การผลิตซิลิกอนโมโนคริสตัลไลน์

ซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์เป็นวัสดุพื้นฐานที่ใช้ในการผลิตวงจรรวมขนาดใหญ่ ชิป และเซลล์แสงอาทิตย์ ในฐานะที่เป็นฐานดั้งเดิมสำหรับอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ ชิปที่ใช้ซิลิคอนยังคงเป็นรากฐานสำคัญของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ การเติบโตของซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์โดยเฉพาะอย่างยิ่งจากสถานะหลอมเหลว มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรับรองคริสตัลคุณภาพสูงที่ปราศจากข้อบกพร่อง ซึ่งตอบสนองความต้องการที่เข้มงวดของอุตสาหกรรม เช่น อิเล็กทรอนิกส์และแผงเซลล์แสงอาทิตย์ มีการใช้เทคนิคหลายอย่างในการทำให้ผลึกเดี่ยวเติบโตจากสถานะหลอมเหลว โดยแต่ละเทคนิคมีข้อดีและการใช้งานเฉพาะของตัวเอง วิธีการหลักสามวิธีที่ใช้ในการผลิตซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์คือวิธี Czochralski (CZ), วิธี Kyropoulos และวิธี Float Zone (FZ)

1. วิธี Czochralski (CZ)

วิธี Czochralski เป็นหนึ่งในกระบวนการที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการเจริญเติบโตซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์จากสถานะหลอมเหลว วิธีนี้เกี่ยวข้องกับการหมุนและดึงผลึกเมล็ดจากการหลอมเหลวของซิลิคอนภายใต้สภาวะอุณหภูมิที่ควบคุม เมื่อผลึกเมล็ดค่อยๆ ยกขึ้น มันจะดึงอะตอมของซิลิคอนจากการหลอมละลาย ซึ่งจัดเรียงตัวเป็นโครงสร้างผลึกเดี่ยวที่ตรงกับการวางแนวของผลึกเมล็ด

ข้อดีของวิธี Czochralski:

คริสตัลคุณภาพสูง: วิธี Czochralski ช่วยให้คริสตัลคุณภาพสูงเติบโตอย่างรวดเร็ว สามารถตรวจสอบกระบวนการได้อย่างต่อเนื่อง ช่วยให้สามารถปรับแบบเรียลไทม์เพื่อให้มั่นใจว่าการเติบโตของคริสตัลเหมาะสมที่สุด

ความเครียดต่ำและข้อบกพร่องน้อยที่สุด: ในระหว่างกระบวนการเติบโต คริสตัลจะไม่สัมผัสโดยตรงกับเบ้าหลอม ช่วยลดความเครียดภายใน และหลีกเลี่ยงการเกิดนิวเคลียสที่ไม่พึงประสงค์บนผนังเบ้าหลอม

ความหนาแน่นของข้อบกพร่องที่ปรับได้: ด้วยการปรับพารามิเตอร์การเติบโตอย่างละเอียด ความหนาแน่นของการเคลื่อนที่ในคริสตัลจะลดลง ส่งผลให้ได้ผลึกที่สมบูรณ์และสม่ำเสมอในระดับสูง

รูปแบบพื้นฐานของวิธี Czochralski ได้รับการแก้ไขเมื่อเวลาผ่านไปเพื่อแก้ไขข้อจำกัดบางประการ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเกี่ยวกับขนาดของผลึก โดยทั่วไปวิธี CZ แบบดั้งเดิมนั้นจำกัดไว้เพียงการผลิตคริสตัลที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 51 ถึง 76 มม. เพื่อเอาชนะข้อจำกัดนี้และขยายผลึกให้ใหญ่ขึ้น จึงได้มีการพัฒนาเทคนิคขั้นสูงหลายอย่าง เช่น วิธี Liquid Encapsulated Czochralski (LEC) และวิธี Guided Mold

วิธี Czochralski แบบห่อหุ้มของเหลว (LEC): เทคนิคที่ได้รับการดัดแปลงนี้ได้รับการพัฒนาเพื่อขยายผลึกเซมิคอนดักเตอร์สารประกอบ III-V ที่ระเหยได้ การห่อหุ้มของเหลวช่วยควบคุมองค์ประกอบที่ระเหยได้ในระหว่างกระบวนการเติบโต ทำให้ได้ผลึกสารประกอบคุณภาพสูง

วิธีการทำแม่พิมพ์แบบนำทาง: เทคนิคนี้มีข้อดีหลายประการ เช่น ความเร็วการเติบโตที่รวดเร็วขึ้น และการควบคุมขนาดคริสตัลได้อย่างแม่นยำ มีประสิทธิภาพด้านพลังงาน คุ้มค่า และสามารถผลิตโครงสร้างโมโนคริสตัลไลน์ขนาดใหญ่ที่มีรูปร่างซับซ้อนได้

2. วิธีไคโรปูลอส

วิธี Kyropoulos คล้ายกับวิธี Czochralski เป็นอีกเทคนิคหนึ่งในการเติบโตซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์- อย่างไรก็ตาม วิธีการไคโรปูลอสอาศัยการควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำเพื่อให้เกิดการเติบโตของผลึก กระบวนการนี้เริ่มต้นด้วยการก่อตัวของผลึกเมล็ดในการหลอมเหลว และอุณหภูมิจะค่อยๆ ลดลง ทำให้ผลึกเติบโตขึ้น

ข้อดีของวิธีไคโรปูลอส:

