری و تقاضای فزاینده برای محصولات هوشمند با راندمان بالا، صنعت مدارهای مجتمع (IC) را به عنوان یک رکن استراتژیک توسعه ملی بیش از پیش تثبیت کرده است. سیلیکون تک‌کریستالی درجه نیمه‌هادی، به عنوان زیربنای اکوسیستم IC، نقشی محوری در نوآوری‌های فناوری و رشد اقتصادی دارد.

بر اساس گزارش انجمن بین‌المللی صنعت نیمه‌هادی، بازار جهانی ویفرهای سیلیکونی، فروش $12.6 میلیارد را ثبت کرد و میزان محموله‌ها به 14.2 میلیارد اینچ مربع رسید. تقاضا همچنان به طور پیوسته در حال افزایش است.

این صنعت بسیار متمرکز است: پنج تامین‌کننده برتر بیش از 85% از سهم بازار جهانی را در اختیار دارند—Shin-Etsu Chemical (ژاپن)، SUMCO (ژاپن)، GlobalWafers، Siltronic (آلمان)، و SK Siltron (کره جنوبی) —که وابستگی شدید چین به ویفرهای سیلیکون تک‌کریستالی وارداتی را نشان می‌دهد. این وابستگی یک گلوگاه کلیدی است که توسعه IC این کشور را محدود می‌کند. بنابراین تقویت تحقیق و توسعه داخلی و ظرفیت تولید ضروری است.

2. سیلیکون تک‌کریستالی: مروری بر مواد

سیلیکون تک‌کریستالی زیربنای میکروالکترونیک مدرن است؛ بیش از 90% از تراشه‌های IC و دستگاه‌های الکترونیکی بر روی سیلیکون ساخته می‌شوند. تسلط آن ناشی از ویژگی‌های متعددی است:

• فراوانی و ایمنی محیطی: سیلیکون در پوسته زمین فراوان، غیر سمی و سازگار با محیط زیست است.

• عایق الکتریکی و اکسید بومی: سیلیکون به طور طبیعی عایق الکتریکی ایجاد می‌کند؛ پس از اکسیداسیون حرارتی، SiO₂ را تشکیل می‌دهد، یک دی‌الکتریک با کیفیت بالا که از اتلاف بار جلوگیری می‌کند.

• زیرساخت تولید بالغ: دهه‌ها توسعه فرآیند، یک اکوسیستم رشد و ساخت ویفر بسیار پالایش‌شده و مقیاس‌پذیر را تولید کرده است.

از نظر ساختاری، سیلیکون تک‌کریستالی یک شبکه پیوسته و دوره‌ای از اتم‌های سیلیکون است—زیرلایه‌ای ضروری برای ساخت تراشه.

جریان فرآیند (سطح بالا): سنگ معدن سیلیکون برای تولید سیلیکون پلی‌کریستالی پالایش می‌شود، که سپس ذوب شده و در یک کوره رشد کریستال به یک شمش تک‌کریستالی تبدیل می‌شود. شمش برش داده می‌شود، لاپینگ می‌شود، پولیش می‌شود و تمیز می‌شود تا ویفرهایی برای پردازش نیمه‌هادی تولید شود.

کلاس‌های ویفر:

• درجه نیمه‌هادی: خلوص فوق‌العاده بالا (تا 99.999999999%، “11 نه”) و کاملاً تک‌کریستالی، با الزامات سختگیرانه در مورد کیفیت کریستال و تمیزی سطح.

• درجه فتوولتائیک: خلوص کمتر (99.99%–99.9999%) و مشخصات کم‌تقاضاتر کیفیت کریستال و سطح.

ویفرهای درجه نیمه‌هادی همچنین به صافی، همواری سطح و تمیزی برتر نیاز دارند که باعث افزایش پیچیدگی فرآیند و ارزش نهایی می‌شود.

تکامل قطر و اقتصاد: استانداردهای صنعت از 4 اینچ (100 میلی‌متر) و 6 اینچ (150 میلی‌متر) به 8 اینچ (200 میلی‌متر) و 12 اینچ (300 میلی‌متر) ویفرها پیشرفت کرده‌اند. قطرهای بزرگتر، سطح قالب قابل استفاده بیشتری را در هر فرآیند ارائه می‌دهند، که باعث بهبود راندمان هزینه و کاهش تلفات لبه می‌شود—تکامل ناشی از قانون مور و اقتصاد تولید. در عمل، اندازه ویفر با کاربرد و هزینه مطابقت دارد: به عنوان مثال، حافظه معمولاً از 300 میلی‌متر استفاده می‌کند، در حالی که بسیاری از دستگاه‌های قدرت روی 200 میلی‌متر باقی می‌مانند.

