మోనోక్రిస్టలైన్ సిలికాన్ గ్రోత్ పద్ధతుల యొక్క సమగ్ర అవలోకనం

మోనోక్రిస్టలైన్ సిలికాన్ గ్రోత్ పద్ధతుల యొక్క సమగ్ర అవలోకనం

1. మోనోక్రిస్టలైన్ సిలికాన్ అభివృద్ధి నేపథ్యం

సాంకేతికత అభివృద్ధి మరియు అధిక సామర్థ్యం గల స్మార్ట్ ఉత్పత్తులకు పెరుగుతున్న డిమాండ్ జాతీయ అభివృద్ధిలో ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్ (IC) పరిశ్రమ యొక్క ప్రధాన స్థానాన్ని మరింత పటిష్టం చేశాయి. IC పరిశ్రమకు మూలస్తంభంగా, సెమీకండక్టర్ మోనోక్రిస్టలైన్ సిలికాన్ సాంకేతిక ఆవిష్కరణ మరియు ఆర్థిక వృద్ధిని నడిపించడంలో కీలక పాత్ర పోషిస్తుంది.

అంతర్జాతీయ సెమీకండక్టర్ ఇండస్ట్రీ అసోసియేషన్ డేటా ప్రకారం, ప్రపంచ సెమీకండక్టర్ వేఫర్ మార్కెట్ అమ్మకాల సంఖ్య $12.6 బిలియన్లకు చేరుకుంది, ఎగుమతులు 14.2 బిలియన్ చదరపు అంగుళాలకు పెరిగాయి. అంతేకాకుండా, సిలికాన్ వేఫర్‌లకు డిమాండ్ క్రమంగా పెరుగుతూనే ఉంది.

అయితే, ప్రపంచ సిలికాన్ వేఫర్ పరిశ్రమ అత్యంత కేంద్రీకృతమై ఉంది, దిగువ చూపిన విధంగా అగ్ర ఐదు సరఫరాదారులు మార్కెట్ వాటాలో 85% కంటే ఎక్కువ ఆధిపత్యం చెలాయిస్తున్నారు:

• షిన్-ఎట్సు కెమికల్ (జపాన్)

• సుమ్కో (జపాన్)

• గ్లోబల్ వేఫర్లు

• సిల్ట్రానిక్ (జర్మనీ)

• SK సిల్ట్రాన్ (దక్షిణ కొరియా)

ఈ ఒలిగోపోలీ ఫలితంగా చైనా దిగుమతి చేసుకున్న మోనోక్రిస్టలైన్ సిలికాన్ వేఫర్‌లపై ఎక్కువగా ఆధారపడటం జరుగుతుంది, ఇది దేశ ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్ పరిశ్రమ అభివృద్ధిని పరిమితం చేసే కీలకమైన అడ్డంకులలో ఒకటిగా మారింది.

సెమీకండక్టర్ సిలికాన్ మోనోక్రిస్టల్ తయారీ రంగంలో ప్రస్తుత సవాళ్లను అధిగమించడానికి, పరిశోధన మరియు అభివృద్ధిలో పెట్టుబడి పెట్టడం మరియు దేశీయ ఉత్పత్తి సామర్థ్యాలను బలోపేతం చేయడం అనివార్యమైన ఎంపిక.

2. మోనోక్రిస్టలైన్ సిలికాన్ పదార్థం యొక్క అవలోకనం

మోనోక్రిస్టలైన్ సిలికాన్ అనేది ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్ పరిశ్రమకు పునాది. ఈ రోజు వరకు, 90% కంటే ఎక్కువ IC చిప్‌లు మరియు ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాలు మోనోక్రిస్టలైన్ సిలికాన్‌ను ప్రాథమిక పదార్థంగా ఉపయోగించి తయారు చేయబడ్డాయి. మోనోక్రిస్టలైన్ సిలికాన్ మరియు దాని వైవిధ్యమైన పారిశ్రామిక అనువర్తనాలకు విస్తృత డిమాండ్ అనేక కారణాల వల్ల సంభవించవచ్చు:

1. భద్రత మరియు పర్యావరణ అనుకూలమైనది: భూమి పొరల్లో సిలికాన్ సమృద్ధిగా ఉంటుంది, విషపూరితం కాదు మరియు పర్యావరణ అనుకూలమైనది.

