รายละเอียดบล็อก

1. ภาพรวมและบริบทของอุตสาหกรรม

ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างรวดเร็วและความต้องการผลิตภัณฑ์อัจฉริยะประสิทธิภาพสูงที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วได้ตอกย้ำให้อุตสาหกรรมวงจรรวม (IC) เป็นเสาหลักเชิงกลยุทธ์ของการพัฒนาประเทศ ในฐานะที่เป็นรากฐานของระบบนิเวศ IC ซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์เกรดเซมิคอนดักเตอร์เป็นศูนย์กลางของการสร้างสรรค์นวัตกรรมทางเทคโนโลยีและการเติบโตทางเศรษฐกิจ

ตามข้อมูลของสมาคมอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์นานาชาติ ตลาดแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนทั่วโลกบันทึกยอดขาย$12.6 พันล้านโดยมีการจัดส่งถึง14.2 พันล้านตารางนิ้วความต้องการยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง

อุตสาหกรรมมีความเข้มข้นสูง: ผู้จำหน่าย 5 อันดับแรกคิดเป็นกว่า 85%ของส่วนแบ่งตลาดโลก—Shin-Etsu Chemical (ญี่ปุ่น), SUMCO (ญี่ปุ่น), GlobalWafers, Siltronic (เยอรมนี),และSK Siltron (เกาหลีใต้)—ซึ่งเน้นย้ำถึงการพึ่งพาแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์ที่นำเข้าของจีนอย่างหนัก การพึ่งพานี้เป็นคอขวดสำคัญที่จำกัดการพัฒนา IC ของประเทศ ดังนั้นจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเสริมสร้างความแข็งแกร่งให้กับ R&D และกำลังการผลิตในประเทศ

2. ซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์: ภาพรวมวัสดุ

ซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์เป็นรากฐานของไมโครอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่; กว่า 90%ของชิป IC และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ถูกผลิตขึ้นบนซิลิคอน ความโดดเด่นของมันมาจากคุณสมบัติหลายประการ:

• ความอุดมสมบูรณ์และความปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อม: ซิลิคอนมีมากมายในเปลือกโลก ไม่เป็นพิษ และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

• ฉนวนไฟฟ้าและออกไซด์ดั้งเดิม: ซิลิคอนให้ฉนวนไฟฟ้าตามธรรมชาติ เมื่อเกิดออกซิเดชันด้วยความร้อนจะเกิดเป็นSiO₂ไดอิเล็กทริกคุณภาพสูงที่ป้องกันการสูญเสียประจุ

• โครงสร้างพื้นฐานการผลิตที่ครบวงจร: การพัฒนาขั้นตอนการผลิตมานานหลายทศวรรษได้สร้างระบบนิเวศการเติบโตและการผลิตเวเฟอร์ที่ได้รับการปรับปรุงอย่างลึกซึ้งและปรับขนาดได้

โครงสร้าง ซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์เป็นโครงสร้างผลึกของอะตอมซิลิคอนที่ต่อเนื่องและเป็นระยะ—พื้นผิวที่จำเป็นสำหรับการผลิตชิป

ขั้นตอนการผลิต (ระดับสูง): แร่ซิลิคอนถูกกลั่นเพื่อผลิตซิลิคอนโพลีคริสตัลไลน์ ซึ่งจะถูกหลอมและเติบโตเป็นแท่งโมโนคริสตัลไลน์ในเตาหลอมผลึก แท่งถูกหั่น ลับ ขัดเงา และทำความสะอาดเพื่อให้ได้เวเฟอร์สำหรับการประมวลผลเซมิคอนดักเตอร์

คลาสเวเฟอร์:

• เกรดเซมิคอนดักเตอร์: ความบริสุทธิ์สูงพิเศษ (สูงถึง99.999999999%, “11 nines”) และโมโนคริสตัลไลน์อย่างเคร่งครัด โดยมีข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับคุณภาพของคริสตัลและความสะอาดของพื้นผิว

• เกรดโฟโตโวลตาอิก: ความบริสุทธิ์ต่ำกว่า (99.99%–99.9999%) และข้อกำหนดด้านคุณภาพของคริสตัลและพื้นผิวที่ไม่เข้มงวด

เวเฟอร์เกรดเซมิคอนดักเตอร์ยังต้องการความเรียบ ความเรียบของพื้นผิว และความสะอาดที่เหนือกว่า ซึ่งเพิ่มทั้งความซับซ้อนของกระบวนการและมูลค่าการใช้งาน

วิวัฒนาการและเศรษฐศาสตร์ของเส้นผ่านศูนย์กลาง: มาตรฐานอุตสาหกรรมได้ก้าวหน้าจาก4 นิ้ว (100 มม.)และ6 นิ้ว (150 มม.)เป็น8 นิ้ว (200 มม.)และ12 นิ้ว (300 มม.)เวเฟอร์ เส้นผ่านศูนย์กลางที่ใหญ่ขึ้นให้พื้นที่ไดที่ใช้งานได้มากขึ้นต่อการดำเนินการ ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพด้านต้นทุนและลดการสูญเสียขอบ—วิวัฒนาการที่ขับเคลื่อนโดยกฎของมัวร์และเศรษฐศาสตร์การผลิต ในทางปฏิบัติ ขนาดเวเฟอร์จะถูกจับคู่กับการใช้งานและต้นทุน ตัวอย่างเช่น หน่วยความจำมักใช้300 มม.ในขณะที่อุปกรณ์พลังงานจำนวนมากยังคงใช้200 มม..

