મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન વૃદ્ધિ પદ્ધતિઓનો વ્યાપક ઝાંખી

મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન વૃદ્ધિ પદ્ધતિઓનો વ્યાપક ઝાંખી

૧. મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન વિકાસની પૃષ્ઠભૂમિ

ટેકનોલોજીની પ્રગતિ અને ઉચ્ચ-કાર્યક્ષમતાવાળા સ્માર્ટ ઉત્પાદનોની વધતી માંગએ રાષ્ટ્રીય વિકાસમાં ઇન્ટિગ્રેટેડ સર્કિટ (IC) ઉદ્યોગની મુખ્ય સ્થિતિને વધુ મજબૂત બનાવી છે. IC ઉદ્યોગના પાયાના પથ્થર તરીકે, સેમિકન્ડક્ટર મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન તકનીકી નવીનતા અને આર્થિક વિકાસને આગળ વધારવામાં મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવે છે.

ઇન્ટરનેશનલ સેમિકન્ડક્ટર ઇન્ડસ્ટ્રી એસોસિએશનના ડેટા અનુસાર, વૈશ્વિક સેમિકન્ડક્ટર વેફર માર્કેટ $12.6 બિલિયનના વેચાણના આંકડા પર પહોંચ્યું છે, જેમાં શિપમેન્ટ વધીને 14.2 બિલિયન ચોરસ ઇંચ થયું છે. વધુમાં, સિલિકોન વેફર્સની માંગ સતત વધી રહી છે.

જોકે, વૈશ્વિક સિલિકોન વેફર ઉદ્યોગ ખૂબ જ કેન્દ્રિત છે, જેમાં ટોચના પાંચ સપ્લાયર્સ બજાર હિસ્સાના 85% થી વધુ પર પ્રભુત્વ ધરાવે છે, જે નીચે બતાવ્યા પ્રમાણે છે:

• શિન-એત્સુ કેમિકલ (જાપાન)

• સુમ્કો (જાપાન)

• ગ્લોબલ વેફર્સ

• સિલ્ટ્રોનિક (જર્મની)

• એસકે સિલ્ટ્રોન (દક્ષિણ કોરિયા)

આ ઓલિગોપોલી ચીનને આયાતી મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન વેફર્સ પર ભારે નિર્ભરતા તરફ દોરી જાય છે, જે દેશના ઇન્ટિગ્રેટેડ સર્કિટ ઉદ્યોગના વિકાસને મર્યાદિત કરતી મુખ્ય અવરોધોમાંની એક બની ગઈ છે.

સેમિકન્ડક્ટર સિલિકોન મોનોક્રિસ્ટલ ઉત્પાદન ક્ષેત્રમાં વર્તમાન પડકારોને દૂર કરવા માટે, સંશોધન અને વિકાસમાં રોકાણ કરવું અને સ્થાનિક ઉત્પાદન ક્ષમતાઓને મજબૂત બનાવવી એ અનિવાર્ય પસંદગી છે.

2. મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન મટિરિયલનું વિહંગાવલોકન

મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન એ ઇન્ટિગ્રેટેડ સર્કિટ ઉદ્યોગનો પાયો છે. આજની તારીખે, 90% થી વધુ IC ચિપ્સ અને ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણો મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોનનો ઉપયોગ કરીને પ્રાથમિક સામગ્રી તરીકે બનાવવામાં આવે છે. મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોનની વ્યાપક માંગ અને તેના વિવિધ ઔદ્યોગિક ઉપયોગો ઘણા પરિબળોને આભારી છે:

1. સલામતી અને પર્યાવરણને અનુકૂળ: પૃથ્વીના પોપડામાં સિલિકોન વિપુલ પ્રમાણમાં જોવા મળે છે, તે બિન-ઝેરી અને પર્યાવરણને અનુકૂળ છે.

2. ઇલેક્ટ્રિકલ ઇન્સ્યુલેશન: સિલિકોન કુદરતી રીતે વિદ્યુત ઇન્સ્યુલેશન ગુણધર્મો દર્શાવે છે, અને ગરમીની સારવાર પર, તે સિલિકોન ડાયોક્સાઇડનું રક્ષણાત્મક સ્તર બનાવે છે, જે અસરકારક રીતે વિદ્યુત ચાર્જના નુકશાનને અટકાવે છે.

3. પરિપક્વ વૃદ્ધિ ટેકનોલોજી: સિલિકોન વૃદ્ધિ પ્રક્રિયાઓમાં ટેકનોલોજીકલ વિકાસના લાંબા ઇતિહાસે તેને અન્ય સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી કરતાં વધુ સુસંસ્કૃત બનાવ્યું છે.

