ภาพรวมที่ครอบคลุมของวิธีการเติบโตของซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์

ภาพรวมที่ครอบคลุมของวิธีการเติบโตของซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์

1. พื้นฐานการพัฒนาซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์

ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและความต้องการผลิตภัณฑ์อัจฉริยะประสิทธิภาพสูงที่เพิ่มขึ้น ยิ่งตอกย้ำสถานะหลักของอุตสาหกรรมวงจรรวม (IC) ในการพัฒนาประเทศ ซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์เซมิคอนดักเตอร์ซึ่งเป็นรากฐานสำคัญของอุตสาหกรรม IC มีบทบาทสำคัญในการขับเคลื่อนนวัตกรรมทางเทคโนโลยีและการเติบโตทางเศรษฐกิจ

ข้อมูลจากสมาคมอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ระหว่างประเทศ (International Semiconductor Industry Association) ระบุว่า ตลาดเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์ทั่วโลกมีมูลค่าการขายสูงถึง 1.26 หมื่นล้านดอลลาร์สหรัฐ โดยมีปริมาณการขนส่งเพิ่มขึ้นเป็น 1.42 หมื่นล้านตารางนิ้ว นอกจากนี้ ความต้องการเวเฟอร์ซิลิคอนยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง

อย่างไรก็ตาม อุตสาหกรรมเวเฟอร์ซิลิคอนทั่วโลกมีความเข้มข้นสูง โดยซัพพลายเออร์ 5 อันดับแรกครองส่วนแบ่งตลาดมากกว่า 85% ดังแสดงด้านล่าง:

• บริษัท ชินเอทสึ เคมิคอล (ประเทศญี่ปุ่น)

• ซัมโก้ (ประเทศญี่ปุ่น)

• เวเฟอร์ทั่วโลก

• ซิลโทรนิค (เยอรมนี)

• SK Siltron (เกาหลีใต้)

การผูกขาดดังกล่าวส่งผลให้จีนต้องพึ่งพาเวเฟอร์ซิลิกอนโมโนคริสตัลลีนจากต่างประเทศเป็นอย่างมาก ซึ่งกลายมาเป็นอุปสรรคสำคัญประการหนึ่งที่จำกัดการพัฒนาอุตสาหกรรมวงจรรวมของประเทศ

เพื่อเอาชนะความท้าทายในปัจจุบันในภาคการผลิตโมโนคริสตัลซิลิกอนเซมิคอนดักเตอร์ การลงทุนด้านการวิจัยและพัฒนาและการเสริมสร้างความสามารถในการผลิตในประเทศถือเป็นทางเลือกที่หลีกเลี่ยงไม่ได้

2. ภาพรวมของวัสดุซิลิกอนโมโนคริสตัลไลน์

ซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์เป็นรากฐานของอุตสาหกรรมวงจรรวม จนถึงปัจจุบัน ชิป IC และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กว่า 90% ผลิตจากซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์เป็นวัตถุดิบหลัก ความต้องการซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์ที่แพร่หลายและการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมที่หลากหลายนั้น เกิดจากปัจจัยหลายประการ ดังนี้

1. ปลอดภัยและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม:ซิลิคอนมีมากในเปลือกโลก ไม่เป็นพิษ และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

2. ฉนวนไฟฟ้า:ซิลิคอนแสดงคุณสมบัติเป็นฉนวนไฟฟ้าตามธรรมชาติ และเมื่อผ่านการอบด้วยความร้อน จะเกิดเป็นชั้นป้องกันของซิลิคอนไดออกไซด์ ซึ่งป้องกันการสูญเสียประจุไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ

3. เทคโนโลยีการเจริญเติบโตที่ครบถ้วน:ประวัติศาสตร์อันยาวนานของการพัฒนาเทคโนโลยีในกระบวนการเจริญเติบโตของซิลิกอนทำให้มีความซับซ้อนมากกว่าวัสดุเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ มาก