2. విద్యుత్ ఇన్సులేషన్: సిలికాన్ సహజంగా విద్యుత్ ఇన్సులేషన్ లక్షణాలను ప్రదర్శిస్తుంది మరియు వేడి చికిత్సపై, ఇది సిలికాన్ డయాక్సైడ్ యొక్క రక్షిత పొరను ఏర్పరుస్తుంది, ఇది విద్యుత్ ఛార్జ్ నష్టాన్ని సమర్థవంతంగా నిరోధిస్తుంది.

3. పరిపక్వ పెరుగుదల సాంకేతికత: సిలికాన్ వృద్ధి ప్రక్రియలలో సాంకేతిక అభివృద్ధి యొక్క సుదీర్ఘ చరిత్ర ఇతర సెమీకండక్టర్ పదార్థాల కంటే దీనిని చాలా అధునాతనంగా చేసింది.

ఈ కారకాలు కలిసి మోనోక్రిస్టలైన్ సిలికాన్‌ను పరిశ్రమలో ముందంజలో ఉంచుతాయి, ఇది ఇతర పదార్థాలకు భర్తీ చేయలేనిదిగా చేస్తుంది.

స్ఫటిక నిర్మాణం పరంగా, మోనోక్రిస్టలైన్ సిలికాన్ అనేది ఒక ఆవర్తన లాటిస్‌లో అమర్చబడిన సిలికాన్ అణువుల నుండి తయారైన పదార్థం, ఇది నిరంతర నిర్మాణాన్ని ఏర్పరుస్తుంది. ఇది చిప్ తయారీ పరిశ్రమకు ఆధారం.

కింది రేఖాచిత్రం మోనోక్రిస్టలైన్ సిలికాన్ తయారీ యొక్క పూర్తి ప్రక్రియను వివరిస్తుంది:

ప్రక్రియ అవలోకనం:
మోనోక్రిస్టలైన్ సిలికాన్‌ను సిలికాన్ ఖనిజం నుండి అనేక శుద్ధి దశల ద్వారా పొందవచ్చు. ముందుగా, పాలీక్రిస్టలైన్ సిలికాన్‌ను పొందవచ్చు, తరువాత దీనిని క్రిస్టల్ గ్రోత్ ఫర్నేస్‌లో మోనోక్రిస్టలైన్ సిలికాన్ ఇంగోట్‌గా పెంచుతారు. తరువాత, దీనిని కత్తిరించి, పాలిష్ చేసి, చిప్ తయారీకి అనువైన సిలికాన్ వేఫర్‌లుగా ప్రాసెస్ చేస్తారు.

సిలికాన్ పొరలను సాధారణంగా రెండు వర్గాలుగా విభజించారు:కాంతివిపీడన గ్రేడ్మరియుసెమీకండక్టర్-గ్రేడ్ఈ రెండు రకాలు ప్రధానంగా వాటి నిర్మాణం, స్వచ్ఛత మరియు ఉపరితల నాణ్యతలో విభిన్నంగా ఉంటాయి.

• సెమీకండక్టర్-గ్రేడ్ వేఫర్లు99.999999999% వరకు అసాధారణమైన అధిక స్వచ్ఛతను కలిగి ఉంటాయి మరియు మోనోక్రిస్టలైన్‌గా ఉండటం ఖచ్చితంగా అవసరం.

• ఫోటోవోల్టాయిక్-గ్రేడ్ వేఫర్‌లుతక్కువ స్వచ్ఛత కలిగి ఉంటాయి, స్వచ్ఛత స్థాయిలు 99.99% నుండి 99.9999% వరకు ఉంటాయి మరియు క్రిస్టల్ నాణ్యతకు అంత కఠినమైన అవసరాలు లేవు.

