في صناعة أشباه الموصلات، يعتبر مسحوق التنغستن فائق النقاء 6N وما فوق-عالي النقاء- مادة هامة لا يمكن استبدالها. إنها المادة الخام الأساسية لغاز التنغستن سداسي فلوريد الإلكتروني المتخصص والمادة المصدر الأولية لأهداف رش التنغستن. تحدد مستويات النقاء وحجم الجسيمات ومستويات شوائب الأكسجين بشكل مباشر إنتاجية -رقائق المعالجة المتقدمة. مع تقدم عقد العملية نحو 3-7 نانومتر واستمرار زيادة طبقات تكديس الذاكرة، تستمر القيمة الصناعية الإستراتيجية لمسحوق التنغستن فائق النقاء-عالي-في الظهور بشكل أكثر بروزًا. ستحلل هذه المقالة الصعوبات الفنية في تحضير مسحوق التنغستن فائق النقاء-والمزايا الصناعية الأساسية للصين، كما ستقدم تطبيقاته المجزأة وقيمته الصناعية في سيناريوهات أشباه الموصلات الأساسية.
صعوبات في تحضير مسحوق التنغستن-عالي النقاء- لأشباه الموصلات
يعد مركز التنغستن هو المصدر الخام لتحضير المواد التي تعتمد على التنغستن-، ويحتوي بشكل طبيعي على عناصر شوائب مختلفة مثل الموليبدينوم والحديد والبوتاسيوم والصوديوم والسيليكون والفوسفور والزرنيخ، بالإضافة إلى اليورانيوم والثوريوم. بالنسبة لتصنيع شرائح أشباه الموصلات، يمكن أن يكون لهذه الشوائب النادرة تأثيرات قاتلة على أداء الجهاز وإنتاجيته. على سبيل المثال:
● الموليبدينوم: في حالة وجود بقايا في مسحوق التنغستن، فإنه سيدخل إلى الجزء الداخلي من الشريحة مع ترسب طبقة رقيقة، مما يتسبب في حدوث تسرب وانحراف معلمات الجهاز، وفي الحالات الشديدة يؤدي إلى عطل في دائرة القصر- الخاصة بالشريحة؛
● المعادن القلوية مثل Na وK: تحت تأثير المجال الكهربائي، تكون عرضة للانجراف الأيوني في طبقة أكسيد البوابة لأجهزة MOS، مما يتسبب في انحراف جهد العتبة وزيادة تيار التسرب؛
● المعادن الانتقالية مثل Fe، وNi، وCu: يمكن أن تشكل عيوبًا عميقة في المستوى-في فجوة نطاق السيليكون، مما يؤدي إلى تقصير عمر الموجة الحاملة؛
● الشوائب غير المعدنية- مثل الأكسجين والكربون: تؤثر على الكثافة المستهدفة أو تشكل مراحل ثانية ضارة... ولذلك، فإن مسحوق التنغستن عالي النقاء-لأشباه الموصلات-يحتوي على حدود نقاء صارمة، خاصة بالنسبة للرقائق المنطقية المتقدمة 7 نانومتر و3 نانومتر والتخزين العالي-، ويتطلب 5 ن (99.999%) أو حتى 6 ن (99.9999%) مستويات نقاء فائقة-عالية-. يجب التحكم في الموليبدينوم والمعادن القلوية والشوائب المشعة عند مستوى جزء في المليون أو حتى جزء في البليون، كما تحتاج شوائب الغاز مثل الأكسجين والكربون إلى رقابة صارمة. لا يمكن لمركّز التنغستن الصناعي العادي المصهور تمامًا أن يفي بمعايير الصناعة الإلكترونية، ويجب إضافة عملية تنقية عميقة كاملة. في الوقت الحاضر، مسار التنقية الرئيسي لمسحوق التنغستن عالي النقاء - لأشباه الموصلات هو: يتم تحويل تركيز التنغستن أولاً إلى محلول ملح التنغستن من خلال التحلل القلوي أو التحلل الحمضي؛ ثم يتم استخدام العمليات المشتركة لتبادل الأيونات واستخلاص المذيبات لفصل وإزالة الشوائب الضارة المختلفة مثل الموليبدينوم والمعادن القلوية والسيليكون والزرنيخ والفوسفور على المستوى الجزيئي، للحصول على محلول تنغستات الأمونيوم الأمونيوم المنقى عالي النقاء؛ وبعد التبخر والتبلور، يتم الحصول على-بلورات APT عالية النقاء بدرجة نقاء تبلغ 99.95% وما فوق؛ يتم بعد ذلك تكليس - APT عالي النقاء لتكوين ثالث أكسيد التنغستن، ثم اختزاله باستخدام الهيدروجين فائق النقاء-عالي-من خلال الاختزال المتحكم فيه في درجة حرارة -مراحل متعددة- لإنتاج مسحوق تنغستن-عالي النقاء-أخيرًا.
