मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन वाढीच्या पद्धतींचा व्यापक आढावा

मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन वाढीच्या पद्धतींचा व्यापक आढावा

१. मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन विकासाची पार्श्वभूमी

तंत्रज्ञानातील प्रगती आणि उच्च-कार्यक्षमतेच्या स्मार्ट उत्पादनांच्या वाढत्या मागणीमुळे राष्ट्रीय विकासात एकात्मिक सर्किट (IC) उद्योगाचे मुख्य स्थान आणखी मजबूत झाले आहे. IC उद्योगाचा कोनशिला म्हणून, सेमीकंडक्टर मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन तांत्रिक नवोपक्रम आणि आर्थिक विकासाला चालना देण्यात महत्त्वाची भूमिका बजावते.

इंटरनॅशनल सेमीकंडक्टर इंडस्ट्री असोसिएशनच्या आकडेवारीनुसार, जागतिक सेमीकंडक्टर वेफर मार्केटने १२.६ अब्ज डॉलर्सची विक्री केली आहे, ज्याची शिपमेंट १४.२ अब्ज चौरस इंचांपर्यंत वाढली आहे. शिवाय, सिलिकॉन वेफर्सची मागणी सातत्याने वाढत आहे.

तथापि, जागतिक सिलिकॉन वेफर उद्योग अत्यंत केंद्रित आहे, ज्यामध्ये शीर्ष पाच पुरवठादारांचा बाजारातील ८५% पेक्षा जास्त वाटा आहे, जसे खाली दाखवले आहे:

• शिन-एत्सु केमिकल (जपान)

• सुमको (जपान)

• ग्लोबल वेफर्स

• सिल्ट्रॉनिक (जर्मनी)

• एसके सिल्ट्रॉन (दक्षिण कोरिया)

या ऑलिगोपॉलीमुळे चीन आयात केलेल्या मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन वेफर्सवर मोठ्या प्रमाणात अवलंबून आहे, जे देशाच्या एकात्मिक सर्किट उद्योगाच्या विकासात मर्यादित असलेल्या प्रमुख अडथळ्यांपैकी एक बनले आहे.

सेमीकंडक्टर सिलिकॉन मोनोक्रिस्टल उत्पादन क्षेत्रातील सध्याच्या आव्हानांवर मात करण्यासाठी, संशोधन आणि विकासात गुंतवणूक करणे आणि देशांतर्गत उत्पादन क्षमता मजबूत करणे हा एक अपरिहार्य पर्याय आहे.

२. मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन मटेरियलचा आढावा

मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन हा एकात्मिक सर्किट उद्योगाचा पाया आहे. आजपर्यंत, ९०% पेक्षा जास्त आयसी चिप्स आणि इलेक्ट्रॉनिक उपकरणे मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉनचा प्राथमिक पदार्थ म्हणून वापर करून बनवली जातात. मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉनची व्यापक मागणी आणि त्याचे विविध औद्योगिक अनुप्रयोग अनेक घटकांमुळे होऊ शकतात:

1. सुरक्षितता आणि पर्यावरणपूरक: पृथ्वीच्या कवचात सिलिकॉन मुबलक प्रमाणात आढळते, ते विषारी नाही आणि पर्यावरणास अनुकूल आहे.

2. विद्युत इन्सुलेशन: सिलिकॉन नैसर्गिकरित्या विद्युत इन्सुलेशन गुणधर्म प्रदर्शित करते आणि उष्णता उपचार केल्यावर, ते सिलिकॉन डायऑक्साइडचा एक संरक्षक थर तयार करते, जे प्रभावीपणे विद्युत चार्ज नष्ट होण्यास प्रतिबंध करते.

3. प्रौढ वाढ तंत्रज्ञान: सिलिकॉन वाढीच्या प्रक्रियेतील तांत्रिक विकासाच्या दीर्घ इतिहासामुळे ते इतर अर्धवाहक पदार्थांपेक्षा खूपच परिष्कृत बनले आहे.

हे घटक एकत्रितपणे मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉनला उद्योगात आघाडीवर ठेवतात, ज्यामुळे ते इतर पदार्थांद्वारे अपूरणीय बनते.