คริสตัลขนาดใหญ่: ประโยชน์หลักประการหนึ่งของวิธีไคโรปูลอสคือความสามารถในการผลิตผลึกซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์ที่มีขนาดใหญ่ขึ้น วิธีนี้สามารถเพาะผลึกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเกิน 100 มม. ทำให้เป็นทางเลือกที่ดีสำหรับการใช้งานที่ต้องการผลึกขนาดใหญ่

การเติบโตที่เร็วขึ้น: วิธี Kyropoulos ขึ้นชื่อในเรื่องความเร็วการเติบโตของผลึกที่ค่อนข้างเร็วเมื่อเปรียบเทียบกับวิธีอื่น

ความเครียดและข้อบกพร่องต่ำ: กระบวนการเจริญเติบโตมีลักษณะเฉพาะคือความเครียดภายในต่ำและมีข้อบกพร่องน้อยลง ส่งผลให้ได้ผลึกคุณภาพสูง

การเติบโตของคริสตัลแบบทิศทาง: วิธี Kyropoulos ช่วยให้สามารถควบคุมการเติบโตของผลึกที่เรียงตัวในทิศทางได้ ซึ่งเป็นประโยชน์สำหรับการใช้งานทางอิเล็กทรอนิกส์บางอย่าง

เพื่อให้ได้ผลึกคุณภาพสูงโดยใช้วิธี Kyropoulos จะต้องจัดการพารามิเตอร์ที่สำคัญ 2 ตัวอย่างระมัดระวัง: การไล่ระดับอุณหภูมิและการวางแนวการเติบโตของคริสตัล การควบคุมพารามิเตอร์เหล่านี้อย่างเหมาะสมช่วยให้มั่นใจได้ถึงการก่อตัวของผลึกซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์ขนาดใหญ่ที่ปราศจากข้อบกพร่อง

3. วิธีโฟลตโซน (FZ)

วิธี Float Zone (FZ) ต่างจากวิธี Czochralski และ Kyropoulos ตรงที่ไม่ต้องอาศัยถ้วยใส่ตัวอย่างเพื่อบรรจุซิลิคอนหลอมเหลว แต่วิธีนี้ใช้หลักการของการละลายและการแยกโซนเพื่อทำให้ซิลิคอนบริสุทธิ์และเติบโตเป็นผลึก กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับแท่งซิลิกอนที่ถูกสัมผัสกับโซนความร้อนเฉพาะที่ซึ่งเคลื่อนที่ไปตามแท่ง ทำให้ซิลิคอนละลายและแข็งตัวอีกครั้งในรูปแบบผลึกในขณะที่โซนดำเนินไป เทคนิคนี้สามารถดำเนินการได้ทั้งแนวนอนหรือแนวตั้ง โดยรูปแบบแนวตั้งจะพบได้ทั่วไปมากกว่าและเรียกว่าวิธีโซนลอยตัว

เดิมทีวิธี FZ ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อการทำให้วัสดุบริสุทธิ์โดยใช้หลักการแยกตัวถูกละลาย วิธีนี้สามารถผลิตซิลิคอนบริสุทธิ์พิเศษที่มีระดับสิ่งเจือปนต่ำมาก ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานเซมิคอนดักเตอร์ที่จำเป็นต้องใช้วัสดุที่มีความบริสุทธิ์สูง

ข้อดีของวิธีโฟลตโซน:

ความบริสุทธิ์สูง: เนื่องจากซิลิคอนละลายไม่ได้สัมผัสกับเบ้าหลอม วิธี Float Zone จึงลดการปนเปื้อนได้อย่างมาก ส่งผลให้ได้ผลึกซิลิคอนบริสุทธิ์พิเศษ

ไม่มีการสัมผัสของถ้วยใส่ตัวอย่าง: การไม่มีการสัมผัสกับถ้วยใส่ตัวอย่างหมายความว่าคริสตัลปราศจากสิ่งเจือปนที่เกิดจากวัสดุบรรจุภัณฑ์ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่มีความบริสุทธิ์สูง

การทำให้แข็งตัวตามทิศทาง: วิธี Float Zone ช่วยให้สามารถควบคุมกระบวนการแข็งตัวได้อย่างแม่นยำ ทำให้มั่นใจได้ถึงการก่อตัวของผลึกคุณภาพสูงและมีข้อบกพร่องน้อยที่สุด

บทสรุป

ซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์การผลิตเป็นกระบวนการสำคัญในการผลิตวัสดุคุณภาพสูงที่ใช้ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์และเซลล์แสงอาทิตย์ วิธีการ Czochralski, Kyropoulos และ Float Zone แต่ละวิธีมีข้อได้เปรียบเฉพาะตัว ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดเฉพาะของการใช้งาน เช่น ขนาดคริสตัล ความบริสุทธิ์ และความเร็วการเติบโต ในขณะที่เทคโนโลยีก้าวหน้าอย่างต่อเนื่อง การปรับปรุงเทคนิคการเติบโตของคริสตัลเหล่านี้จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของอุปกรณ์ที่ใช้ซิลิกอนในสาขาเทคโนโลยีขั้นสูงต่างๆ

---

Semicorex นำเสนอคุณภาพสูงชิ้นส่วนกราไฟท์สำหรับกระบวนการเจริญเติบโตของคริสตัล หากคุณมีข้อสงสัยหรือต้องการรายละเอียดเพิ่มเติม โปรดอย่าลังเลที่จะติดต่อเรา

โทรศัพท์ติดต่อ # +86-13567891907

อีเมล์: sales@semicorex.com