આ પરિબળો એકસાથે મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોનને ઉદ્યોગમાં મોખરે રાખે છે, જે તેને અન્ય સામગ્રી દ્વારા બદલી ન શકાય તેવું બનાવે છે.

સ્ફટિકીય બંધારણની દ્રષ્ટિએ, મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન એ સામયિક જાળીમાં ગોઠવાયેલા સિલિકોન પરમાણુઓમાંથી બનેલ સામગ્રી છે, જે સતત માળખું બનાવે છે. તે ચિપ ઉત્પાદન ઉદ્યોગનો આધાર છે.

નીચેનો આકૃતિ મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન તૈયારીની સંપૂર્ણ પ્રક્રિયા દર્શાવે છે:

પ્રક્રિયા ઝાંખી:
મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન સિલિકોન ઓરમાંથી શુદ્ધિકરણના અનેક પગલાં દ્વારા મેળવવામાં આવે છે. પ્રથમ, પોલીક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન મેળવવામાં આવે છે, જે પછી સ્ફટિક વૃદ્ધિ ભઠ્ઠીમાં મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન ઇન્ગોટમાં ઉગાડવામાં આવે છે. ત્યારબાદ, તેને કાપીને, પોલિશ કરવામાં આવે છે અને ચિપ ઉત્પાદન માટે યોગ્ય સિલિકોન વેફરમાં પ્રક્રિયા કરવામાં આવે છે.

સિલિકોન વેફર્સને સામાન્ય રીતે બે શ્રેણીઓમાં વિભાજિત કરવામાં આવે છે:ફોટોવોલ્ટેઇક-ગ્રેડઅનેસેમિકન્ડક્ટર-ગ્રેડઆ બે પ્રકારો મુખ્યત્વે તેમની રચના, શુદ્ધતા અને સપાટીની ગુણવત્તામાં અલગ પડે છે.

• સેમિકન્ડક્ટર-ગ્રેડ વેફર્સ99.999999999% સુધીની અપવાદરૂપે ઉચ્ચ શુદ્ધતા ધરાવે છે, અને તેમને મોનોક્રિસ્ટલાઇન હોવા જરૂરી છે.

• ફોટોવોલ્ટેઇક-ગ્રેડ વેફર્સઓછા શુદ્ધ હોય છે, શુદ્ધતા સ્તર 99.99% થી 99.9999% સુધી હોય છે, અને સ્ફટિક ગુણવત્તા માટે આવી કડક આવશ્યકતાઓ ધરાવતા નથી.

વધુમાં, સેમિકન્ડક્ટર-ગ્રેડ વેફર્સને ફોટોવોલ્ટેઇક-ગ્રેડ વેફર કરતાં વધુ સપાટીની સરળતા અને સ્વચ્છતાની જરૂર પડે છે. સેમિકન્ડક્ટર વેફર માટેના ઉચ્ચ ધોરણો તેમની તૈયારીની જટિલતા અને એપ્લિકેશનમાં તેમના અનુગામી મૂલ્ય બંનેમાં વધારો કરે છે.

નીચેનો ચાર્ટ સેમિકન્ડક્ટર વેફર સ્પષ્ટીકરણોના ઉત્ક્રાંતિની રૂપરેખા આપે છે, જે શરૂઆતના 4-ઇંચ (100mm) અને 6-ઇંચ (150mm) વેફરથી વધીને વર્તમાન 8-ઇંચ (200mm) અને 12-ઇંચ (300mm) વેફર સુધી પહોંચી ગયા છે.

વાસ્તવિક સિલિકોન મોનોક્રિસ્ટલ તૈયારીમાં, વેફરનું કદ એપ્લિકેશન પ્રકાર અને ખર્ચ પરિબળોના આધારે બદલાય છે. ઉદાહરણ તરીકે, મેમરી ચિપ્સ સામાન્ય રીતે 12-ઇંચ વેફરનો ઉપયોગ કરે છે, જ્યારે પાવર ઉપકરણો ઘણીવાર 8-ઇંચ વેફરનો ઉપયોગ કરે છે.

સારાંશમાં, વેફરના કદનો વિકાસ મૂરના નિયમ અને આર્થિક પરિબળો બંનેનું પરિણામ છે. મોટું વેફર કદ સમાન પ્રક્રિયા પરિસ્થિતિઓ હેઠળ વધુ ઉપયોગી સિલિકોન વિસ્તારના વિકાસને સક્ષમ બનાવે છે, ઉત્પાદન ખર્ચ ઘટાડે છે અને વેફરની ધારમાંથી કચરો ઓછો કરે છે.