क्रिस्टल रचनेच्या बाबतीत, मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन हे नियतकालिक जाळीमध्ये मांडलेल्या सिलिकॉन अणूंपासून बनवलेले एक पदार्थ आहे, ज्यामुळे एक सतत रचना तयार होते. हे चिप उत्पादन उद्योगाचा आधार आहे.

खालील आकृती मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन तयार करण्याची संपूर्ण प्रक्रिया दर्शवते:

प्रक्रिया विहंगावलोकन:
मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन हे सिलिकॉन धातूपासून शुद्धीकरणाच्या अनेक टप्प्यांद्वारे मिळवले जाते. प्रथम, पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन मिळवले जाते, जे नंतर क्रिस्टल ग्रोथ फर्नेसमध्ये मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन पिंडात वाढवले ​​जाते. त्यानंतर, ते कापले जाते, पॉलिश केले जाते आणि चिप उत्पादनासाठी योग्य असलेल्या सिलिकॉन वेफर्समध्ये प्रक्रिया केली जाते.

सिलिकॉन वेफर्स सामान्यतः दोन श्रेणींमध्ये विभागले जातात:फोटोव्होल्टेइक-ग्रेडआणिअर्धवाहक-ग्रेडहे दोन्ही प्रकार प्रामुख्याने त्यांच्या रचना, शुद्धता आणि पृष्ठभागाच्या गुणवत्तेत भिन्न आहेत.

• सेमीकंडक्टर-ग्रेड वेफर्सत्यांची शुद्धता 99.999999999% पर्यंत अपवादात्मकपणे उच्च आहे आणि ते मोनोक्रिस्टलाइन असणे आवश्यक आहे.

• फोटोव्होल्टेइक-ग्रेड वेफर्सकमी शुद्ध आहेत, शुद्धतेचे स्तर ९९.९९% ते ९९.९९९९% पर्यंत आहेत आणि क्रिस्टल गुणवत्तेसाठी अशा कठोर आवश्यकता नाहीत.

याव्यतिरिक्त, सेमीकंडक्टर-ग्रेड वेफर्सना फोटोव्होल्टेइक-ग्रेड वेफर्सपेक्षा जास्त पृष्ठभागाची गुळगुळीतता आणि स्वच्छता आवश्यक असते. सेमीकंडक्टर वेफर्ससाठी उच्च मानके त्यांच्या तयारीची जटिलता आणि अनुप्रयोगांमध्ये त्यांचे त्यानंतरचे मूल्य दोन्ही वाढवतात.

खालील चार्टमध्ये सेमीकंडक्टर वेफर स्पेसिफिकेशन्सच्या उत्क्रांतीची रूपरेषा दिली आहे, जी सुरुवातीच्या ४-इंच (१०० मिमी) आणि ६-इंच (१५० मिमी) वेफर्सपासून सध्याच्या ८-इंच (२०० मिमी) आणि १२-इंच (३०० मिमी) वेफर्सपर्यंत वाढली आहे.

प्रत्यक्ष सिलिकॉन मोनोक्रिस्टल तयारीमध्ये, वेफरचा आकार अनुप्रयोग प्रकार आणि खर्च घटकांवर आधारित बदलतो. उदाहरणार्थ, मेमरी चिप्स सामान्यतः १२-इंच वेफर वापरतात, तर पॉवर डिव्हाइसेस बहुतेकदा ८-इंच वेफर वापरतात.

थोडक्यात, वेफर आकाराची उत्क्रांती ही मूरच्या नियम आणि आर्थिक घटकांचा परिणाम आहे. मोठ्या वेफर आकारामुळे समान प्रक्रिया परिस्थितीत अधिक वापरण्यायोग्य सिलिकॉन क्षेत्राची वाढ होण्यास मदत होते, ज्यामुळे उत्पादन खर्च कमी होतो आणि वेफरच्या कडांमधून होणारा कचरा कमी होतो.