ปัจจัยเหล่านี้รวมกันทำให้ซิลิกอนโมโนคริสตัลไลน์ยังคงเป็นผู้นำในอุตสาหกรรม ทำให้ไม่สามารถถูกแทนที่ด้วยวัสดุอื่นได้

ในแง่ของโครงสร้างผลึก ซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์เป็นวัสดุที่ทำจากอะตอมของซิลิคอนที่เรียงตัวกันเป็นโครงตาข่ายแบบคาบ ทำให้เกิดโครงสร้างต่อเนื่อง ซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์เป็นพื้นฐานของอุตสาหกรรมการผลิตชิป

แผนภาพต่อไปนี้แสดงให้เห็นกระบวนการทั้งหมดของการเตรียมซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์:

ภาพรวมกระบวนการ:
ซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์ได้มาจากแร่ซิลิคอนผ่านกระบวนการกลั่นหลายขั้นตอน ขั้นแรกจะได้ซิลิคอนโพลีคริสตัลไลน์ ซึ่งจะถูกนำไปบ่มให้กลายเป็นแท่งซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์ในเตาหลอมผลึก หลังจากนั้น ซิลิคอนจะถูกตัด ขัด และแปรรูปเป็นแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนที่เหมาะสำหรับการผลิตชิป

โดยทั่วไปเวเฟอร์ซิลิกอนจะแบ่งออกเป็นสองประเภท:เกรดโฟโตวอลตาอิกและเกรดเซมิคอนดักเตอร์. ทั้งสองประเภทนี้แตกต่างกันหลักๆ ในเรื่องโครงสร้าง ความบริสุทธิ์ และคุณภาพพื้นผิว

• เวเฟอร์เกรดเซมิคอนดักเตอร์มีความบริสุทธิ์สูงเป็นพิเศษถึง 99.999999999% และต้องเป็นโมโนคริสตัลไลน์อย่างเคร่งครัด

• เวเฟอร์เกรดโฟโตโวลตาอิกมีความบริสุทธิ์น้อยกว่า โดยมีระดับความบริสุทธิ์ตั้งแต่ 99.99% ถึง 99.9999% และไม่มีข้อกำหนดที่เข้มงวดสำหรับคุณภาพผลึก

นอกจากนี้ เวเฟอร์เกรดเซมิคอนดักเตอร์ยังต้องการพื้นผิวที่เรียบและสะอาดกว่าเวเฟอร์เกรดโฟโตวอลตาอิก มาตรฐานที่สูงขึ้นของเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์ยิ่งเพิ่มความซับซ้อนในการเตรียมเวเฟอร์และเพิ่มมูลค่าในการใช้งาน

แผนภูมิต่อไปนี้แสดงโครงร่างวิวัฒนาการของข้อมูลจำเพาะของเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งเพิ่มขึ้นจากเวเฟอร์ขนาด 4 นิ้ว (100 มม.) และ 6 นิ้ว (150 มม.) ในยุคแรกๆ ไปเป็นเวเฟอร์ขนาด 8 นิ้ว (200 มม.) และ 12 นิ้ว (300 มม.) ในปัจจุบัน

ในการเตรียมโมโนคริสตัลซิลิคอนจริง ขนาดของเวเฟอร์จะแตกต่างกันไปตามประเภทของการใช้งานและปัจจัยด้านต้นทุน ตัวอย่างเช่น ชิปหน่วยความจำมักใช้เวเฟอร์ขนาด 12 นิ้ว ในขณะที่อุปกรณ์ไฟฟ้ามักใช้เวเฟอร์ขนาด 8 นิ้ว

โดยสรุป วิวัฒนาการของขนาดเวเฟอร์เป็นผลมาจากทั้งกฎของมัวร์และปัจจัยทางเศรษฐกิจ ขนาดเวเฟอร์ที่ใหญ่ขึ้นทำให้มีพื้นที่ซิลิคอนที่ใช้งานได้เพิ่มขึ้นภายใต้เงื่อนไขการประมวลผลเดียวกัน ซึ่งช่วยลดต้นทุนการผลิตและลดของเสียจากขอบเวเฟอร์ให้น้อยที่สุด

