Blog Ayrıntıları

1. Arka Plan ve Sektör Bağlamı

Hızlı teknolojik ilerleme ve yüksek verimli akıllı ürünlere yönelik artan talep, entegre devre (IC) endüstrisini ulusal kalkınmanın stratejik bir direği olarak daha da sağlamlaştırdı. IC ekosisteminin temeli olarak, yarı iletken sınıfı monokristal silisyum, hem teknolojik yeniliğin hem de ekonomik büyümenin merkezinde yer almaktadır.

Uluslararası Yarı İletken Endüstrisi Birliği'ne göre, küresel silikon gofret pazarı $12,6 milyar satış kaydetti ve sevkiyatlar 14,2 milyar inç kareye ulaştı. Talep istikrarlı bir şekilde artmaya devam ediyor.

Sektör oldukça yoğunlaşmıştır: ilk beş tedarikçi, küresel pazar payının %85'inden fazlasını oluşturmaktadır—Shin-Etsu Chemical (Japonya), SUMCO (Japonya), GlobalWafers, Siltronic (Almanya), ve SK Siltron (Güney Kore)—bu da Çin'in ithal monokristal silikon gofretlere olan yüksek bağımlılığının altını çizmektedir. Bu bağımlılık, ülkenin IC gelişimini kısıtlayan önemli bir darboğazdır. Bu nedenle, yerli Ar-Ge ve üretim kapasitesini güçlendirmek zorunludur.

2. Monokristal Silisyum: Malzemeye Genel Bakış

Monokristal silisyum, modern mikroelektroniğin temelini oluşturur; IC çip ve elektronik cihazların %90'ından fazlası silisyum üzerine üretilmektedir. Hakimiyeti birkaç özelliğinden kaynaklanmaktadır:

• Bol ve Çevresel Güvenlik: Silisyum, Dünya'nın kabuğunda bol miktarda bulunur, toksik değildir ve çevre dostudur.

• Elektriksel Yalıtım ve Doğal Oksit: Silisyum doğal olarak elektriksel yalıtım sağlar; termal oksidasyon üzerine SiO₂, şarj kaybını önleyen yüksek kaliteli bir dielektrik oluşturur.

• Olgun Üretim Altyapısı: Onlarca yıllık süreç geliştirme, derinlemesine rafine edilmiş, ölçeklenebilir bir büyüme ve gofret imalat ekosistemi üretmiştir.

Yapısal olarak, monokristal silisyum, silisyum atomlarının sürekli, periyodik bir kafesidir—çip yapımı için temel bir substrattır.

Proses akışı (üst düzey): Silisyum cevheri, daha sonra eritilen ve bir kristal büyüme fırınında monokristal bir külçe halinde büyütülen polikristal silisyum üretmek için rafine edilir. Külçe dilimlenir, laplanır, parlatılır ve yarı iletken işleme için gofret elde etmek üzere temizlenir.

Gofret sınıfları:

• Yarı iletken sınıfı: Ultra yüksek saflıkta ( %99,999999999, “11 dokuzlu”) ve sıkı bir şekilde monokristal, kristal kalitesi ve yüzey temizliği konusunda katı gereksinimlere sahiptir.

• Fotovoltaik sınıfı: Daha düşük saflıkta ( %99,99–99,9999%) ve daha az talepkar kristal kalitesi ve yüzey özellikleri.

Yarı iletken sınıfı gofretler ayrıca üstün düzlük, yüzey pürüzsüzlüğü ve temizlik gerektirir, bu da hem proses karmaşıklığını hem de son kullanım değerini artırır.

Çap evrimi ve ekonomi: Sektör standartları 4 inç (100 mm) ve 6 inç (150 mm) 'den 8 inç (200 mm) ve 12 inç (300 mm) gofretlere ilerlemiştir. Daha büyük çaplar, proses başına daha fazla kullanılabilir kalıp alanı sağlar, maliyet verimliliğini artırır ve kenar kayıplarını azaltır—Moore Yasası ve üretim ekonomisi tarafından yönlendirilen bir evrim. Uygulamada, gofret boyutu uygulamaya ve maliyete göre eşleştirilir: örneğin, bellek genellikle 300 mm kullanırken, birçok güç cihazı 200 mm üzerinde kalır.

