मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन विकास विधियों का एक व्यापक अवलोकन

मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन विकास विधियों का एक व्यापक अवलोकन

1. मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन विकास की पृष्ठभूमि

प्रौद्योगिकी की उन्नति और उच्च-दक्षता वाले स्मार्ट उत्पादों की बढ़ती माँग ने राष्ट्रीय विकास में एकीकृत परिपथ (IC) उद्योग की प्रमुख स्थिति को और मज़बूत किया है। IC उद्योग की आधारशिला के रूप में, सेमीकंडक्टर मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन तकनीकी नवाचार और आर्थिक विकास को गति देने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।

अंतर्राष्ट्रीय सेमीकंडक्टर उद्योग संघ के आंकड़ों के अनुसार, वैश्विक सेमीकंडक्टर वेफर बाजार की बिक्री 12.6 अरब डॉलर तक पहुँच गई है, और शिपमेंट बढ़कर 14.2 अरब वर्ग इंच हो गया है। इसके अलावा, सिलिकॉन वेफर्स की मांग लगातार बढ़ रही है।

हालाँकि, वैश्विक सिलिकॉन वेफर उद्योग अत्यधिक संकेंद्रित है, जिसमें शीर्ष पांच आपूर्तिकर्ता 85% से अधिक बाजार हिस्सेदारी पर हावी हैं, जैसा कि नीचे दिखाया गया है:

• शिन-एत्सु केमिकल (जापान)

• सुमको (जापान)

• ग्लोबल वेफर्स

• सिल्ट्रोनिक (जर्मनी)

• एसके सिल्ट्रॉन (दक्षिण कोरिया)

इस अल्पाधिकार के परिणामस्वरूप चीन की आयातित मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन वेफर्स पर भारी निर्भरता है, जो देश के एकीकृत सर्किट उद्योग के विकास को सीमित करने वाली प्रमुख बाधाओं में से एक बन गई है।

सेमीकंडक्टर सिलिकॉन मोनोक्रिस्टल विनिर्माण क्षेत्र में वर्तमान चुनौतियों पर काबू पाने के लिए, अनुसंधान और विकास में निवेश करना तथा घरेलू उत्पादन क्षमताओं को मजबूत करना एक अपरिहार्य विकल्प है।

2. मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन सामग्री का अवलोकन

मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन एकीकृत परिपथ उद्योग का आधार है। आज तक, 90% से ज़्यादा आईसी चिप्स और इलेक्ट्रॉनिक उपकरण मुख्य सामग्री के रूप में मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन का उपयोग करके बनाए जाते हैं। मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन की व्यापक मांग और इसके विविध औद्योगिक अनुप्रयोगों के पीछे कई कारण हैं:

1. सुरक्षा और पर्यावरण के अनुकूलसिलिकॉन पृथ्वी की पपड़ी में प्रचुर मात्रा में पाया जाता है, गैर विषैला और पर्यावरण के अनुकूल है।

2. विद्युत इन्सुलेशनसिलिकॉन स्वाभाविक रूप से विद्युत इन्सुलेशन गुण प्रदर्शित करता है, और गर्मी उपचार पर, यह सिलिकॉन डाइऑक्साइड की एक सुरक्षात्मक परत बनाता है, जो प्रभावी रूप से विद्युत आवेश के नुकसान को रोकता है।

3. परिपक्व विकास प्रौद्योगिकीसिलिकॉन विकास प्रक्रियाओं में तकनीकी विकास के लंबे इतिहास ने इसे अन्य अर्धचालक सामग्रियों की तुलना में कहीं अधिक परिष्कृत बना दिया है।

ये सभी कारक मिलकर मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन को उद्योग में अग्रणी बनाए रखते हैं, जिससे अन्य सामग्रियों द्वारा इसका स्थान लेना असंभव हो जाता है।

क्रिस्टल संरचना के संदर्भ में, मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन एक ऐसा पदार्थ है जो आवर्त जालक में व्यवस्थित सिलिकॉन परमाणुओं से बना होता है और एक सतत संरचना बनाता है। यह चिप निर्माण उद्योग का आधार है।

निम्नलिखित चित्र मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन तैयार करने की पूरी प्रक्रिया को दर्शाता है:

प्रक्रिया अवलोकन:
मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन, सिलिकॉन अयस्क से कई शोधन चरणों के माध्यम से प्राप्त किया जाता है। सबसे पहले, पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन प्राप्त किया जाता है, जिसे फिर क्रिस्टल वृद्धि भट्टी में मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन पिंड के रूप में विकसित किया जाता है। इसके बाद, इसे काटा जाता है, पॉलिश किया जाता है और चिप निर्माण के लिए उपयुक्त सिलिकॉन वेफर्स में संसाधित किया जाता है।

सिलिकॉन वेफर्स को आम तौर पर दो श्रेणियों में विभाजित किया जाता है:फोटोवोल्टिक-ग्रेडऔरअर्धचालक ग्रेडये दोनों प्रकार मुख्य रूप से अपनी संरचना, शुद्धता और सतह की गुणवत्ता में भिन्न होते हैं।