เวเฟอร์ซิลิคอนเซมิคอนดักเตอร์เป็นวัสดุสำคัญในการพัฒนาเทคโนโลยีสมัยใหม่ ผ่านกระบวนการอันแม่นยำ เช่น โฟโตลิโทกราฟีและการฝังไอออน ทำให้สามารถผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้หลากหลายประเภท เช่น เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้ากำลังสูง ทรานซิสเตอร์ ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์จังก์ชัน และอุปกรณ์สวิตชิ่ง อุปกรณ์เหล่านี้มีบทบาทสำคัญในสาขาต่างๆ เช่น ปัญญาประดิษฐ์ การสื่อสาร 5G อิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์ อินเทอร์เน็ตในทุกสิ่ง และการบินและอวกาศ ซึ่งเป็นรากฐานสำคัญของการพัฒนาเศรษฐกิจและนวัตกรรมทางเทคโนโลยีระดับชาติ

3. เทคโนโลยีการเจริญเติบโตของซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์

การวิธีการ Czochralski (CZ)เป็นกระบวนการที่มีประสิทธิภาพในการดึงวัสดุโมโนคริสตัลไลน์คุณภาพสูงออกจากของเหลวหลอมเหลว วิธีนี้ได้รับการเสนอโดย Jan Czochralski ในปี 1917 และเป็นที่รู้จักในชื่อการดึงคริสตัลวิธี.

ปัจจุบันวิธีการ CZ ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในการเตรียมวัสดุเซมิคอนดักเตอร์หลากหลายชนิด จากสถิติที่ยังไม่ครบถ้วน พบว่าชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ประมาณ 98% ผลิตจากซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์ โดย 85% ของชิ้นส่วนเหล่านี้ผลิตโดยใช้วิธีการ CZ

วิธีการ CZ ได้รับความนิยมเนื่องจากคุณภาพผลึกที่ยอดเยี่ยม ขนาดที่ควบคุมได้ อัตราการเติบโตที่รวดเร็ว และประสิทธิภาพการผลิตสูง คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้ซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์ CZ เป็นวัสดุที่ได้รับความนิยมในการตอบสนองความต้องการคุณภาพสูงในปริมาณมากในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์

หลักการเจริญเติบโตของซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์ CZ มีดังนี้:

กระบวนการ CZ ต้องใช้อุณหภูมิสูง สุญญากาศ และสภาพแวดล้อมแบบปิด อุปกรณ์หลักสำหรับกระบวนการนี้คือเตาเผาการเจริญเติบโตของผลึกซึ่งทำให้เงื่อนไขเหล่านี้เกิดขึ้นได้

แผนภาพต่อไปนี้แสดงให้เห็นโครงสร้างของเตาเผาการเจริญเติบโตของผลึก

ในกระบวนการ CZ ซิลิคอนบริสุทธิ์จะถูกเทลงในเบ้าหลอม หลอมเหลว และนำผลึกเมล็ดพืช (seed crystal) เข้าไปในซิลิคอนหลอมเหลว ด้วยการควบคุมพารามิเตอร์ต่างๆ อย่างแม่นยำ เช่น อุณหภูมิ อัตราการดึง และความเร็วในการหมุนของเบ้าหลอม อะตอมหรือโมเลกุลที่บริเวณรอยต่อระหว่างผลึกเมล็ดพืชและซิลิคอนหลอมเหลวจะจัดตัวใหม่อย่างต่อเนื่อง แข็งตัวเมื่อระบบเย็นตัวลง และในที่สุดก็กลายเป็นผลึกเดี่ยว

เทคนิคการเจริญเติบโตของผลึกนี้ผลิตซิลิกอนโมโนคริสตัลไลน์คุณภาพสูงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ที่มีการวางแนวผลึกที่เฉพาะเจาะจง

กระบวนการเติบโตเกี่ยวข้องกับขั้นตอนสำคัญหลายขั้นตอน ได้แก่ :

