Ein umfassender Überblick über die Wachstumsmethoden für monokristallines Silizium

Ein umfassender Überblick über die Wachstumsmethoden für monokristallines Silizium

1. Hintergrund der Entwicklung von monokristallinem Silizium

Der technologische Fortschritt und die steigende Nachfrage nach hocheffizienten intelligenten Produkten haben die zentrale Rolle der Halbleiterindustrie (IC-Industrie) in der nationalen Entwicklung weiter gefestigt. Als Eckpfeiler der IC-Industrie spielt monokristallines Silizium eine entscheidende Rolle für technologische Innovationen und Wirtschaftswachstum.

Laut Daten der International Semiconductor Industry Association (ISIA) erreichte der globale Markt für Halbleiterwafer einen Umsatz von 12,6 Milliarden US-Dollar, wobei die Liefermenge auf 14,2 Milliarden Quadratzoll anstieg. Darüber hinaus steigt die Nachfrage nach Siliziumwafern weiterhin stetig.

Die globale Siliziumwaferindustrie ist jedoch stark konzentriert, wobei die fünf größten Anbieter über 85 % des Marktanteils beherrschen, wie nachfolgend dargestellt:

• Shin-Etsu Chemical (Japan)

• SUMCO (Japan)

• Global Wafers

• Siltronic (Deutschland)

• SK Siltron (Südkorea)

Dieses Oligopol führt zu Chinas starker Abhängigkeit von importierten monokristallinen Siliziumwafern, was sich zu einem der Hauptengpässe entwickelt hat, die die Entwicklung der integrierten Schaltungsindustrie des Landes einschränken.

Um die aktuellen Herausforderungen im Bereich der Herstellung von Silizium-Einkristallen zu bewältigen, ist die Investition in Forschung und Entwicklung sowie die Stärkung der heimischen Produktionskapazitäten eine unausweichliche Wahl.

2. Überblick über monokristallines Siliziummaterial

Monokristallines Silizium bildet die Grundlage der integrierten Schaltungstechnik. Bis heute werden über 90 % aller IC-Chips und elektronischen Bauelemente aus monokristallinem Silizium als Hauptmaterial hergestellt. Die weitverbreitete Nachfrage nach monokristallinem Silizium und seine vielfältigen industriellen Anwendungen lassen sich auf mehrere Faktoren zurückführen:

1. Sicherheit und UmweltfreundlichkeitSilizium ist in der Erdkruste reichlich vorhanden, ungiftig und umweltfreundlich.

2. Elektrische IsolierungSilizium weist von Natur aus elektrische Isolationseigenschaften auf und bildet bei Wärmebehandlung eine Schutzschicht aus Siliziumdioxid, die den Verlust elektrischer Ladung wirksam verhindert.

3. Technologie für ausgereiftes WachstumDie lange Geschichte der technologischen Entwicklung bei Silizium-Wachstumsprozessen hat dazu geführt, dass Silizium weitaus komplexer ist als andere Halbleitermaterialien.

Zusammengenommen sorgen diese Faktoren dafür, dass monokristallines Silizium weiterhin eine führende Rolle in der Branche einnimmt und durch andere Materialien unersetzlich ist.

In Bezug auf die Kristallstruktur ist monokristallines Silizium ein Material, das aus Siliziumatomen besteht, die in einem periodischen Gitter angeordnet sind und eine durchgehende Struktur bilden. Es ist die Grundlage der Chipindustrie.

Das folgende Diagramm veranschaulicht den kompletten Prozess der Herstellung von monokristallinem Silizium:

Prozessübersicht:
Monokristallines Silizium wird durch eine Reihe von Raffinationsschritten aus Siliziumerz gewonnen. Zunächst wird polykristallines Silizium hergestellt, das anschließend in einem Kristallzuchtofen zu einem monokristallinen Siliziumblock gezüchtet wird. Danach wird dieser geschnitten, poliert und zu Siliziumwafern verarbeitet, die für die Chipherstellung geeignet sind.