ผ่านกระบวนการที่แม่นยำ—โฟโตลิโทกราฟี การปลูกถ่ายไอออน การกัด การสะสม และการบำบัดด้วยความร้อน—เวเฟอร์ซิลิคอนช่วยให้อุปกรณ์หลากหลายชนิด: เครื่องเรียงกระแสกำลังสูง MOSFET, BJT และส่วนประกอบสวิตชิ่งที่ขับเคลื่อน AI, 5G, อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์, IoT และการบินและอวกาศ—เครื่องยนต์หลักของการเติบโตทางเศรษฐกิจและนวัตกรรม

3. เทคโนโลยีการเติบโตของซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์

วิธี Czochralski (CZ)

เสนอโดยJan Czochralskiในปี 1917 วิธี CZ (การดึงคริสตัล) ผลิตผลึกเดี่ยวขนาดใหญ่คุณภาพสูงจากของเหลวได้อย่างมีประสิทธิภาพ ปัจจุบันเป็นแนวทางที่โดดเด่นสำหรับซิลิคอน: ประมาณ98%ของส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์เป็นซิลิคอน และ~85%ของส่วนประกอบเหล่านั้นขึ้นอยู่กับCZ-grownเวเฟอร์ CZ ได้รับความนิยมเนื่องจากคุณภาพของคริสตัล เส้นผ่านศูนย์กลางที่ควบคุมได้ อัตราการเติบโตที่ค่อนข้างเร็ว และปริมาณงานสูง

หลักการและอุปกรณ์: กระบวนการ CZ ทำงานที่อุณหภูมิสูงในสภาวะสุญญากาศ/เฉื่อยภายในเตาหลอมผลึก ซิลิคอนโพลีคริสตัลไลน์ถูกใส่ลงในเบ้าหลอมและหลอมละลาย คริสตัลเมล็ดสัมผัสกับพื้นผิวของของเหลว โดยการควบคุมอุณหภูมิ อัตราการดึง และการหมุนของทั้งเมล็ดและเบ้าหลอมอย่างแม่นยำ อะตอมที่ส่วนต่อประสานของเหลว–ของแข็งจะแข็งตัวเป็นคริสตัลเดี่ยวที่มีทิศทางและเส้นผ่านศูนย์กลางที่ต้องการ

ขั้นตอนการผลิตทั่วไป:

1. การเตรียมเครื่องมือและการโหลด: ถอดประกอบ ทำความสะอาด และโหลดเตาหลอมใหม่ กำจัดสิ่งปนเปื้อนออกจากควอตซ์ กราไฟต์ และส่วนประกอบอื่นๆ

2. การปั๊มลง การเติมกลับ และการหลอม: อพยพไปยังสุญญากาศ แนะนำอาร์กอน และให้ความร้อนเพื่อให้ประจุซิลิคอนหลอมละลายอย่างสมบูรณ์

3. การเพาะเมล็ดและการเติบโตเริ่มต้น: ลดเมล็ดลงในของเหลวและสร้างส่วนต่อประสานของแข็ง–ของเหลวที่เสถียร

4. การขึ้นไหล่และการควบคุมเส้นผ่านศูนย์กลาง: ขยายเป็นเส้นผ่านศูนย์กลางเป้าหมายและควบคุมอย่างเข้มงวดผ่านอุณหภูมิและข้อเสนอแนะอัตราการดึง

5. การดึงอย่างต่อเนื่อง: รักษาการเติบโตที่สม่ำเสมอที่เส้นผ่านศูนย์กลางที่ตั้งไว้

6. การสิ้นสุดและการระบายความร้อน: ทำให้คริสตัลสมบูรณ์ ปิดเครื่อง และขนถ่ายแท่ง

เมื่อดำเนินการอย่างถูกต้อง วิธี CZ จะให้ซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์เส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ มีข้อบกพร่องน้อย เหมาะสำหรับการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูง

4. ความท้าทายและทิศทางในการผลิต

การปรับขนาดให้มีเส้นผ่านศูนย์กลางที่ใหญ่ขึ้นในขณะที่ยังคงรักษาความสมบูรณ์แบบของคริสตัลไว้เป็นความท้าทายที่สำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการทำนายและควบคุมข้อบกพร่อง:

• ความแปรปรวนของคุณภาพและการสูญเสียผลผลิต: เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางเพิ่มขึ้น สนามความร้อน การไหล และสนามแม่เหล็กภายในเตาหลอมจะซับซ้อนมากขึ้น การจัดการผลกระทบหลายฟิสิกส์ที่เชื่อมต่อกันเหล่านี้เป็นเรื่องยาก ซึ่งนำไปสู่ความไม่สอดคล้องกันในคุณภาพของคริสตัลและผลผลิตที่ต่ำลง

• ข้อจำกัดของระบบควบคุม: กลยุทธ์ปัจจุบันเน้นที่พารามิเตอร์มหภาค (เช่น เส้นผ่านศูนย์กลาง อัตราการดึง) การควบคุมข้อบกพร่องในระดับละเอียดขึ้นอยู่กับความเชี่ยวชาญของมนุษย์เป็นอย่างมาก ซึ่งไม่เพียงพอมากขึ้นเรื่อยๆ สำหรับข้อกำหนด IC ขนาดไมโคร/นาโน