આધુનિક ટેકનોલોજીકલ વિકાસમાં એક મહત્વપૂર્ણ સામગ્રી તરીકે, સેમિકન્ડક્ટર સિલિકોન વેફર્સ, ફોટોલિથોગ્રાફી અને આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન જેવી ચોક્કસ પ્રક્રિયાઓ દ્વારા, વિવિધ ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણોનું ઉત્પાદન સક્ષમ બનાવે છે, જેમાં હાઇ-પાવર રેક્ટિફાયર, ટ્રાન્ઝિસ્ટર, બાયપોલર જંકશન ટ્રાન્ઝિસ્ટર અને સ્વિચિંગ ઉપકરણોનો સમાવેશ થાય છે. આ ઉપકરણો કૃત્રિમ બુદ્ધિ, 5G કોમ્યુનિકેશન, ઓટોમોટિવ ઇલેક્ટ્રોનિક્સ, ઇન્ટરનેટ ઓફ થિંગ્સ અને એરોસ્પેસ જેવા ક્ષેત્રોમાં મુખ્ય ભૂમિકા ભજવે છે, જે રાષ્ટ્રીય આર્થિક વિકાસ અને ટેકનોલોજીકલ નવીનતાનો પાયો બનાવે છે.

૩. મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન ગ્રોથ ટેકનોલોજી

આઝોક્રાલ્સ્કી (CZ) પદ્ધતિપીગળેલા પદાર્થમાંથી ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળા મોનોક્રિસ્ટલાઇન પદાર્થને ખેંચવા માટે એક કાર્યક્ષમ પ્રક્રિયા છે. 1917 માં જાન ઝોક્રાલ્સ્કી દ્વારા પ્રસ્તાવિત, આ પદ્ધતિનેક્રિસ્ટલ પુલિંગપદ્ધતિ.

હાલમાં, વિવિધ સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીની તૈયારીમાં CZ પદ્ધતિનો વ્યાપકપણે ઉપયોગ થાય છે. અધૂરા આંકડા અનુસાર, લગભગ 98% ઇલેક્ટ્રોનિક ઘટકો મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોનમાંથી બનાવવામાં આવે છે, જેમાં 85% ઘટકો CZ પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરીને બનાવવામાં આવે છે.

CZ પદ્ધતિ તેની ઉત્તમ સ્ફટિક ગુણવત્તા, નિયંત્રણક્ષમ કદ, ઝડપી વૃદ્ધિ દર અને ઉચ્ચ ઉત્પાદન કાર્યક્ષમતાને કારણે પસંદ કરવામાં આવે છે. આ લાક્ષણિકતાઓ ઇલેક્ટ્રોનિક્સ ઉદ્યોગમાં ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળી, મોટા પાયે માંગને પહોંચી વળવા માટે CZ મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોનને પસંદગીની સામગ્રી બનાવે છે.

CZ મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોનનો વિકાસ સિદ્ધાંત નીચે મુજબ છે:

CZ પ્રક્રિયા માટે ઉચ્ચ તાપમાન, શૂન્યાવકાશ અને બંધ વાતાવરણની જરૂર પડે છે. આ પ્રક્રિયા માટેના મુખ્ય સાધનો છેસ્ફટિક વૃદ્ધિ ભઠ્ઠી, જે આ પરિસ્થિતિઓને સરળ બનાવે છે.

નીચેનો આકૃતિ સ્ફટિક વૃદ્ધિ ભઠ્ઠીની રચના દર્શાવે છે.

CZ પ્રક્રિયામાં, શુદ્ધ સિલિકોનને ક્રુસિબલમાં મૂકવામાં આવે છે, પીગળવામાં આવે છે, અને પીગળેલા સિલિકોનમાં બીજ સ્ફટિક દાખલ કરવામાં આવે છે. તાપમાન, ખેંચાણ દર અને ક્રુસિબલ પરિભ્રમણ ગતિ જેવા પરિમાણોને ચોક્કસ રીતે નિયંત્રિત કરીને, બીજ સ્ફટિક અને પીગળેલા સિલિકોનના ઇન્ટરફેસ પર અણુઓ અથવા પરમાણુઓ સતત પુનર્ગઠન કરે છે, સિસ્ટમ ઠંડુ થતાં ઘન બને છે અને અંતે એક સ્ફટિક બનાવે છે.

આ સ્ફટિક વૃદ્ધિ તકનીક ચોક્કસ સ્ફટિક દિશાઓ સાથે ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળા, મોટા-વ્યાસના મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોનનું ઉત્પાદન કરે છે.

વૃદ્ધિ પ્રક્રિયામાં ઘણા મુખ્ય પગલાં શામેલ છે, જેમાં શામેલ છે:

1. ડિસએસેમ્બલી અને લોડિંગ: સ્ફટિક દૂર કરવું અને ભઠ્ઠી અને તેના ઘટકોને ક્વાર્ટઝ, ગ્રેફાઇટ અથવા અન્ય અશુદ્ધિઓ જેવા દૂષકોથી સંપૂર્ણપણે સાફ કરવા.

