Aperçu complet des méthodes de croissance du silicium monocristallin

Aperçu complet des méthodes de croissance du silicium monocristallin

1. Contexte du développement du silicium monocristallin

Les progrès technologiques et la demande croissante de produits intelligents à haute efficacité ont encore renforcé le rôle central de l'industrie des circuits intégrés (CI) dans le développement national. Pilier de cette industrie, le silicium monocristallin semi-conducteur joue un rôle essentiel dans l'innovation technologique et la croissance économique.

D'après les données de l'International Semiconductor Industry Association, le marché mondial des plaquettes de semi-conducteurs a atteint un chiffre d'affaires de 12,6 milliards de dollars, avec des livraisons s'élevant à 14,2 milliards de pouces carrés. Par ailleurs, la demande de plaquettes de silicium continue de croître régulièrement.

Cependant, l'industrie mondiale des plaquettes de silicium est très concentrée, les cinq principaux fournisseurs dominant plus de 85 % des parts de marché, comme indiqué ci-dessous :

• Shin-Etsu Chemical (Japon)

• SUMCO (Japon)

• Plaquettes mondiales

• Siltronic (Allemagne)

• SK Siltron (Corée du Sud)

Cet oligopole engendre une forte dépendance de la Chine aux importations de plaquettes de silicium monocristallin, ce qui est devenu l'un des principaux goulots d'étranglement limitant le développement de l'industrie des circuits intégrés du pays.

Pour surmonter les défis actuels du secteur de la fabrication de monocristaux de silicium semi-conducteurs, investir dans la recherche et le développement et renforcer les capacités de production nationales est un choix inévitable.

2. Aperçu du matériau de silicium monocristallin

Le silicium monocristallin est à la base de l'industrie des circuits intégrés. À ce jour, plus de 90 % des puces et dispositifs électroniques sont fabriqués à partir de silicium monocristallin. La forte demande en silicium monocristallin et ses nombreuses applications industrielles s'expliquent par plusieurs facteurs :

1. Sécurité et respect de l'environnementLe silicium est abondant dans la croûte terrestre, non toxique et respectueux de l'environnement.

2. Isolation électriqueLe silicium présente naturellement des propriétés d'isolation électrique et, après traitement thermique, il forme une couche protectrice de dioxyde de silicium qui empêche efficacement la perte de charge électrique.

3. Technologie de croissance matureLa longue histoire du développement technologique des procédés de croissance du silicium l'a rendu bien plus sophistiqué que d'autres matériaux semi-conducteurs.

L'ensemble de ces facteurs maintient le silicium monocristallin à la pointe de l'industrie, le rendant irremplaçable par d'autres matériaux.

Du point de vue de sa structure cristalline, le silicium monocristallin est un matériau composé d'atomes de silicium agencés en un réseau périodique, formant une structure continue. Il constitue la base de l'industrie de la fabrication de puces.

Le schéma suivant illustre le processus complet de préparation du silicium monocristallin :

Aperçu du processus:
Le silicium monocristallin est obtenu à partir de minerai de silicium par une série d'étapes de raffinage. On obtient d'abord du silicium polycristallin, qui est ensuite transformé en lingot de silicium monocristallin dans un four de croissance cristalline. Ce lingot est ensuite découpé, poli et transformé en plaquettes de silicium adaptées à la fabrication de puces.

Les plaquettes de silicium sont généralement divisées en deux catégories :qualité photovoltaïqueetqualité semi-conducteurCes deux types diffèrent principalement par leur structure, leur pureté et la qualité de leur surface.

• Plaquettes de qualité semi-conductriceElles présentent une pureté exceptionnellement élevée, pouvant atteindre 99,999999999 %, et doivent impérativement être monocristallines.

• plaquettes de qualité photovoltaïquesont moins purs, avec des niveaux de pureté allant de 99,99 % à 99,9999 %, et ne sont pas soumis à des exigences aussi strictes en matière de qualité cristalline.

De plus, les plaquettes de semi-conducteurs exigent une surface plus lisse et plus propre que les plaquettes photovoltaïques. Ces exigences plus élevées augmentent la complexité de leur fabrication et, par conséquent, leur valeur dans les applications.

Le graphique suivant décrit l'évolution des spécifications des plaquettes de semi-conducteurs, qui sont passées des premières plaquettes de 4 pouces (100 mm) et 6 pouces (150 mm) aux plaquettes actuelles de 8 pouces (200 mm) et 12 pouces (300 mm).

Lors de la fabrication de monocristaux de silicium, la taille des plaquettes varie en fonction de l'application et du coût. Par exemple, les puces mémoire utilisent généralement des plaquettes de 12 pouces, tandis que les dispositifs de puissance utilisent souvent des plaquettes de 8 pouces.

En résumé, l'évolution de la taille des plaquettes est le fruit de la loi de Moore et de facteurs économiques. Une plaquette plus grande permet d'accroître la surface de silicium utilisable dans les mêmes conditions de traitement, ce qui réduit les coûts de production et minimise les déchets en bordure de plaquette.

