Uma visão geral abrangente dos métodos de crescimento de silício monocristalino

Uma visão geral abrangente dos métodos de crescimento de silício monocristalino

1. Histórico do Desenvolvimento do Silício Monocristalino

O avanço da tecnologia e a crescente demanda por produtos inteligentes de alta eficiência consolidaram ainda mais a posição central da indústria de circuitos integrados (CI) no desenvolvimento nacional. Como pedra angular da indústria de CI, o silício monocristalino semicondutor desempenha um papel vital na promoção da inovação tecnológica e do crescimento econômico.

Segundo dados da Associação Internacional da Indústria de Semicondutores (ISIA), o mercado global de wafers semicondutores atingiu a marca de US$ 12,6 bilhões em vendas, com um volume de 14,2 bilhões de polegadas quadradas. Além disso, a demanda por wafers de silício continua a crescer de forma constante.

No entanto, a indústria global de wafers de silício é altamente concentrada, com os cinco maiores fornecedores dominando mais de 85% da participação de mercado, conforme mostrado abaixo:

• Shin-Etsu Chemical (Japão)

• SUMCO (Japão)

• Wafers globais

• Siltronic (Alemanha)

• SK Siltron (Coreia do Sul)

Esse oligopólio resulta na forte dependência da China em relação à importação de wafers de silício monocristalino, o que se tornou um dos principais entraves que limitam o desenvolvimento da indústria de circuitos integrados do país.

Para superar os desafios atuais no setor de fabricação de monocristais de silício semicondutor, investir em pesquisa e desenvolvimento e fortalecer as capacidades de produção nacionais é uma escolha inevitável.

2. Visão geral do material de silício monocristalino

O silício monocristalino é a base da indústria de circuitos integrados. Atualmente, mais de 90% dos chips de circuitos integrados e dispositivos eletrônicos são fabricados utilizando silício monocristalino como material principal. A ampla demanda por silício monocristalino e suas diversas aplicações industriais podem ser atribuídas a vários fatores:

1. Segurança e respeito ao meio ambienteO silício é abundante na crosta terrestre, não é tóxico e é ecologicamente correto.

2. Isolamento elétricoO silício apresenta naturalmente propriedades de isolamento elétrico e, após tratamento térmico, forma uma camada protetora de dióxido de silício, que impede eficazmente a perda de carga elétrica.

3. Tecnologia de crescimento maduraA longa história do desenvolvimento tecnológico nos processos de crescimento do silício tornou-o muito mais sofisticado do que outros materiais semicondutores.

Em conjunto, esses fatores mantêm o silício monocristalino na vanguarda da indústria, tornando-o insubstituível por outros materiais.

Em termos de estrutura cristalina, o silício monocristalino é um material composto por átomos de silício dispostos em uma rede periódica, formando uma estrutura contínua. É a base da indústria de fabricação de chips.

O diagrama a seguir ilustra o processo completo de preparação do silício monocristalino:

Visão geral do processo:
O silício monocristalino é derivado do minério de silício por meio de uma série de etapas de refino. Primeiro, obtém-se o silício policristalino, que é então cultivado em um lingote de silício monocristalino em um forno de crescimento de cristais. Posteriormente, ele é cortado, polido e processado em wafers de silício adequados para a fabricação de chips.

As pastilhas de silício são normalmente divididas em duas categorias:grau fotovoltaicoegrau semicondutorEsses dois tipos diferem principalmente em sua estrutura, pureza e qualidade da superfície.

• Wafer de grau semicondutorPossuem uma pureza excepcionalmente alta, de até 99,999999999%, e devem ser estritamente monocristalinas.

• Pastilhas de grau fotovoltaicosão menos puros, com níveis de pureza que variam de 99,99% a 99,9999%, e não possuem requisitos tão rigorosos quanto à qualidade do cristal.

Além disso, os wafers de grau semicondutor exigem maior lisura e limpeza de superfície do que os wafers de grau fotovoltaico. Os padrões mais elevados para wafers semicondutores aumentam tanto a complexidade de sua preparação quanto seu valor subsequente em aplicações.

O gráfico a seguir descreve a evolução das especificações dos wafers semicondutores, que aumentaram dos primeiros wafers de 4 polegadas (100 mm) e 6 polegadas (150 mm) para os atuais wafers de 8 polegadas (200 mm) e 12 polegadas (300 mm).

Na preparação real de monocristais de silício, o tamanho do wafer varia de acordo com o tipo de aplicação e os custos envolvidos. Por exemplo, chips de memória geralmente utilizam wafers de 12 polegadas, enquanto dispositivos de potência costumam usar wafers de 8 polegadas.

