Descripción general exhaustiva de los métodos de crecimiento del silicio monocristalino

Descripción general exhaustiva de los métodos de crecimiento del silicio monocristalino

1. Antecedentes del desarrollo del silicio monocristalino

El avance tecnológico y la creciente demanda de productos inteligentes de alta eficiencia han consolidado aún más la posición central de la industria de circuitos integrados (CI) en el desarrollo nacional. Como pilar fundamental de la industria de CI, el silicio monocristalino semiconductor desempeña un papel vital en el impulso de la innovación tecnológica y el crecimiento económico.

Según datos de la Asociación Internacional de la Industria de Semiconductores, el mercado mundial de obleas de semiconductores alcanzó una cifra de ventas de 12.600 millones de dólares, con envíos que ascendieron a 14.200 millones de pulgadas cuadradas. Además, la demanda de obleas de silicio sigue aumentando de forma constante.

Sin embargo, la industria mundial de obleas de silicio está altamente concentrada, con los cinco principales proveedores dominando más del 85% de la cuota de mercado, como se muestra a continuación:

• Shin-Etsu Chemical (Japón)

• SUMCO (Japón)

• Obleas globales

• Siltronic (Alemania)

• SK Siltron (Corea del Sur)

Este oligopolio provoca la fuerte dependencia de China de las obleas de silicio monocristalino importadas, lo que se ha convertido en uno de los principales obstáculos que limitan el desarrollo de la industria de circuitos integrados del país.

Para superar los desafíos actuales en el sector de la fabricación de monocristales de silicio semiconductor, invertir en investigación y desarrollo y fortalecer las capacidades de producción nacionales es una opción inevitable.

2. Descripción general del material de silicio monocristalino

El silicio monocristalino es la base de la industria de los circuitos integrados. Actualmente, más del 90 % de los chips de circuitos integrados y dispositivos electrónicos se fabrican con silicio monocristalino como material principal. La amplia demanda de silicio monocristalino y sus diversas aplicaciones industriales se deben a varios factores:

1. Seguridad y respeto por el medio ambienteEl silicio es abundante en la corteza terrestre, no es tóxico y es respetuoso con el medio ambiente.

2. Aislamiento eléctricoEl silicio presenta de forma natural propiedades de aislamiento eléctrico y, tras un tratamiento térmico, forma una capa protectora de dióxido de silicio que previene eficazmente la pérdida de carga eléctrica.

3. Tecnología de crecimiento maduroLa larga historia de desarrollo tecnológico en los procesos de crecimiento del silicio lo ha hecho mucho más sofisticado que otros materiales semiconductores.

Estos factores, en conjunto, mantienen al silicio monocristalino a la vanguardia de la industria, haciéndolo insustituible por otros materiales.

En términos de estructura cristalina, el silicio monocristalino es un material formado por átomos de silicio dispuestos en una red periódica, formando una estructura continua. Es la base de la industria de fabricación de chips.

El siguiente diagrama ilustra el proceso completo de preparación del silicio monocristalino:

Descripción general del proceso:
El silicio monocristalino se obtiene a partir del mineral de silicio mediante una serie de etapas de refinado. Primero se obtiene silicio policristalino, que luego se transforma en un lingote de silicio monocristalino en un horno de crecimiento de cristales. Posteriormente, se corta, se pule y se procesa para obtener obleas de silicio aptas para la fabricación de chips.

Las obleas de silicio se dividen normalmente en dos categorías:grado fotovoltaicoygrado semiconductorEstos dos tipos se diferencian principalmente en su estructura, pureza y calidad superficial.

• obleas de grado semiconductortienen una pureza excepcionalmente alta de hasta 99,999999999% y se requiere estrictamente que sean monocristalinos.

• obleas de grado fotovoltaicoson menos puros, con niveles de pureza que van del 99,99% al 99,9999%, y no tienen requisitos tan estrictos en cuanto a la calidad del cristal.

Además, las obleas de grado semiconductor requieren una mayor suavidad y limpieza superficial que las obleas de grado fotovoltaico. Los estándares más exigentes para las obleas semiconductoras aumentan tanto la complejidad de su preparación como su valor posterior en las aplicaciones.

El siguiente gráfico describe la evolución de las especificaciones de las obleas de semiconductores, que han aumentado desde las primeras obleas de 4 pulgadas (100 mm) y 6 pulgadas (150 mm) hasta las actuales obleas de 8 pulgadas (200 mm) y 12 pulgadas (300 mm).

En la preparación real de monocristales de silicio, el tamaño de la oblea varía según el tipo de aplicación y los factores de coste. Por ejemplo, los chips de memoria suelen utilizar obleas de 12 pulgadas, mientras que los dispositivos de potencia a menudo utilizan obleas de 8 pulgadas.