Siliziumwafer werden typischerweise in zwei Kategorien unterteilt:Photovoltaik-QualitätUndHalbleiterqualitätDiese beiden Typen unterscheiden sich hauptsächlich in ihrer Struktur, Reinheit und Oberflächenqualität.

• HalbleiterwaferSie weisen eine außergewöhnlich hohe Reinheit von bis zu 99,999999999% auf und müssen zwingend monokristallin sein.

• Photovoltaik-Wafersind weniger rein, mit Reinheitsgraden zwischen 99,99 % und 99,9999 %, und unterliegen nicht so strengen Anforderungen an die Kristallqualität.

Darüber hinaus erfordern Halbleiterwafer eine höhere Oberflächenglätte und Reinheit als Photovoltaik-Wafer. Die höheren Anforderungen an Halbleiterwafer erhöhen sowohl die Komplexität ihrer Herstellung als auch ihren späteren Wert in Anwendungen.

Die folgende Tabelle veranschaulicht die Entwicklung der Spezifikationen für Halbleiterwafer, die von anfänglichen 4-Zoll-Wafern (100 mm) und 6-Zoll-Wafern (150 mm) auf die heutigen 8-Zoll-Wafer (200 mm) und 12-Zoll-Wafer (300 mm) angestiegen sind.

Bei der Herstellung von Silizium-Einkristallen variiert die Wafergröße je nach Anwendung und Kostenfaktoren. So werden beispielsweise für Speicherchips üblicherweise 12-Zoll-Wafer verwendet, während für Leistungshalbleiter oft 8-Zoll-Wafer zum Einsatz kommen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Entwicklung der Wafergröße sowohl auf das Mooresche Gesetz als auch auf wirtschaftliche Faktoren zurückzuführen ist. Eine größere Wafergröße ermöglicht die Herstellung einer größeren nutzbaren Siliziumfläche unter gleichen Prozessbedingungen, wodurch die Produktionskosten gesenkt und gleichzeitig der Abfall an den Waferrändern minimiert werden.

Als Schlüsselmaterial moderner Technologien ermöglichen Siliziumwafer mittels präziser Verfahren wie Fotolithografie und Ionenimplantation die Herstellung verschiedenster elektronischer Bauelemente, darunter Hochleistungsgleichrichter, Transistoren, Bipolartransistoren und Schaltelemente. Diese Bauelemente spielen eine zentrale Rolle in Bereichen wie Künstliche Intelligenz, 5G-Kommunikation, Automobilelektronik, Internet der Dinge und Luft- und Raumfahrt und bilden das Fundament für die nationale Wirtschaftsentwicklung und technologische Innovation.

3. Technologie zur Herstellung von monokristallinem Silizium

DerCzochralski-Verfahren (CZ-Verfahren)ist ein effizientes Verfahren zur Gewinnung von hochwertigem monokristallinem Material aus der Schmelze. Dieses 1917 von Jan Czochralski vorgeschlagene Verfahren ist auch als bekannt.KristallziehenVerfahren.

Das CZ-Verfahren findet derzeit breite Anwendung bei der Herstellung verschiedener Halbleitermaterialien. Laut unvollständigen Statistiken bestehen etwa 98 % der elektronischen Bauteile aus monokristallinem Silizium, wobei 85 % dieser Bauteile mithilfe des CZ-Verfahrens hergestellt werden.

Das CZ-Verfahren ist aufgrund seiner hervorragenden Kristallqualität, der kontrollierbaren Größe, der hohen Wachstumsrate und der hohen Produktionseffizienz beliebt. Diese Eigenschaften machen monokristallines CZ-Silizium zum bevorzugten Material, um den hohen Qualitäts- und Massenbedarf der Elektronikindustrie zu decken.

Das Wachstumsprinzip von CZ-monokristallinem Silizium ist wie folgt:

Das CZ-Verfahren erfordert hohe Temperaturen, ein Vakuum und eine geschlossene Umgebung. Die wichtigste Ausrüstung für dieses Verfahren ist dieKristallzuchtofen, was diese Bedingungen ermöglicht.

