Detalles del Blog

1. Antecedentes y contexto de la industria

El rápido progreso tecnológico y la creciente demanda de productos inteligentes de alta eficiencia han consolidado aún más la industria de los circuitos integrados (CI) como un pilar estratégico del desarrollo nacional. Como base del ecosistema de circuitos integrados, el silicio monocristalino de grado semiconductor es fundamental tanto para la innovación tecnológica como para el crecimiento económico.

Según la Asociación Internacional de la Industria de Semiconductores, el mercado mundial de obleas de silicio registró$12,6 mil millonesen ventas, con envíos que alcanzan14,2 mil millones de pulgadas cuadradas. La demanda sigue aumentando de manera constante.

La industria está muy concentrada: los cinco principales proveedores representanmás del 85%de cuota de mercado global—Shin-Etsu Chemical (Japón), SUMCO (Japón), GlobalWafers, Siltronic (Alemania),ySK Siltron (Corea del Sur)—lo que subraya la gran dependencia de China de las obleas de silicio monocristalino importadas. Esta dependencia es un cuello de botella clave que limita el desarrollo de la CI del país. Por lo tanto, es imperativo fortalecer la I+D nacional y la capacidad de producción.

2. Silicio monocristalino: descripción general del material

El silicio monocristalino sustenta la microelectrónica moderna;más del 90%de chips CI y dispositivos electrónicos se fabrican con silicio. Su dominio se debe a varios atributos:

• Abundancia y Seguridad Ambiental:El silicio abunda en la corteza terrestre, no es tóxico y es respetuoso con el medio ambiente.

• Aislamiento Eléctrico y Óxido Nativo:El silicio proporciona naturalmente aislamiento eléctrico; tras la oxidación térmica se formaSiO₂, un dieléctrico de alta calidad que evita la pérdida de carga.

• Infraestructura de fabricación madura:Décadas de desarrollo de procesos han producido un ecosistema de fabricación de obleas y crecimiento escalable y profundamente refinado.

Estructuralmente, el silicio monocristalino es una red continua y periódica de átomos de silicio, el sustrato esencial para la fabricación de chips.

Flujo de proceso (nivel alto):El mineral de silicio se refina para producir silicio policristalino, que luego se funde y se convierte en un lingote monocristalino en un horno de crecimiento de cristales. El lingote se corta, se lape, se pule y se limpia para obtener obleas para el procesamiento de semiconductores.

Clases de oblea:

• Grado semiconductor:Pureza ultraalta (hasta99,999999999%, “11 nueves”) y estrictamente monocristalino, con estrictos requisitos en cuanto a la calidad del cristal y la limpieza de la superficie.

• Grado fotovoltaico:Menor pureza (99,99%–99,9999%) y especificaciones de superficie y calidad del cristal menos exigentes.

Las obleas de calidad semiconductora también exigen una planitud, suavidad superficial y limpieza superiores, lo que aumenta tanto la complejidad del proceso como el valor de uso final.

Evolución del diámetro y economía:Los estándares de la industria han progresado desde4 pulgadas (100 mm)y6 pulgadas (150 mm)a8 pulgadas (200 mm)y12 pulgadas (300 mm)obleas. Los diámetros más grandes ofrecen más área de matriz utilizable por ejecución del proceso, lo que mejora la eficiencia de costos y reduce las pérdidas en los bordes, una evolución impulsada por la Ley de Moore y la economía de fabricación. En la práctica, el tamaño de la oblea se adapta a la aplicación y al costo: por ejemplo, la memoria comúnmente usa300 milímetros, mientras que muchos dispositivos eléctricos permanecen encendidos200 milímetros.

A través de procesos precisos (fotolitografía, implantación de iones, grabado, deposición y tratamientos térmicos), las obleas de silicio permiten una amplia gama de dispositivos: rectificadores de alta potencia, MOSFET, BJT y componentes de conmutación que impulsan la IA, 5G, la electrónica automotriz, la IoT y la industria aeroespacial, motores centrales del crecimiento económico y la innovación.

3. Tecnología de crecimiento de silicio monocristalino

El método Czochralski (CZ)

Propuesto porJan CzochralskiEn 1917, el método CZ (crystal pulling) produce eficientemente monocristales grandes y de alta calidad a partir de la masa fundida. Hoy en día es el enfoque dominante para el silicio: aproximadamente98%de los componentes electrónicos están basados ​​en silicio, y~85%de aquellos dependen decultivado en CZobleas. La CZ se ve favorecida por la calidad de su cristal, su diámetro controlable, sus tasas de crecimiento relativamente rápidas y su alto rendimiento.

Principio y equipamiento:El proceso CZ opera a alta temperatura en condiciones de vacío/inertes dentro de un horno de crecimiento de cristales. Se carga silicio policristalino en un crisol y se funde. Un cristal semilla entra en contacto con la superficie fundida; Al controlar con precisión la temperatura, la velocidad de extracción y la rotación tanto de la semilla como del crisol, los átomos en la interfaz sólido-fundido se solidifican en un solo cristal con la orientación y el diámetro deseados.

Etapas típicas del proceso:

1. Preparación y carga de herramientas:Desarmar, limpiar y recargar el horno; Elimina contaminantes del cuarzo, grafito y otros componentes.

2. Bombeo, relleno y fusión:Evacuar al vacío, introducir argón y calentar para derretir completamente la carga de silicio.

3. Siembra y crecimiento inicial:Baje la semilla al derretimiento y establezca una interfaz sólido-líquido estable.

4. Control de escuadrado y diámetro:Amplíe hasta el diámetro objetivo y mantenga un control estricto a través de la temperatura y la retroalimentación de la tasa de tracción.

5. Tirando constante:Mantenga un crecimiento uniforme en el diámetro establecido.

6. Terminación y enfriamiento:Complete el cristal, apáguelo y descargue el lingote.

Si se ejecuta correctamente, el método CZ produce silicio monocristalino de gran diámetro y con pocos defectos, adecuado para la fabricación avanzada de semiconductores.

4. Desafíos y direcciones de producción

Escalar a diámetros más grandes y al mismo tiempo preservar la perfección del cristal plantea desafíos importantes, particularmente enpredicción y control de defectos:

• Variabilidad de la calidad y pérdida de rendimiento:A medida que aumenta el diámetro, los campos térmico, de flujo y magnético dentro del horno se vuelven más complejos. Gestionar estos efectos multifísicos acoplados es difícil, lo que genera inconsistencias en la calidad de los cristales y menores rendimientos.

• Limitaciones del sistema de control:Las estrategias actuales enfatizan los parámetros macroscópicos (p. ej., diámetro, tasa de extracción). El control de defectos a escala fina todavía depende en gran medida de la experiencia humana, que es cada vez más inadecuada para los requisitos de circuitos integrados a micro y nanoescala.