आधुनिक तांत्रिक विकासात एक महत्त्वाची सामग्री म्हणून, सेमीकंडक्टर सिलिकॉन वेफर्स, फोटोलिथोग्राफी आणि आयन इम्प्लांटेशन सारख्या अचूक प्रक्रियांद्वारे, उच्च-शक्तीचे रेक्टिफायर्स, ट्रान्झिस्टर, बायपोलर जंक्शन ट्रान्झिस्टर आणि स्विचिंग डिव्हाइसेससह विविध इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांचे उत्पादन सक्षम करतात. ही उपकरणे कृत्रिम बुद्धिमत्ता, 5G कम्युनिकेशन्स, ऑटोमोटिव्ह इलेक्ट्रॉनिक्स, इंटरनेट ऑफ थिंग्ज आणि एरोस्पेस सारख्या क्षेत्रात महत्त्वाची भूमिका बजावतात, ज्यामुळे राष्ट्रीय आर्थिक विकास आणि तांत्रिक नवोपक्रमाचा आधारस्तंभ तयार होतो.

३. मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन ग्रोथ टेक्नॉलॉजी

दझोक्राल्स्की (CZ) पद्धतवितळलेल्या पदार्थातून उच्च-गुणवत्तेचे मोनोक्रिस्टलाइन पदार्थ काढण्यासाठी ही एक कार्यक्षम प्रक्रिया आहे. १९१७ मध्ये जान झोक्राल्स्की यांनी प्रस्तावित केलेली ही पद्धत म्हणूनही ओळखली जाते.क्रिस्टल पुलिंगपद्धत.

सध्या, विविध अर्धवाहक पदार्थ तयार करण्यासाठी CZ पद्धत मोठ्या प्रमाणावर वापरली जाते. अपूर्ण आकडेवारीनुसार, सुमारे 98% इलेक्ट्रॉनिक घटक मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉनपासून बनवले जातात, त्यापैकी 85% घटक CZ पद्धती वापरून तयार केले जातात.

उत्कृष्ट क्रिस्टल गुणवत्ता, नियंत्रणीय आकार, जलद वाढीचा दर आणि उच्च उत्पादन कार्यक्षमता यामुळे CZ पद्धत पसंत केली जाते. या वैशिष्ट्यांमुळे इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योगात उच्च-गुणवत्तेची, मोठ्या प्रमाणात मागणी पूर्ण करण्यासाठी CZ मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉनला पसंतीचे साहित्य बनवले जाते.

CZ मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉनचे वाढीचे तत्व खालीलप्रमाणे आहे:

CZ प्रक्रियेसाठी उच्च तापमान, व्हॅक्यूम आणि बंद वातावरण आवश्यक असते. या प्रक्रियेसाठी प्रमुख उपकरणे म्हणजेक्रिस्टल ग्रोथ फर्नेस, जे या परिस्थिती सुलभ करते.

खालील आकृती क्रिस्टल ग्रोथ फर्नेसची रचना दर्शवते.

CZ प्रक्रियेत, शुद्ध सिलिकॉन क्रूसिबलमध्ये ठेवले जाते, वितळवले जाते आणि वितळलेल्या सिलिकॉनमध्ये एक बीज क्रिस्टल आणले जाते. तापमान, पुल रेट आणि क्रूसिबल रोटेशन गती यासारख्या पॅरामीटर्सचे अचूक नियंत्रण करून, बीज क्रिस्टल आणि वितळलेल्या सिलिकॉनच्या इंटरफेसवरील अणू किंवा रेणू सतत पुनर्रचना करतात, सिस्टम थंड होताना घन होतात आणि शेवटी एकच क्रिस्टल तयार करतात.

या क्रिस्टल ग्रोथ तंत्रामुळे विशिष्ट क्रिस्टल ओरिएंटेशनसह उच्च-गुणवत्तेचे, मोठ्या व्यासाचे मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन तयार होते.

वाढीच्या प्रक्रियेत अनेक प्रमुख टप्पे समाविष्ट आहेत, ज्यात समाविष्ट आहेतः

1. वेगळे करणे आणि लोड करणे: क्रिस्टल काढून टाकणे आणि क्वार्ट्ज, ग्रेफाइट किंवा इतर अशुद्धींसारख्या दूषित पदार्थांपासून भट्टी आणि घटक पूर्णपणे स्वच्छ करणे.