• अर्धचालक-ग्रेड वेफर्सइनमें 99.999999999% तक की असाधारण उच्च शुद्धता होती है, तथा इनका मोनोक्रिस्टलाइन होना अनिवार्य है।

• फोटोवोल्टिक-ग्रेड वेफर्सकम शुद्ध होते हैं, जिनकी शुद्धता का स्तर 99.99% से लेकर 99.9999% तक होता है, और क्रिस्टल गुणवत्ता के लिए ऐसी कठोर आवश्यकताएं नहीं होती हैं।

इसके अलावा, सेमीकंडक्टर-ग्रेड वेफर्स को फोटोवोल्टिक-ग्रेड वेफर्स की तुलना में अधिक सतही चिकनाई और स्वच्छता की आवश्यकता होती है। सेमीकंडक्टर वेफर्स के उच्च मानक उनकी तैयारी की जटिलता और अनुप्रयोगों में उनके बाद के मूल्य, दोनों को बढ़ाते हैं।

निम्नलिखित चार्ट अर्धचालक वेफर विनिर्देशों के विकास को रेखांकित करता है, जो प्रारंभिक 4-इंच (100 मिमी) और 6-इंच (150 मिमी) वेफर से बढ़कर वर्तमान 8-इंच (200 मिमी) और 12-इंच (300 मिमी) वेफर तक पहुंच गया है।

वास्तविक सिलिकॉन मोनोक्रिस्टल तैयारी में, वेफर का आकार अनुप्रयोग के प्रकार और लागत कारकों के आधार पर भिन्न होता है। उदाहरण के लिए, मेमोरी चिप्स में आमतौर पर 12-इंच के वेफर का उपयोग किया जाता है, जबकि पावर डिवाइस में अक्सर 8-इंच के वेफर का उपयोग किया जाता है।

संक्षेप में, वेफर के आकार का विकास मूर के नियम और आर्थिक कारकों, दोनों का परिणाम है। बड़े वेफर आकार से समान प्रसंस्करण परिस्थितियों में अधिक उपयोगी सिलिकॉन क्षेत्र का विकास संभव होता है, जिससे उत्पादन लागत कम होती है और वेफर के किनारों से अपशिष्ट भी कम होता है।

आधुनिक तकनीकी विकास में एक महत्वपूर्ण सामग्री के रूप में, सेमीकंडक्टर सिलिकॉन वेफर्स, फोटोलिथोग्राफी और आयन इम्प्लांटेशन जैसी सटीक प्रक्रियाओं के माध्यम से, उच्च-शक्ति रेक्टिफायर, ट्रांजिस्टर, बाइपोलर जंक्शन ट्रांजिस्टर और स्विचिंग उपकरणों सहित विभिन्न इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के उत्पादन में सक्षम बनाते हैं। ये उपकरण कृत्रिम बुद्धिमत्ता, 5G संचार, ऑटोमोटिव इलेक्ट्रॉनिक्स, इंटरनेट ऑफ थिंग्स और एयरोस्पेस जैसे क्षेत्रों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं और राष्ट्रीय आर्थिक विकास और तकनीकी नवाचार की आधारशिला बनते हैं।

3. मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन ग्रोथ टेक्नोलॉजी

ज़ोक्राल्स्की (सीजेड) विधिपिघले हुए पदार्थ से उच्च-गुणवत्ता वाली मोनोक्रिस्टलाइन सामग्री निकालने की एक कुशल प्रक्रिया है। 1917 में जान ज़ोक्रल्स्की द्वारा प्रस्तावित इस विधि को "द मेथड" के नाम से भी जाना जाता है।क्रिस्टल पुलिंगतरीका।

वर्तमान में, विभिन्न अर्धचालक पदार्थों के निर्माण में CZ विधि का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। अपूर्ण आँकड़ों के अनुसार, लगभग 98% इलेक्ट्रॉनिक घटक मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन से बने होते हैं, जिनमें से 85% घटक CZ विधि का उपयोग करके उत्पादित किए जाते हैं।

सीजेड विधि अपनी उत्कृष्ट क्रिस्टल गुणवत्ता, नियंत्रणीय आकार, तीव्र वृद्धि दर और उच्च उत्पादन क्षमता के कारण लोकप्रिय है। ये विशेषताएँ सीजेड मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन को इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग में उच्च-गुणवत्ता और बड़े पैमाने पर मांग को पूरा करने के लिए पसंदीदा सामग्री बनाती हैं।

सीजेड मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन का विकास सिद्धांत इस प्रकार है:

CZ प्रक्रिया के लिए उच्च तापमान, निर्वात और एक बंद वातावरण की आवश्यकता होती है। इस प्रक्रिया के लिए मुख्य उपकरण है:क्रिस्टल विकास भट्टी, जो इन स्थितियों को सुगम बनाता है।