Em resumo, a evolução do tamanho do wafer é resultado tanto da Lei de Moore quanto de fatores econômicos. Um wafer maior permite o crescimento de uma área de silício mais utilizável sob as mesmas condições de processamento, reduzindo os custos de produção e minimizando o desperdício nas bordas do wafer.

Como material crucial no desenvolvimento tecnológico moderno, as pastilhas de silício semicondutor, por meio de processos precisos como fotolitografia e implantação iônica, possibilitam a produção de diversos dispositivos eletrônicos, incluindo retificadores de alta potência, transistores, transistores bipolares de junção e dispositivos de comutação. Esses dispositivos desempenham um papel fundamental em áreas como inteligência artificial, comunicações 5G, eletrônica automotiva, Internet das Coisas e aeroespacial, constituindo a base do desenvolvimento econômico nacional e da inovação tecnológica.

3. Tecnologia de crescimento de silício monocristalino

OMétodo Czochralski (CZ)É um processo eficiente para extrair material monocristalino de alta qualidade a partir da fusão. Proposto por Jan Czochralski em 1917, este método também é conhecido comoTiragem de cristalmétodo.

Atualmente, o método CZ é amplamente utilizado na preparação de diversos materiais semicondutores. Segundo estatísticas incompletas, cerca de 98% dos componentes eletrônicos são fabricados com silício monocristalino, sendo que 85% desses componentes são produzidos utilizando o método CZ.

O método CZ é preferido devido à sua excelente qualidade cristalina, tamanho controlável, alta taxa de crescimento e elevada eficiência de produção. Essas características fazem do silício monocristalino CZ o material ideal para atender à demanda por alta qualidade e em larga escala na indústria eletrônica.

O princípio de crescimento do silício monocristalino CZ é o seguinte:

O processo CZ requer altas temperaturas, vácuo e um ambiente fechado. O equipamento principal para este processo é oforno de crescimento de cristais, o que facilita essas condições.

O diagrama a seguir ilustra a estrutura de um forno de crescimento de cristais.

No processo CZ, o silício puro é colocado em um cadinho, fundido e um cristal semente é introduzido no silício fundido. Controlando com precisão parâmetros como temperatura, velocidade de extração e velocidade de rotação do cadinho, os átomos ou moléculas na interface entre o cristal semente e o silício fundido se reorganizam continuamente, solidificando-se à medida que o sistema esfria e, por fim, formando um monocristal.

Essa técnica de crescimento de cristais produz silício monocristalino de alta qualidade e grande diâmetro, com orientações cristalinas específicas.

O processo de crescimento envolve várias etapas fundamentais, incluindo:

1. Desmontagem e carregamentoRemover o cristal e limpar completamente o forno e seus componentes de contaminantes como quartzo, grafite ou outras impurezas.

2. Vácuo e FusãoO sistema é evacuado até atingir o vácuo, seguido da introdução de gás argônio e do aquecimento da carga de silício.

3. Tiragem de cristalO cristal semente é imerso no silício fundido, e a temperatura da interface é cuidadosamente controlada para garantir a cristalização adequada.

4. Controle de ombro e diâmetroÀ medida que o cristal cresce, seu diâmetro é cuidadosamente monitorado e ajustado para garantir um crescimento uniforme.

5. Fim do crescimento e desligamento da fornalhaAssim que o tamanho desejado do cristal for atingido, o forno é desligado e o cristal é removido.

As etapas detalhadas desse processo garantem a criação de monocristais de alta qualidade e sem defeitos, adequados para a fabricação de semicondutores.

4. Desafios na Produção de Silício Monocristalino

Um dos principais desafios na produção de monocristais semicondutores de grande diâmetro reside na superação dos gargalos técnicos durante o processo de crescimento, particularmente na previsão e no controle de defeitos cristalinos:

1. Qualidade inconsistente dos monocristais e baixo rendimento.À medida que o tamanho dos monocristais de silício aumenta, a complexidade do ambiente de crescimento também aumenta, dificultando o controle de fatores como os campos térmico, de fluxo e magnético. Isso complica a tarefa de alcançar qualidade consistente e rendimentos mais elevados.

2. Processo de controle instávelO processo de crescimento de monocristais de silício semicondutor é extremamente complexo, com múltiplos campos físicos interagindo, o que torna a precisão do controle instável e resulta em baixos rendimentos do produto. As estratégias de controle atuais focam principalmente nas dimensões macroscópicas do cristal, enquanto a qualidade ainda é ajustada com base na experiência manual, dificultando o atendimento aos requisitos de micro e nanofabricação em chips de circuitos integrados.

Para enfrentar esses desafios, é urgente o desenvolvimento de métodos de monitoramento e previsão em tempo real e online da qualidade dos cristais, juntamente com melhorias nos sistemas de controle para garantir a produção estável e de alta qualidade de grandes monocristais para uso em circuitos integrados.