از طریق فرآیندهای دقیق—فتولیتوگرافی، کاشت یون، اچ، رسوب‌گذاری و عملیات حرارتی—ویفرهای سیلیکونی طیف وسیعی از دستگاه‌ها را فعال می‌کنند: یکسوکننده‌های پرقدرت، MOSFETها، BJTها و اجزای سوئیچینگ که به هوش مصنوعی، 5G، الکترونیک خودرو، IoT و هوافضا نیرو می‌دهند—موتورهای اصلی رشد اقتصادی و نوآوری.

3. فناوری رشد سیلیکون تک‌کریستالی

روش Czochralski (CZ)

توسط Jan Czochralski در سال 1917 پیشنهاد شد، روش CZ (کشیدن کریستال) به طور موثر کریستال‌های منفرد بزرگ و با کیفیت بالا را از مذاب تولید می‌کند. امروزه این روش غالب برای سیلیکون است: تقریباً 98% از قطعات الکترونیکی مبتنی بر سیلیکون هستند و ~85% از این قطعات به ویفرهای CZ-grown متکی هستند. CZ به دلیل کیفیت کریستال، قطر قابل کنترل، سرعت رشد نسبتاً سریع و توان عملیاتی بالا مورد توجه است.

اصل و تجهیزات: فرآیند CZ در دمای بالا در شرایط خلاء/بی‌اثر در داخل یک کوره رشد کریستال کار می‌کند. سیلیکون پلی‌کریستالی وارد یک بوته می‌شود و ذوب می‌شود. یک کریستال دانه با سطح مذاب تماس می‌گیرد؛ با کنترل دقیق دما، سرعت کشش و چرخش دانه و بوته، اتم‌ها در رابط مذاب-جامد به یک کریستال منفرد با جهت‌گیری و قطر مورد نظر جامد می‌شوند.

مراحل فرآیند معمولی:

1. آماده‌سازی و بارگیری ابزار: کوره را جدا کنید، تمیز کنید و دوباره بارگیری کنید؛ آلاینده‌ها را از کوارتز، گرافیت و سایر اجزا حذف کنید.

2. پمپ کردن، پر کردن مجدد و ذوب: تخلیه به خلاء، معرفی آرگون و حرارت دادن برای ذوب کامل بار سیلیکون.

3. دانه‌بندی و رشد اولیه: دانه را در مذاب پایین بیاورید و یک رابط جامد-مایع پایدار ایجاد کنید.

4. شانه‌سازی و کنترل قطر: به قطر هدف گسترش دهید و کنترل دقیقی را از طریق بازخورد دما و سرعت کشش حفظ کنید.

5. کشیدن ثابت: رشد یکنواخت را در قطر تنظیم شده حفظ کنید.

6. پایان و خنک‌سازی: کریستال را کامل کنید، خاموش کنید و شمش را تخلیه کنید.

اگر به درستی اجرا شود، روش CZ سیلیکون تک‌کریستالی با قطر بزرگ و نقص کم را تولید می‌کند که برای تولید نیمه‌هادی‌های پیشرفته مناسب است.

4. چالش‌های تولید و جهت‌گیری‌ها

مقیاس‌بندی به قطرهای بزرگتر در حالی که کمال کریستال را حفظ می‌کند، چالش‌های قابل توجهی را ایجاد می‌کند، به ویژه در پیش‌بینی و کنترل نقص:

• تغییرپذیری کیفیت و تلفات بازده: با افزایش قطر، میدان‌های حرارتی، جریان و مغناطیسی در داخل کوره پیچیده‌تر می‌شوند. مدیریت این اثرات چندفیزیکی جفت‌شده دشوار است و منجر به ناسازگاری در کیفیت کریستال و بازده کمتر می‌شود.

• محدودیت‌های سیستم کنترل: استراتژی‌های فعلی بر پارامترهای ماکروسکوپی (به عنوان مثال، قطر، سرعت کشش) تأکید دارند. کنترل نقص در مقیاس ریز هنوز به شدت به تخصص انسانی بستگی دارد، که برای الزامات IC در مقیاس میکرو/نانو به طور فزاینده‌ای ناکافی است.