Das folgende Diagramm veranschaulicht den Aufbau eines Kristallzuchtofens.

Beim CZ-Verfahren wird reines Silizium in einen Tiegel gegeben, geschmolzen und ein Impfkristall in die Siliziumschmelze eingebracht. Durch die präzise Steuerung von Parametern wie Temperatur, Ziehgeschwindigkeit und Tiegelrotationsgeschwindigkeit ordnen sich die Atome oder Moleküle an der Grenzfläche zwischen Impfkristall und Siliziumschmelze kontinuierlich neu an, verfestigen sich beim Abkühlen des Systems und bilden schließlich einen Einkristall.

Mit dieser Kristallzüchtungstechnik lassen sich hochwertige, monokristalline Siliziumkristalle mit großem Durchmesser und spezifischen Kristallorientierungen herstellen.

Der Wachstumsprozess umfasst mehrere wichtige Schritte, darunter:

1. Demontage und Verladung: Entfernen des Kristalls und gründliches Reinigen des Ofens und der Komponenten von Verunreinigungen wie Quarz, Graphit oder anderen Fremdstoffen.

2. Vakuum und SchmelzenDas System wird evakuiert, anschließend wird Argongas eingeleitet und die Siliziumladung erhitzt.

3. KristallziehenDer Impfkristall wird in das geschmolzene Silizium abgesenkt, und die Temperatur an der Grenzfläche wird sorgfältig kontrolliert, um eine ordnungsgemäße Kristallisation zu gewährleisten.

4. Schulterung und DurchmesserkontrolleWährend der Kristall wächst, wird sein Durchmesser sorgfältig überwacht und angepasst, um ein gleichmäßiges Wachstum zu gewährleisten.

5. Ende des Wachstums und Abschaltung des OfensSobald die gewünschte Kristallgröße erreicht ist, wird der Ofen abgeschaltet und der Kristall entnommen.

Die detaillierten Schritte dieses Prozesses gewährleisten die Herstellung hochwertiger, fehlerfreier Einkristalle, die für die Halbleiterfertigung geeignet sind.

4. Herausforderungen bei der Herstellung von monokristallinem Silizium

Eine der größten Herausforderungen bei der Herstellung von Halbleiter-Einkristallen mit großem Durchmesser besteht darin, die technischen Engpässe während des Wachstumsprozesses zu überwinden, insbesondere bei der Vorhersage und Kontrolle von Kristallfehlern:

1. Uneinheitliche Einkristallqualität und geringe AusbeuteMit zunehmender Größe der Silizium-Einkristalle steigt die Komplexität der Wachstumsumgebung, wodurch die Kontrolle von Faktoren wie Temperatur, Strömung und Magnetfeldern erschwert wird. Dies erschwert die Erzielung gleichbleibender Qualität und höherer Ausbeuten.

2. Instabiler RegelungsprozessDer Wachstumsprozess von Silizium-Einkristallen für Halbleiter ist hochkomplex und von zahlreichen physikalischen Wechselwirkungen geprägt. Dies führt zu instabiler Kontrollgenauigkeit und geringen Produktausbeuten. Aktuelle Kontrollstrategien konzentrieren sich hauptsächlich auf die makroskopischen Abmessungen des Kristalls, während die Qualitätsanpassung weiterhin auf manueller Erfahrung beruht. Dadurch ist es schwierig, die Anforderungen der Mikro- und Nanotechnologie für integrierte Schaltkreise (ICs) zu erfüllen.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, ist die Entwicklung von Echtzeit-Online-Überwachungs- und Vorhersagemethoden für die Kristallqualität dringend erforderlich, ebenso wie Verbesserungen der Kontrollsysteme, um eine stabile und qualitativ hochwertige Produktion großer Einkristalle für den Einsatz in integrierten Schaltungen zu gewährleisten.