అదనంగా, సెమీకండక్టర్-గ్రేడ్ వేఫర్‌లకు ఫోటోవోల్టాయిక్-గ్రేడ్ వేఫర్‌ల కంటే అధిక ఉపరితల సున్నితత్వం మరియు శుభ్రత అవసరం. సెమీకండక్టర్ వేఫర్‌ల కోసం ఉన్నత ప్రమాణాలు వాటి తయారీ సంక్లిష్టతను మరియు అనువర్తనాలలో వాటి తదుపరి విలువను పెంచుతాయి.

కింది చార్ట్ సెమీకండక్టర్ వేఫర్ స్పెసిఫికేషన్ల పరిణామాన్ని వివరిస్తుంది, ఇవి ప్రారంభ 4-అంగుళాల (100mm) మరియు 6-అంగుళాల (150mm) వేఫర్‌ల నుండి ప్రస్తుత 8-అంగుళాల (200mm) మరియు 12-అంగుళాల (300mm) వేఫర్‌లకు పెరిగాయి.

వాస్తవ సిలికాన్ మోనోక్రిస్టల్ తయారీలో, అప్లికేషన్ రకం మరియు ఖర్చు కారకాల ఆధారంగా వేఫర్ పరిమాణం మారుతుంది. ఉదాహరణకు, మెమరీ చిప్‌లు సాధారణంగా 12-అంగుళాల వేఫర్‌లను ఉపయోగిస్తాయి, అయితే పవర్ పరికరాలు తరచుగా 8-అంగుళాల వేఫర్‌లను ఉపయోగిస్తాయి.

సారాంశంలో, వేఫర్ పరిమాణం యొక్క పరిణామం మూర్ యొక్క చట్టం మరియు ఆర్థిక కారకాల రెండింటి ఫలితంగా ఉంటుంది. పెద్ద వేఫర్ పరిమాణం అదే ప్రాసెసింగ్ పరిస్థితులలో మరింత ఉపయోగపడే సిలికాన్ ప్రాంతం పెరుగుదలను అనుమతిస్తుంది, వేఫర్ అంచుల నుండి వ్యర్థాలను తగ్గించేటప్పుడు ఉత్పత్తి ఖర్చులను తగ్గిస్తుంది.

ఆధునిక సాంకేతిక అభివృద్ధిలో కీలకమైన పదార్థంగా, సెమీకండక్టర్ సిలికాన్ వేఫర్‌లు, ఫోటోలిథోగ్రఫీ మరియు అయాన్ ఇంప్లాంటేషన్ వంటి ఖచ్చితమైన ప్రక్రియల ద్వారా, అధిక-శక్తి రెక్టిఫైయర్‌లు, ట్రాన్సిస్టర్‌లు, బైపోలార్ జంక్షన్ ట్రాన్సిస్టర్‌లు మరియు స్విచింగ్ పరికరాలతో సహా వివిధ ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాల ఉత్పత్తిని ప్రారంభిస్తాయి. ఈ పరికరాలు కృత్రిమ మేధస్సు, 5G ​​కమ్యూనికేషన్లు, ఆటోమోటివ్ ఎలక్ట్రానిక్స్, ఇంటర్నెట్ ఆఫ్ థింగ్స్ మరియు ఏరోస్పేస్ వంటి రంగాలలో కీలక పాత్ర పోషిస్తాయి, జాతీయ ఆర్థిక అభివృద్ధి మరియు సాంకేతిక ఆవిష్కరణలకు మూలస్తంభంగా నిలుస్తాయి.

3. మోనోక్రిస్టలైన్ సిలికాన్ గ్రోత్ టెక్నాలజీ

దిజోక్రోల్స్కీ (CZ) పద్ధతికరిగే పదార్థం నుండి అధిక-నాణ్యత గల ఏకస్ఫటికాకార పదార్థాన్ని బయటకు తీయడానికి ఇది ఒక సమర్థవంతమైన ప్రక్రియ. 1917లో జాన్ జోక్రోల్స్కీ ప్రతిపాదించిన ఈ పద్ధతిని "క్రిస్టల్ పుల్లింగ్పద్ధతి.