Hassas prosesler—fotolitografi, iyon implantasyonu, aşındırma, biriktirme ve termal işlemler—aracılığıyla silikon gofretler, geniş bir cihaz yelpazesini mümkün kılar: yapay zeka, 5G, otomotiv elektroniği, IoT ve havacılık—ekonomik büyüme ve inovasyonun temel motorları için yüksek güçlü doğrultucular, MOSFET'ler, BJT'ler ve anahtarlama bileşenleri.

3. Monokristal Silisyum Büyüme Teknolojisi

Czochralski (CZ) Yöntemi

Tarafından önerildi Jan Czochralski 1917'de, CZ (kristal çekme) yöntemi, eriyikten büyük, yüksek kaliteli tek kristaller üretir. Günümüzde silisyum için baskın yaklaşımdır: elektronik bileşenlerin yaklaşık %98'i silisyum bazlıdır ve bunların ~%85'i CZ ile büyütülmüş gofretlere dayanır. CZ, kristal kalitesi, kontrol edilebilir çapı, nispeten hızlı büyüme oranları ve yüksek verimi nedeniyle tercih edilir.

Prensip ve ekipman: CZ prosesi, bir kristal büyüme fırını içinde vakum/inert koşullarda yüksek sıcaklıkta çalışır. Polikristal silisyum bir potaya yüklenir ve eritilir. Bir tohum kristali eriyik yüzeyiyle temas eder; sıcaklığı, çekme hızını ve hem tohumun hem de potanın dönüşünü hassas bir şekilde kontrol ederek, eriyik–katı arayüzündeki atomlar istenen yönelim ve çapta tek bir kristal halinde katılaşır.

Tipik proses aşamaları:

1. Alet Hazırlama ve Yükleme: Fırını sökün, temizleyin ve yeniden yükleyin; kuvars, grafit ve diğer bileşenlerden kirleticileri giderin.

2. Pompalama, Geri Doldurma ve Eritme: Vakuma tahliye edin, argon uygulayın ve silisyum yükünü tamamen eritmek için ısıtın.

3. Tohumlama ve İlk Büyüme: Tohumu eriyiğe indirin ve kararlı bir katı–sıvı arayüzü oluşturun.

4. Omuzlama ve Çap Kontrolü: Hedef çapa genişletin ve sıcaklık ve çekme hızı geri bildirimi aracılığıyla sıkı kontrol sağlayın.

5. Sabit Çekme: Belirlenen çapta düzgün büyümeyi sürdürün.

6. Sonlandırma ve Soğutma: Kristali tamamlayın, kapatın ve külçeyi boşaltın.

Doğru bir şekilde uygulandığında, CZ yöntemi, gelişmiş yarı iletken üretimi için uygun, büyük çaplı, düşük kusurlu monokristal silisyum üretir.

4. Üretim Zorlukları ve Yönleri

Kristal mükemmelliğini korurken daha büyük çaplara ölçeklendirmek, özellikle kusur tahmini ve kontrolü konusunda önemli zorluklar oluşturmaktadır:

• Kalite Değişkenliği ve Verim Kaybı: Çap arttıkça, fırın içindeki termal, akış ve manyetik alanlar daha karmaşık hale gelir. Bu birleşik çoklu fizik etkilerini yönetmek zordur, bu da kristal kalitesinde tutarsızlıklara ve daha düşük verimlere yol açar.

• Kontrol Sistemi Sınırlamaları: Mevcut stratejiler makroskopik parametreleri (örneğin, çap, çekme hızı) vurgulamaktadır. İnce ölçekli kusur kontrolü hala büyük ölçüde insan uzmanlığına bağlıdır ve bu, mikro/nano ölçekli IC gereksinimleri için giderek yetersiz kalmaktadır.