1. การถอดประกอบและการโหลด:การถอดคริสตัลออกและทำความสะอาดเตาและส่วนประกอบต่างๆ อย่างละเอียดจากสิ่งปนเปื้อน เช่น ควอตซ์ กราไฟท์ หรือสิ่งเจือปนอื่นๆ

2. การสูญญากาศและการหลอมละลาย:ระบบจะถูกอพยพไปสู่สุญญากาศ ตามด้วยการใส่ก๊าซอาร์กอนและให้ความร้อนกับประจุซิลิกอน

3. การดึงคริสตัล:ผลึกเมล็ดพันธุ์จะถูกลดระดับลงในซิลิกอนที่หลอมเหลว และอุณหภูมิของอินเทอร์เฟซจะถูกควบคุมอย่างระมัดระวังเพื่อให้แน่ใจว่าเกิดการตกผลึกอย่างเหมาะสม

4. การควบคุมไหล่และเส้นผ่านศูนย์กลาง:เมื่อคริสตัลเติบโตขึ้น เส้นผ่านศูนย์กลางของมันจะถูกตรวจสอบและปรับอย่างระมัดระวังเพื่อให้แน่ใจว่ามีการเติบโตที่สม่ำเสมอ

5. การสิ้นสุดการเจริญเติบโตและการปิดเตาเผา:เมื่อได้ขนาดคริสตัลที่ต้องการแล้ว เตาจะปิดลงและนำคริสตัลออก

ขั้นตอนโดยละเอียดในกระบวนการนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าจะได้โมโนคริสตัลคุณภาพสูง ปราศจากข้อบกพร่อง เหมาะสำหรับการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

4. ความท้าทายในการผลิตซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์

ความท้าทายหลักประการหนึ่งในการผลิตโมโนคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่อยู่ที่การเอาชนะปัญหาคอขวดทางเทคนิคระหว่างกระบวนการเจริญเติบโต โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการคาดการณ์และควบคุมข้อบกพร่องของผลึก:

1. คุณภาพโมโนคริสตัลที่ไม่สม่ำเสมอและผลผลิตต่ำ:เมื่อขนาดของโมโนคริสตัลซิลิคอนเพิ่มขึ้น ความซับซ้อนของสภาพแวดล้อมการเจริญเติบโตก็จะเพิ่มขึ้น ทำให้ยากต่อการควบคุมปัจจัยต่างๆ เช่น ความร้อน การไหล และสนามแม่เหล็ก ซึ่งทำให้การบรรลุคุณภาพที่สม่ำเสมอและผลผลิตที่สูงขึ้นมีความซับซ้อนมากขึ้น

2. กระบวนการควบคุมที่ไม่เสถียรกระบวนการเจริญเติบโตของโมโนคริสตัลซิลิคอนเซมิคอนดักเตอร์มีความซับซ้อนสูง โดยมีสนามแม่เหล็กทางกายภาพหลายสนามทำปฏิกิริยากัน ทำให้ความแม่นยำในการควบคุมไม่เสถียรและนำไปสู่ผลผลิตต่ำ กลยุทธ์การควบคุมในปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่ขนาดมหภาคของผลึกเป็นหลัก ในขณะที่คุณภาพยังคงถูกปรับตามประสบการณ์การทำงานด้วยมือ ทำให้ยากต่อการตอบสนองข้อกำหนดสำหรับการผลิตชิป IC ในระดับไมโครและนาโน

เพื่อรับมือกับความท้าทายเหล่านี้ จำเป็นต้องมีการพัฒนาวิธีการตรวจสอบและคาดการณ์คุณภาพผลึกแบบเรียลไทม์ออนไลน์อย่างเร่งด่วน ควบคู่ไปกับการปรับปรุงระบบควบคุมเพื่อให้มั่นใจถึงการผลิตโมโนคริสตัลขนาดใหญ่ที่เสถียรและมีคุณภาพสูงสำหรับใช้ในวงจรรวม