ప్రస్తుతం, వివిధ సెమీకండక్టర్ పదార్థాల తయారీలో CZ పద్ధతి విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతోంది. అసంపూర్ణ గణాంకాల ప్రకారం, దాదాపు 98% ఎలక్ట్రానిక్ భాగాలు మోనోక్రిస్టలైన్ సిలికాన్‌తో తయారు చేయబడ్డాయి, ఈ భాగాలలో 85% CZ పద్ధతిని ఉపయోగించి ఉత్పత్తి చేయబడ్డాయి.

CZ పద్ధతి దాని అద్భుతమైన క్రిస్టల్ నాణ్యత, నియంత్రించదగిన పరిమాణం, వేగవంతమైన వృద్ధి రేటు మరియు అధిక ఉత్పత్తి సామర్థ్యం కారణంగా అనుకూలంగా ఉంది. ఈ లక్షణాలు ఎలక్ట్రానిక్స్ పరిశ్రమలో అధిక-నాణ్యత, పెద్ద-స్థాయి డిమాండ్‌ను తీర్చడానికి CZ మోనోక్రిస్టలైన్ సిలికాన్‌ను ఇష్టపడే పదార్థంగా చేస్తాయి.

CZ మోనోక్రిస్టలైన్ సిలికాన్ యొక్క పెరుగుదల సూత్రం క్రింది విధంగా ఉంది:

CZ ప్రక్రియకు అధిక ఉష్ణోగ్రతలు, వాక్యూమ్ మరియు క్లోజ్డ్ వాతావరణం అవసరం. ఈ ప్రక్రియకు కీలకమైన పరికరాలుక్రిస్టల్ గ్రోత్ ఫర్నేస్, ఇది ఈ పరిస్థితులను సులభతరం చేస్తుంది.

కింది రేఖాచిత్రం క్రిస్టల్ పెరుగుదల కొలిమి నిర్మాణాన్ని వివరిస్తుంది.

CZ ప్రక్రియలో, స్వచ్ఛమైన సిలికాన్‌ను క్రూసిబుల్‌లో ఉంచి, కరిగించి, కరిగిన సిలికాన్‌లోకి ఒక సీడ్ క్రిస్టల్‌ను ప్రవేశపెడతారు. ఉష్ణోగ్రత, పుల్ రేట్ మరియు క్రూసిబుల్ భ్రమణ వేగం వంటి పారామితులను ఖచ్చితంగా నియంత్రించడం ద్వారా, సీడ్ క్రిస్టల్ మరియు కరిగిన సిలికాన్ యొక్క ఇంటర్‌ఫేస్‌లోని అణువులు లేదా అణువులు నిరంతరం పునర్వ్యవస్థీకరించబడతాయి, వ్యవస్థ చల్లబడినప్పుడు ఘనీభవిస్తాయి మరియు చివరికి ఒకే క్రిస్టల్‌ను ఏర్పరుస్తాయి.

ఈ క్రిస్టల్ పెరుగుదల సాంకేతికత నిర్దిష్ట క్రిస్టల్ ధోరణులతో అధిక-నాణ్యత, పెద్ద-వ్యాసం కలిగిన మోనోక్రిస్టలైన్ సిలికాన్‌ను ఉత్పత్తి చేస్తుంది.

వృద్ధి ప్రక్రియ అనేక కీలక దశలను కలిగి ఉంటుంది, వాటిలో:

1. వేరుచేయడం మరియు లోడ్ చేయడం: క్రిస్టల్‌ను తొలగించడం మరియు క్వార్ట్జ్, గ్రాఫైట్ లేదా ఇతర మలినాలనుండి ఫర్నేస్ మరియు భాగాలను పూర్తిగా శుభ్రపరచడం.

2. వాక్యూమ్ మరియు మెల్టింగ్: వ్యవస్థను శూన్యంలోకి ఖాళీ చేస్తారు, తరువాత ఆర్గాన్ వాయువు ప్రవేశపెట్టబడుతుంది మరియు సిలికాన్ ఛార్జ్ వేడి చేయబడుతుంది.

3. క్రిస్టల్ పుల్లింగ్: విత్తన స్ఫటికాన్ని కరిగిన సిలికాన్‌లోకి దించి, సరైన స్ఫటికీకరణను నిర్ధారించడానికి ఇంటర్‌ఫేస్ ఉష్ణోగ్రతను జాగ్రత్తగా నియంత్రించబడుతుంది.