2. શૂન્યાવકાશ અને પીગળવું: સિસ્ટમને શૂન્યાવકાશમાં ખાલી કરવામાં આવે છે, ત્યારબાદ આર્ગોન ગેસ દાખલ થાય છે અને સિલિકોન ચાર્જ ગરમ થાય છે.

3. ક્રિસ્ટલ પુલિંગ: બીજ સ્ફટિકને પીગળેલા સિલિકોનમાં નીચે ઉતારવામાં આવે છે, અને યોગ્ય સ્ફટિકીકરણ સુનિશ્ચિત કરવા માટે ઇન્ટરફેસ તાપમાન કાળજીપૂર્વક નિયંત્રિત કરવામાં આવે છે.

4. ખભા અને વ્યાસ નિયંત્રણ: જેમ જેમ સ્ફટિક વધે છે, તેમ તેમ તેના વ્યાસનું કાળજીપૂર્વક નિરીક્ષણ કરવામાં આવે છે અને એકસમાન વૃદ્ધિ સુનિશ્ચિત કરવા માટે તેને સમાયોજિત કરવામાં આવે છે.

5. ગ્રોથનો અંત અને ભઠ્ઠી બંધ: એકવાર ઇચ્છિત સ્ફટિકનું કદ પ્રાપ્ત થઈ જાય, પછી ભઠ્ઠી બંધ થઈ જાય છે, અને સ્ફટિક દૂર કરવામાં આવે છે.

આ પ્રક્રિયાના વિગતવાર પગલાં સેમિકન્ડક્ટર ઉત્પાદન માટે યોગ્ય ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળા, ખામી-મુક્ત મોનોક્રિસ્ટલ્સનું નિર્માણ સુનિશ્ચિત કરે છે.

4. મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન ઉત્પાદનમાં પડકારો

મોટા વ્યાસના સેમિકન્ડક્ટર મોનોક્રિસ્ટલ્સના ઉત્પાદનમાં મુખ્ય પડકારોમાંનો એક વૃદ્ધિ પ્રક્રિયા દરમિયાન તકનીકી અવરોધોને દૂર કરવાનો છે, ખાસ કરીને સ્ફટિક ખામીઓની આગાહી અને નિયંત્રણમાં:

1. અસંગત મોનોક્રિસ્ટલ ગુણવત્તા અને ઓછી ઉપજ: જેમ જેમ સિલિકોન મોનોક્રિસ્ટલ્સનું કદ વધે છે, તેમ તેમ વૃદ્ધિ વાતાવરણની જટિલતા વધે છે, જેના કારણે થર્મલ, પ્રવાહ અને ચુંબકીય ક્ષેત્રો જેવા પરિબળોને નિયંત્રિત કરવાનું મુશ્કેલ બને છે. આ સુસંગત ગુણવત્તા અને ઉચ્ચ ઉપજ પ્રાપ્ત કરવાનું કાર્ય જટિલ બનાવે છે.

2. અસ્થિર નિયંત્રણ પ્રક્રિયા: સેમિકન્ડક્ટર સિલિકોન મોનોક્રિસ્ટલ્સની વૃદ્ધિ પ્રક્રિયા ખૂબ જ જટિલ છે, જેમાં બહુવિધ ભૌતિક ક્ષેત્રો એકબીજા સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરે છે, જેના કારણે નિયંત્રણ ચોકસાઇ અસ્થિર બને છે અને ઉત્પાદનની ઉપજ ઓછી થાય છે. વર્તમાન નિયંત્રણ વ્યૂહરચનાઓ મુખ્યત્વે સ્ફટિકના મેક્રોસ્કોપિક પરિમાણો પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે, જ્યારે ગુણવત્તા હજુ પણ મેન્યુઅલ અનુભવના આધારે ગોઠવવામાં આવે છે, જેના કારણે IC ચિપ્સમાં માઇક્રો અને નેનો ફેબ્રિકેશન માટેની આવશ્યકતાઓને પૂર્ણ કરવી મુશ્કેલ બને છે.

આ પડકારોનો સામનો કરવા માટે, સ્ફટિક ગુણવત્તા માટે રીઅલ-ટાઇમ, ઓનલાઈન દેખરેખ અને આગાહી પદ્ધતિઓનો વિકાસ તાત્કાલિક જરૂરી છે, સાથે સાથે સંકલિત સર્કિટમાં ઉપયોગ માટે મોટા મોનોક્રિસ્ટલ્સના સ્થિર, ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળા ઉત્પાદનને સુનિશ્ચિત કરવા માટે નિયંત્રણ પ્રણાલીઓમાં સુધારાની પણ જરૂર છે.