निम्नलिखित चित्र क्रिस्टल वृद्धि भट्टी की संरचना को दर्शाता है।

सीज़ेड प्रक्रिया में, शुद्ध सिलिकॉन को एक क्रूसिबल में रखा जाता है, पिघलाया जाता है, और पिघले हुए सिलिकॉन में एक बीज क्रिस्टल डाला जाता है। तापमान, खिंचाव दर और क्रूसिबल घूर्णन गति जैसे मापदंडों को सटीक रूप से नियंत्रित करके, बीज क्रिस्टल और पिघले हुए सिलिकॉन के इंटरफ़ेस पर परमाणु या अणु लगातार पुनर्गठित होते हैं, सिस्टम के ठंडा होने पर ठोस हो जाते हैं और अंततः एक एकल क्रिस्टल का निर्माण करते हैं।

यह क्रिस्टल विकास तकनीक विशिष्ट क्रिस्टल अभिविन्यासों के साथ उच्च गुणवत्ता वाले, बड़े व्यास वाले मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन का उत्पादन करती है।

विकास प्रक्रिया में कई प्रमुख चरण शामिल हैं, जिनमें शामिल हैं:

1. वियोजन और लोडिंगक्रिस्टल को हटाना और भट्ठी और घटकों को क्वार्ट्ज, ग्रेफाइट या अन्य अशुद्धियों जैसे दूषित पदार्थों से अच्छी तरह से साफ करना।

2. निर्वात और गलनसिस्टम को निर्वात में खाली कर दिया जाता है, इसके बाद आर्गन गैस डाली जाती है और सिलिकॉन चार्ज को गर्म किया जाता है।

3. क्रिस्टल पुलिंगबीज क्रिस्टल को पिघले हुए सिलिकॉन में उतारा जाता है, और उचित क्रिस्टलीकरण सुनिश्चित करने के लिए इंटरफ़ेस तापमान को सावधानीपूर्वक नियंत्रित किया जाता है।

4. कंधे और व्यास नियंत्रणजैसे-जैसे क्रिस्टल बढ़ता है, उसके व्यास की सावधानीपूर्वक निगरानी की जाती है और समान वृद्धि सुनिश्चित करने के लिए उसे समायोजित किया जाता है।

5. विकास का अंत और भट्ठी बंद होनाजब वांछित क्रिस्टल का आकार प्राप्त हो जाता है, तो भट्ठी को बंद कर दिया जाता है, और क्रिस्टल को हटा दिया जाता है।

इस प्रक्रिया के विस्तृत चरण अर्धचालक विनिर्माण के लिए उपयुक्त उच्च गुणवत्ता वाले, दोषरहित मोनोक्रिस्टल का निर्माण सुनिश्चित करते हैं।

4. मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन उत्पादन में चुनौतियाँ

बड़े व्यास वाले अर्धचालक मोनोक्रिस्टल के उत्पादन में मुख्य चुनौतियों में से एक चुनौती विकास प्रक्रिया के दौरान तकनीकी बाधाओं पर काबू पाने में निहित है, विशेष रूप से क्रिस्टल दोषों की भविष्यवाणी और नियंत्रण में:

1. असंगत मोनोक्रिस्टल गुणवत्ता और कम उपजजैसे-जैसे सिलिकॉन मोनोक्रिस्टल्स का आकार बढ़ता है, विकास परिवेश की जटिलता बढ़ती जाती है, जिससे तापीय, प्रवाह और चुंबकीय क्षेत्रों जैसे कारकों को नियंत्रित करना मुश्किल हो जाता है। इससे निरंतर गुणवत्ता और उच्च उपज प्राप्त करने का कार्य और भी जटिल हो जाता है।

2. अस्थिर नियंत्रण प्रक्रियाअर्धचालक सिलिकॉन मोनोक्रिस्टल की वृद्धि प्रक्रिया अत्यधिक जटिल होती है, जिसमें कई भौतिक क्षेत्र परस्पर क्रिया करते हैं, जिससे नियंत्रण परिशुद्धता अस्थिर हो जाती है और उत्पाद की उपज कम होती है। वर्तमान नियंत्रण रणनीतियाँ मुख्य रूप से क्रिस्टल के स्थूल आयामों पर केंद्रित हैं, जबकि गुणवत्ता को अभी भी मैन्युअल अनुभव के आधार पर समायोजित किया जाता है, जिससे आईसी चिप्स में सूक्ष्म और नैनो निर्माण की आवश्यकताओं को पूरा करना मुश्किल हो जाता है।

इन चुनौतियों का समाधान करने के लिए, क्रिस्टल गुणवत्ता के लिए वास्तविक समय, ऑनलाइन निगरानी और पूर्वानुमान विधियों के विकास की तत्काल आवश्यकता है, साथ ही एकीकृत सर्किट में उपयोग के लिए बड़े मोनोक्रिस्टल के स्थिर, उच्च-गुणवत्ता वाले उत्पादन को सुनिश्चित करने के लिए नियंत्रण प्रणालियों में सुधार की भी आवश्यकता है।