4. భుజాలు మరియు వ్యాసం నియంత్రణ: క్రిస్టల్ పెరిగేకొద్దీ, దాని వ్యాసాన్ని జాగ్రత్తగా పర్యవేక్షించి, ఏకరీతి పెరుగుదలను నిర్ధారించడానికి సర్దుబాటు చేస్తారు.

5. పెరుగుదల ముగింపు మరియు ఫర్నేస్ షట్‌డౌన్: కావలసిన క్రిస్టల్ పరిమాణాన్ని సాధించిన తర్వాత, ఫర్నేస్ మూసివేయబడుతుంది మరియు క్రిస్టల్ తీసివేయబడుతుంది.

ఈ ప్రక్రియలోని వివరణాత్మక దశలు సెమీకండక్టర్ తయారీకి అనువైన అధిక-నాణ్యత, లోపాలు లేని మోనోక్రిస్టల్స్ సృష్టిని నిర్ధారిస్తాయి.

4. మోనోక్రిస్టలైన్ సిలికాన్ ఉత్పత్తిలో సవాళ్లు

పెద్ద-వ్యాసం కలిగిన సెమీకండక్టర్ మోనోక్రిస్టల్స్‌ను ఉత్పత్తి చేయడంలో ప్రధాన సవాళ్లలో ఒకటి వృద్ధి ప్రక్రియలో సాంకేతిక అడ్డంకులను అధిగమించడంలో, ముఖ్యంగా క్రిస్టల్ లోపాలను అంచనా వేయడంలో మరియు నియంత్రించడంలో:

1. అస్థిరమైన మోనోక్రిస్టల్ నాణ్యత మరియు తక్కువ దిగుబడి: సిలికాన్ మోనోక్రిస్టల్స్ పరిమాణం పెరిగేకొద్దీ, పెరుగుదల వాతావరణం యొక్క సంక్లిష్టత పెరుగుతుంది, ఉష్ణ, ప్రవాహం మరియు అయస్కాంత క్షేత్రాల వంటి కారకాలను నియంత్రించడం కష్టతరం చేస్తుంది. ఇది స్థిరమైన నాణ్యత మరియు అధిక దిగుబడిని సాధించే పనిని క్లిష్టతరం చేస్తుంది.

2. అస్థిర నియంత్రణ ప్రక్రియ: సెమీకండక్టర్ సిలికాన్ మోనోక్రిస్టల్స్ వృద్ధి ప్రక్రియ చాలా సంక్లిష్టమైనది, బహుళ భౌతిక క్షేత్రాలు సంకర్షణ చెందుతాయి, నియంత్రణ ఖచ్చితత్వాన్ని అస్థిరంగా చేస్తాయి మరియు తక్కువ ఉత్పత్తి దిగుబడికి దారితీస్తాయి. ప్రస్తుత నియంత్రణ వ్యూహాలు ప్రధానంగా క్రిస్టల్ యొక్క మాక్రోస్కోపిక్ కొలతలపై దృష్టి సారిస్తాయి, అయితే నాణ్యత ఇప్పటికీ మాన్యువల్ అనుభవం ఆధారంగా సర్దుబాటు చేయబడుతుంది, ఇది IC చిప్‌లలో మైక్రో మరియు నానో ఫ్యాబ్రికేషన్ అవసరాలను తీర్చడం కష్టతరం చేస్తుంది.

ఈ సవాళ్లను పరిష్కరించడానికి, ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్లలో ఉపయోగం కోసం పెద్ద మోనోక్రిస్టల్స్ యొక్క స్థిరమైన, అధిక-నాణ్యత ఉత్పత్తిని నిర్ధారించడానికి నియంత్రణ వ్యవస్థలలో మెరుగుదలలతో పాటు, క్రిస్టల్ నాణ్యత కోసం రియల్-టైమ్, ఆన్‌లైన్ పర్యవేక్షణ మరియు అంచనా పద్ధతుల అభివృద్ధి అత్యవసరంగా అవసరం.