Bloggegevens

1. Achtergrond en context van de industrie

Snelle technologische vooruitgang en de toenemende vraag naar zeer efficiënte slimme producten hebben de geïntegreerde circuit (IC)-industrie verder verankerd als een strategische pijler van de nationale ontwikkeling. Als de basis van het IC-ecosysteem is monocristallijn silicium van halfgeleiderkwaliteit cruciaal voor zowel technologische innovatie als economische groei.

Volgens de International Semiconductor Industry Association noteerde de wereldwijde siliciumwafersmarkt $12,6 miljard aan omzet, met een verzending van 14,2 miljard vierkante inch. De vraag blijft gestaag stijgen.

De industrie is sterk geconcentreerd: de top vijf leveranciers zijn goed voor meer dan 85% van het wereldwijde marktaandeel—Shin-Etsu Chemical (Japan), SUMCO (Japan), GlobalWafers, Siltronic (Duitsland), en SK Siltron (Zuid-Korea)—wat de grote afhankelijkheid van China van geïmporteerde monocristallijne siliciumwafers onderstreept. Deze afhankelijkheid is een belangrijke bottleneck die de IC-ontwikkeling van het land beperkt. Het versterken van binnenlandse R&D en productiecapaciteit is daarom essentieel.

2. Monokristallijn silicium: Materiaaloverzicht

Monokristallijn silicium vormt de basis van moderne micro-elektronica; meer dan 90% van IC-chips en elektronische apparaten worden op silicium vervaardigd. De dominantie ervan komt voort uit verschillende eigenschappen:

• Overvloed en milieuveiligheid: Silicium is overvloedig aanwezig in de aardkorst, niet-toxisch en milieuvriendelijk.

• Elektrische isolatie en native oxide: Silicium biedt van nature elektrische isolatie; na thermische oxidatie vormt het SiO₂, een hoogwaardige diëlektriciteit die ladingsverlies voorkomt.

• Volwassen productie-infrastructuur: Decennia van procesontwikkeling hebben een sterk verfijnd, schaalbaar groei- en waferfabricage-ecosysteem opgeleverd.

Structureel gezien is monokristallijn silicium een continue, periodieke rooster van siliciumatomen—het essentiële substraat voor het maken van chips.

Processtroom (op hoog niveau): Siliciumerts wordt geraffineerd om polykristallijn silicium te produceren, dat vervolgens wordt gesmolten en uitgroeit tot een monokristallijn blok in een kristalgroeikachel. Het blok wordt gesneden, gelapt, gepolijst en gereinigd om wafers te verkrijgen voor halfgeleiderverwerking.

Waferklassen:

• Halfgeleiderkwaliteit: Ultra-hoge zuiverheid (tot 99,999999999%, “11 negens”) en strikt monokristallijn, met strenge eisen aan kristalkwaliteit en oppervlaktereinigheid.

• Fotovoltaïsche kwaliteit: Lagere zuiverheid (99,99%–99,9999%) en minder veeleisende specificaties voor kristalkwaliteit en oppervlak.

Halfgeleiderwafers vereisen ook superieure vlakheid, oppervlaktegladheid en reinheid, wat zowel de procescomplexiteit als de eindgebruikswaarde verhoogt.

Diameterontwikkeling en economie: Industriële standaarden zijn geëvolueerd van 4-inch (100 mm) en 6-inch (150 mm) naar 8-inch (200 mm) en 12-inch (300 mm) wafers. Grotere diameters leveren meer bruikbare oppervlakte per procesgang op, waardoor de kostenefficiëntie wordt verbeterd en randverliezen worden verminderd—een evolutie die wordt aangedreven door de wet van Moore en de productie-economie. In de praktijk wordt de wafergrootte afgestemd op de toepassing en de kosten: geheugen gebruikt bijvoorbeeld vaak 300 mm, terwijl veel vermogensapparaten op 200 mm blijven.

Door middel van precieze processen—fotolithografie, ionenimplantatie, etsen, depositie en thermische behandelingen—maken siliciumwafers een breed scala aan apparaten mogelijk: hoogvermogen gelijkrichters, MOSFET's, BJT's en schakelcomponenten die AI, 5G, automotive-elektronica, IoT en ruimtevaart aandrijven—motoren van economische groei en innovatie.

3. Monokristallijne siliciumgroeitechnologie

De Czochralski (CZ)-methode

Voorgesteld door Jan Czochralski in 1917, produceert de CZ (kristaltrekken)-methode efficiënt grote, hoogwaardige enkele kristallen uit de smelt. Tegenwoordig is het de dominante aanpak voor silicium: ongeveer 98% van elektronische componenten is op silicium gebaseerd en ~85% daarvan is afhankelijk van CZ-gekweekte wafers. CZ heeft de voorkeur vanwege de kristalkwaliteit, de controleerbare diameter, de relatief snelle groeisnelheden en de hoge doorvoer.

Principe en apparatuur: Het CZ-proces werkt bij hoge temperatuur in vacuüm/inerte omstandigheden in een kristalgroeikachel. Polykristallijn silicium wordt in een smeltkroes gebracht en gesmolten. Een zaadkristal komt in contact met het oppervlak van de smelt; door de temperatuur, de treksnelheid en de rotatie van zowel het zaad als de smeltkroes nauwkeurig te regelen, stollen atomen aan het grensvlak smelt–vast in een enkel kristal met de gewenste oriëntatie en diameter.

Typische procesfasen:

1. Gereedschap voorbereiden & laden: Demonteer, reinig en herlaad de oven; verwijder verontreinigingen uit kwarts, grafiet en andere componenten.

2. Pompen, terugvullen & smelten: Evacueer naar vacuüm, introduceer argon en verwarm om de siliciumlading volledig te smelten.

3. Zaaien & initiële groei: Laat het zaad in de smelt zakken en creëer een stabiel grensvlak vast–vloeistof.

4. Schouderen & diameterregeling: Uitbreiden tot de doeldiameter en strakke controle handhaven via temperatuur- en treksnelheidsfeedback.

5. Stabiel trekken: Handhaaf uniforme groei met een ingestelde diameter.

6. Beëindiging & afkoeling: Voltooi het kristal, schakel uit en los het blok.

Correct uitgevoerd, levert de CZ-methode monokristallijn silicium met een grote diameter en weinig defecten op, geschikt voor geavanceerde halfgeleiderfabricage.

4. Productie-uitdagingen en -richtingen

Opschalen naar grotere diameters met behoud van kristalperfectie brengt aanzienlijke uitdagingen met zich mee, met name in defectvoorspelling en -controle:

• Kwaliteitsvariabiliteit en opbrengstverlies: Naarmate de diameter toeneemt, worden de thermische, stromings- en magnetische velden in de oven complexer. Het beheren van deze gekoppelde multiphysics-effecten is moeilijk, wat leidt tot inconsistenties in de kristalkwaliteit en lagere opbrengsten.

• Beperkingen van het besturingssysteem: Huidige strategieën benadrukken macroscopische parameters (bijv. diameter, treksnelheid). Fijnschalige defectcontrole is nog steeds sterk afhankelijk van menselijke expertise, die steeds ontoereikender wordt voor micro-/nano-schaal IC-vereisten.