2. व्हॅक्यूम आणि वितळणे: प्रणालीला व्हॅक्यूममध्ये रिकामे केले जाते, त्यानंतर आर्गॉन वायूचा परिचय होतो आणि सिलिकॉन चार्ज गरम केला जातो.

3. क्रिस्टल पुलिंग: बियाण्याचे स्फटिक वितळलेल्या सिलिकॉनमध्ये खाली आणले जाते आणि योग्य स्फटिकीकरण सुनिश्चित करण्यासाठी इंटरफेस तापमान काळजीपूर्वक नियंत्रित केले जाते.

4. खांदे आणि व्यास नियंत्रण: क्रिस्टल वाढत असताना, त्याचा व्यास काळजीपूर्वक नियंत्रित केला जातो आणि एकसमान वाढ सुनिश्चित करण्यासाठी समायोजित केला जातो.

5. वाढीचा शेवट आणि भट्टी बंद: इच्छित क्रिस्टल आकार गाठल्यानंतर, भट्टी बंद केली जाते आणि क्रिस्टल काढून टाकले जाते.

या प्रक्रियेतील तपशीलवार पायऱ्या अर्धवाहक उत्पादनासाठी योग्य उच्च-गुणवत्तेचे, दोष-मुक्त मोनोक्रिस्टल्सची निर्मिती सुनिश्चित करतात.

४. मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन उत्पादनातील आव्हाने

मोठ्या व्यासाचे अर्धसंवाहक मोनोक्रिस्टल्स तयार करण्यातील मुख्य आव्हानांपैकी एक म्हणजे वाढीच्या प्रक्रियेदरम्यान येणाऱ्या तांत्रिक अडथळ्यांवर मात करणे, विशेषतः क्रिस्टल दोषांचा अंदाज लावणे आणि नियंत्रित करणे:

1. विसंगत मोनोक्रिस्टल गुणवत्ता आणि कमी उत्पन्न: सिलिकॉन मोनोक्रिस्टल्सचा आकार वाढत असताना, वाढीच्या वातावरणाची जटिलता वाढते, ज्यामुळे थर्मल, फ्लो आणि मॅग्नेटिक फील्ड सारख्या घटकांवर नियंत्रण ठेवणे कठीण होते. यामुळे सातत्यपूर्ण गुणवत्ता आणि उच्च उत्पन्न मिळविण्याचे काम गुंतागुंतीचे होते.

2. अस्थिर नियंत्रण प्रक्रिया: सेमीकंडक्टर सिलिकॉन मोनोक्रिस्टल्सची वाढ प्रक्रिया अत्यंत गुंतागुंतीची आहे, ज्यामध्ये अनेक भौतिक क्षेत्रे परस्परसंवाद करतात, ज्यामुळे नियंत्रण अचूकता अस्थिर होते आणि उत्पादनाचे उत्पादन कमी होते. सध्याच्या नियंत्रण धोरणांमध्ये प्रामुख्याने क्रिस्टलच्या मॅक्रोस्कोपिक आयामांवर लक्ष केंद्रित केले जाते, तर गुणवत्ता अजूनही मॅन्युअल अनुभवाच्या आधारे समायोजित केली जाते, ज्यामुळे आयसी चिप्समध्ये सूक्ष्म आणि नॅनो फॅब्रिकेशनच्या आवश्यकता पूर्ण करणे कठीण होते.

या आव्हानांना तोंड देण्यासाठी, एकात्मिक सर्किटमध्ये वापरण्यासाठी मोठ्या मोनोक्रिस्टल्सचे स्थिर, उच्च-गुणवत्तेचे उत्पादन सुनिश्चित करण्यासाठी नियंत्रण प्रणालींमध्ये सुधारणांसह, क्रिस्टल गुणवत्तेसाठी रिअल-टाइम, ऑनलाइन देखरेख आणि अंदाज पद्धतींचा विकास तातडीने आवश्यक आहे.