En resumen, la evolución del tamaño de las obleas es el resultado tanto de la Ley de Moore como de factores económicos. Un mayor tamaño de oblea permite aumentar la superficie útil de silicio bajo las mismas condiciones de procesamiento, lo que reduce los costes de producción y minimiza los residuos de los bordes de la oblea.

Como material crucial para el desarrollo tecnológico moderno, las obleas de silicio semiconductor, mediante procesos precisos como la fotolitografía y la implantación iónica, permiten la producción de diversos dispositivos electrónicos, entre ellos rectificadores de alta potencia, transistores, transistores bipolares de unión y dispositivos de conmutación. Estos dispositivos desempeñan un papel fundamental en campos como la inteligencia artificial, las comunicaciones 5G, la electrónica automotriz, el Internet de las Cosas y la industria aeroespacial, constituyendo la piedra angular del desarrollo económico nacional y la innovación tecnológica.

3. Tecnología de crecimiento de silicio monocristalino

ElMétodo Czochralski (CZ)Es un proceso eficiente para obtener material monocristalino de alta calidad a partir de la masa fundida. Propuesto por Jan Czochralski en 1917, este método también se conoce como elExtracción de cristalesmétodo.

Actualmente, el método CZ se utiliza ampliamente en la preparación de diversos materiales semiconductores. Según estadísticas incompletas, aproximadamente el 98 % de los componentes electrónicos se fabrican con silicio monocristalino, y el 85 % de estos componentes se producen mediante el método CZ.

El método CZ es el preferido por su excelente calidad cristalina, tamaño controlable, rápida velocidad de crecimiento y alta eficiencia de producción. Estas características convierten al silicio monocristalino CZ en el material idóneo para satisfacer la demanda de alta calidad y gran escala en la industria electrónica.

El principio de crecimiento del silicio monocristalino CZ es el siguiente:

El proceso CZ requiere altas temperaturas, vacío y un entorno cerrado. El equipo clave para este proceso es elhorno de crecimiento de cristales, lo cual facilita estas condiciones.

El siguiente diagrama ilustra la estructura de un horno de crecimiento de cristales.

En el proceso CZ, se coloca silicio puro en un crisol, se funde y se introduce un cristal semilla en el silicio fundido. Mediante el control preciso de parámetros como la temperatura, la velocidad de extracción y la velocidad de rotación del crisol, los átomos o moléculas en la interfaz entre el cristal semilla y el silicio fundido se reorganizan continuamente, solidificándose a medida que el sistema se enfría y formando finalmente un monocristal.

Esta técnica de crecimiento cristalino produce silicio monocristalino de alta calidad y gran diámetro con orientaciones cristalinas específicas.

El proceso de crecimiento comprende varios pasos clave, entre ellos:

1. Desmontaje y cargaRetirar el cristal y limpiar a fondo el horno y sus componentes de contaminantes como cuarzo, grafito u otras impurezas.

2. Vacío y fusiónEl sistema se evacua hasta alcanzar el vacío, seguido de la introducción de gas argón y el calentamiento de la carga de silicio.

3. Extracción de cristalesEl cristal semilla se introduce en el silicio fundido y la temperatura de la interfaz se controla cuidadosamente para asegurar una cristalización adecuada.

4. Control de hombros y diámetroA medida que el cristal crece, su diámetro se controla y ajusta cuidadosamente para garantizar un crecimiento uniforme.

5. Fin del crecimiento y apagado del hornoUna vez alcanzado el tamaño de cristal deseado, se apaga el horno y se retira el cristal.

Los pasos detallados de este proceso garantizan la creación de monocristales de alta calidad y sin defectos, adecuados para la fabricación de semiconductores.

4. Desafíos en la producción de silicio monocristalino

Uno de los principales desafíos en la producción de monocristales semiconductores de gran diámetro radica en superar los cuellos de botella técnicos durante el proceso de crecimiento, particularmente en la predicción y el control de los defectos cristalinos:

1. Calidad inconsistente del monocristal y bajo rendimientoA medida que aumenta el tamaño de los monocristales de silicio, la complejidad del entorno de crecimiento se incrementa, lo que dificulta el control de factores como los campos térmicos, de flujo y magnéticos. Esto complica la tarea de lograr una calidad constante y mayores rendimientos.

2. Proceso de control inestableEl proceso de crecimiento de monocristales de silicio semiconductor es sumamente complejo, con múltiples campos físicos que interactúan, lo que genera inestabilidad en la precisión del control y bajos rendimientos del producto. Las estrategias de control actuales se centran principalmente en las dimensiones macroscópicas del cristal, mientras que la calidad aún se ajusta mediante la experiencia manual, lo que dificulta el cumplimiento de los requisitos para la micro y nanofabricación en chips de circuitos integrados.

Para abordar estos desafíos, se necesita urgentemente el desarrollo de métodos de monitoreo y predicción en línea y en tiempo real para la calidad de los cristales, junto con mejoras en los sistemas de control para garantizar una producción estable y de alta calidad de monocristales grandes para su uso en circuitos integrados.