Детали блога

1. Общая информация и контекст отрасли

Быстрый технологический прогресс и растущий спрос на высокоэффективные интеллектуальные продукты еще больше укрепили индустрию интегральных схем (ИС) как стратегический столп национального развития. Монокристаллический кремний полупроводникового класса, являясь основой экосистемы ИС, имеет центральное значение как для технологических инноваций, так и для экономического роста.

По данным Международной ассоциации полупроводниковой промышленности, мировой рынок кремниевых пластин зафиксировал объем продаж в размере $12,6 млрд, при этом поставки достигли 14,2 миллиарда квадратных дюймов. Спрос продолжает неуклонно расти.

Отрасль высококонцентрирована: на долю пяти крупнейших поставщиков приходится более 85% мировой доли рынка—Shin-Etsu Chemical (Япония), SUMCO (Япония), GlobalWafers, Siltronic (Германия), и SK Siltron (Южная Корея)—что подчеркивает сильную зависимость Китая от импортируемых монокристаллических кремниевых пластин. Эта зависимость является ключевым узким местом, сдерживающим развитие ИС в стране. Поэтому укрепление отечественных исследований и разработок и производственных мощностей является императивом.

2. Монокристаллический кремний: Обзор материала

Монокристаллический кремний лежит в основе современной микроэлектроники; более 90% микросхем ИС и электронных устройств изготавливаются на кремнии. Его доминирование обусловлено несколькими атрибутами:

• Изобилие и экологическая безопасность: Кремний в изобилии содержится в земной коре, нетоксичен и экологически безопасен.

• Электрическая изоляция и собственный оксид: Кремний естественным образом обеспечивает электрическую изоляцию; при термическом окислении он образует SiO₂, высококачественный диэлектрик, предотвращающий потерю заряда.

• Зрелая производственная инфраструктура: Десятилетия разработки процессов привели к созданию глубоко усовершенствованной, масштабируемой экосистемы выращивания и производства пластин.

Структурно, монокристаллический кремний представляет собой непрерывную, периодическую решетку атомов кремния—основную подложку для производства микросхем.

Технологический процесс (высокий уровень): Кремниевая руда очищается для получения поликристаллического кремния, который затем плавится и выращивается в монокристаллический слиток в печи для выращивания кристаллов. Слиток нарезается, притирается, полируется и очищается для получения пластин для полупроводниковой обработки.

Классы пластин:

• Полупроводниковый класс: Сверхвысокая чистота (до 99,999999999%, “11 девяток”) и строго монокристаллический, со строгими требованиями к качеству кристалла и чистоте поверхности.

• Фотоэлектрический класс: Более низкая чистота (99,99%–99,9999%) и менее требовательные спецификации качества кристалла и поверхности.

Пластины полупроводникового класса также требуют превосходной плоскостности, гладкости поверхности и чистоты, что увеличивает как сложность процесса, так и ценность конечного использования.

Эволюция диаметра и экономика: Отраслевые стандарты перешли от 4-дюймовых (100 мм) и 6-дюймовых (150 мм) к 8-дюймовым (200 мм) и 12-дюймовым (300 мм) пластинам. Большие диаметры обеспечивают большую полезную площадь кристалла на один технологический цикл, повышая экономическую эффективность и уменьшая потери по краям—эволюция, обусловленная законом Мура и экономикой производства. На практике размер пластины соответствует применению и стоимости: например, в памяти обычно используются 300 мм, в то время как многие силовые устройства остаются на 200 мм.

Благодаря точным процессам—фотолитографии, ионной имплантации, травлению, осаждению и термической обработке—кремниевые пластины обеспечивают широкий спектр устройств: мощные выпрямители, MOSFET, BJT и коммутационные компоненты, которые питают ИИ, 5G, автомобильную электронику, IoT и аэрокосмическую промышленность—основные двигатели экономического роста и инноваций.

3. Технология выращивания монокристаллического кремния

Метод Чохральского (CZ)

Предложенный Яном Чохральским в 1917 году, метод CZ (вытягивание кристаллов) эффективно производит большие, высококачественные монокристаллы из расплава. Сегодня это доминирующий подход для кремния: примерно 98% электронных компонентов основаны на кремнии, и ~85% из них полагаются на выращенные методом CZ пластины. CZ предпочтителен из-за качества кристалла, контролируемого диаметра, относительно высокой скорости роста и высокой производительности.

Принцип и оборудование: Процесс CZ работает при высокой температуре в вакуумных/инертных условиях внутри печи для выращивания кристаллов. Поликристаллический кремний загружается в тигель и расплавляется. Затравочный кристалл контактирует с поверхностью расплава; путем точного контроля температуры, скорости вытягивания и вращения как затравочного кристалла, так и тигля, атомы на границе раздела расплав–твердое тело затвердевают в монокристалл с желаемой ориентацией и диаметром.

Типичные этапы процесса:

1. Подготовка и загрузка инструмента: Разберите, очистите и перезагрузите печь; удалите загрязнения из кварца, графита и других компонентов.

2. Откачка, заполнение и плавление: Откачайте до вакуума, введите аргон и нагрейте, чтобы полностью расплавить кремниевую загрузку.

3. Затравка и начальный рост: Опустите затравочный кристалл в расплав и установите стабильную границу раздела твердое тело–жидкость.

4. Формирование плеча и контроль диаметра: Расширьте до целевого диаметра и поддерживайте строгий контроль с помощью обратной связи по температуре и скорости вытягивания.

5. Устойчивое вытягивание: Поддерживайте равномерный рост при заданном диаметре.

6. Завершение и охлаждение: Завершите кристалл, выключите и выгрузите слиток.

При правильном выполнении метод CZ дает монокристаллический кремний большого диаметра с низким содержанием дефектов, подходящий для передового полупроводникового производства.

4. Производственные проблемы и направления

Масштабирование до больших диаметров при сохранении совершенства кристалла создает значительные проблемы, особенно в прогнозировании и контроле дефектов:

• Изменчивость качества и потери выхода: По мере увеличения диаметра тепловые, потоковые и магнитные поля внутри печи становятся более сложными. Управление этими связанными многофизическими эффектами затруднено, что приводит к несоответствиям в качестве кристалла и снижению выхода.

• Ограничения системы управления: Текущие стратегии подчеркивают макроскопические параметры (например, диаметр, скорость вытягивания). Тонкий контроль дефектов по-прежнему в значительной степени зависит от человеческого опыта, который становится все более неадекватным для микро-/нано-масштабных требований ИС.