Matériau essentiel au développement technologique moderne, le silicium semi-conducteur, grâce à des procédés de précision tels que la photolithographie et l'implantation ionique, permet la fabrication de divers dispositifs électroniques, notamment des redresseurs de puissance, des transistors, des transistors bipolaires et des commutateurs. Ces dispositifs jouent un rôle clé dans des domaines comme l'intelligence artificielle, les communications 5G, l'électronique automobile, l'Internet des objets et l'aérospatiale, et constituent la pierre angulaire du développement économique national et de l'innovation technologique.

3. Technologie de croissance du silicium monocristallin

LeMéthode Czochralski (CZ)est un procédé efficace pour extraire des matériaux monocristallins de haute qualité à partir de la masse fondue. Proposée par Jan Czochralski en 1917, cette méthode est également connue sous le nom deTirage de cristauxméthode.

Actuellement, la méthode CZ est largement utilisée dans la préparation de divers matériaux semi-conducteurs. Selon des statistiques incomplètes, environ 98 % des composants électroniques sont fabriqués à partir de silicium monocristallin, dont 85 % sont produits par la méthode CZ.

La méthode CZ est privilégiée en raison de son excellente qualité cristalline, de la taille contrôlable des particules, de sa vitesse de croissance rapide et de son rendement de production élevé. Ces caractéristiques font du silicium monocristallin CZ le matériau de choix pour répondre à la demande de haute qualité et à grande échelle de l'industrie électronique.

Le principe de croissance du silicium monocristallin CZ est le suivant :

Le procédé CZ nécessite des températures élevées, le vide et un environnement clos. L'équipement clé pour ce procédé est lefour de croissance cristalline, ce qui facilite ces conditions.

Le schéma suivant illustre la structure d'un four de croissance cristalline.

Dans le procédé CZ, du silicium pur est placé dans un creuset, fondu, puis un germe cristallin est introduit dans le silicium en fusion. En contrôlant précisément des paramètres tels que la température, la vitesse de tirage et la vitesse de rotation du creuset, les atomes ou molécules à l'interface entre le germe cristallin et le silicium en fusion se réorganisent continuellement, se solidifiant lors du refroidissement du système et formant finalement un monocristal.

Cette technique de croissance cristalline permet de produire du silicium monocristallin de haute qualité et de grand diamètre avec des orientations cristallines spécifiques.

Le processus de croissance comprend plusieurs étapes clés, notamment :

1. Démontage et chargementRetirer le cristal et nettoyer soigneusement le four et ses composants de tout contaminant tel que le quartz, le graphite ou autres impuretés.

2. Vide et fusionLe système est mis sous vide, puis du gaz argon est introduit et la charge de silicium est chauffée.

3. Tirage de cristauxLe germe cristallin est immergé dans le silicium fondu, et la température à l'interface est soigneusement contrôlée pour assurer une cristallisation correcte.

4. Contrôle de l'épaulement et du diamètreAu fur et à mesure de la croissance du cristal, son diamètre est soigneusement surveillé et ajusté afin de garantir une croissance uniforme.

5. Fin de la croissance et arrêt du fourUne fois la taille de cristal souhaitée atteinte, le four est arrêté et le cristal est retiré.

Les étapes détaillées de ce processus garantissent la création de monocristaux de haute qualité et sans défaut, adaptés à la fabrication de semi-conducteurs.

4. Défis liés à la production de silicium monocristallin

L'un des principaux défis liés à la production de monocristaux semi-conducteurs de grand diamètre réside dans le dépassement des obstacles techniques rencontrés lors du processus de croissance, notamment en ce qui concerne la prédiction et le contrôle des défauts cristallins :

1. Qualité monocristalline inconstante et faible rendementÀ mesure que la taille des monocristaux de silicium augmente, la complexité de l'environnement de croissance s'accroît, rendant difficile le contrôle de facteurs tels que les champs thermiques, d'écoulement et magnétiques. Ceci complique l'obtention d'une qualité constante et de rendements plus élevés.

2. Processus de contrôle instableLe processus de croissance des monocristaux de silicium semi-conducteurs est extrêmement complexe. De multiples champs physiques interagissent, ce qui rend le contrôle de la précision instable et entraîne de faibles rendements. Les stratégies de contrôle actuelles se concentrent principalement sur les dimensions macroscopiques du cristal, tandis que la qualité reste encore ajustée empiriquement, ce qui complique le respect des exigences de micro et nanofabrication pour les puces électroniques.

Pour relever ces défis, il est urgent de développer des méthodes de surveillance et de prédiction en temps réel et en ligne de la qualité des cristaux, ainsi que des améliorations des systèmes de contrôle afin de garantir une production stable et de haute qualité de grands monocristaux destinés à être utilisés dans les circuits intégrés.