ولذلك، فإن مسحوق التنغستن عالي النقاء-لأشباه الموصلات له حدود نقاء صارمة، خاصة بالنسبة للرقائق المنطقية المتقدمة مقاس 7 نانومتر و3 نانومتر والتخزين العالي-، مما يتطلب مستويات نقاء تبلغ 5N (99.999%) أو حتى 6N (99.9999%) فائقة-مستويات نقاء-. يجب التحكم في الموليبدينوم والمعادن القلوية والشوائب المشعة عند مستوى جزء في المليون أو حتى جزء في البليون، كما تحتاج شوائب الغاز مثل الأكسجين والكربون إلى رقابة صارمة. لا يمكن لمركّز التنغستن الصناعي العادي المصهور تمامًا أن يفي بمعايير الصناعة الإلكترونية، ويجب إضافة عملية تنقية عميقة كاملة. في الوقت الحاضر، مسار التنقية الرئيسي لمسحوق التنغستن عالي النقاء - لأشباه الموصلات هو: يتم تحويل تركيز التنغستن أولاً إلى محلول ملح التنغستن من خلال التحلل القلوي أو التحلل الحمضي؛ ثم يتم استخدام العمليات المشتركة لتبادل الأيونات واستخلاص المذيبات لفصل وإزالة الشوائب الضارة المختلفة مثل الموليبدينوم، والمعادن القلوية، والسيليكون، والزرنيخ، والفوسفور على المستوى الجزيئي، للحصول على محلول تنغستات الأمونيوم الأمونيوم المنقى عالي النقاء -؛ وبعد التبخر والتبلور، يتم الحصول على-بلورات APT عالية النقاء بدرجة نقاء تبلغ 99.95% وما فوق؛ يتم بعد ذلك تكليس - APT عالي النقاء لتكوين ثالث أكسيد التنغستن، ثم اختزاله باستخدام هيدروجين فائق النقاء-عالٍ-من خلال -درجة حرارة متعددة المراحل-اختزال متحكم فيه لإنتاج مسحوق تنغستن-عالي النقاء-أخيرًا.
ومع ذلك، فإن هذه العملية تواجه عوائق تقنية عالية للغاية:
(1) المشكلة الصعبة المتمثلة في فصل الموليبدينوم-التنغستن العميق: يعتبر التنغستن والموليبدينوم عنصرين متجاورين في نفس المجموعة، كما أن السلوك الكيميائي لنصف القطر الأيوني والمحلول المائي متشابه للغاية، مما يجعل من الصعب جدًا فصلهما تمامًا عن طريق طرق الترسيب والبلورة التقليدية؛ (2) الإزالة العميقة للمعادن القلوية والمعادن الثقيلة النزرة: يتم امتصاص البوتاسيوم والصوديوم بسهولة في مسام الراتنج والفجوات البلورية ويصعب غسلهما تمامًا. يمكن أن تقدم المواد المساعدة أيضًا شوائب ثانوية، مما يتطلب تبادل أيون متعدد -مراحل وإعادة بلورة متكررة لتقليلها إلى مستوى ppb. (3) التحكم في الاختزال -بدرجة حرارة متعددة المراحل-: بعد تكليس APT بدرجة حرارة عالية-، يلزم التسخين اللطيف أولاً لاختزال ثالث أكسيد التنغستن إلى ثاني أكسيد التنغستن. بعد ذلك، يتم رفع درجة الحرارة لتقليلها تمامًا إلى مسحوق التنغستن المعدني النقي. نظرًا لأن مسحوق التنغستن حساس للغاية لمعلمات مثل درجة الحرارة، فإن نافذة العملية الخاصة به تكون ضيقة جدًا. ستؤثر التغييرات الطفيفة في معدل تدفق الهيدروجين وبيئة غاز الفرن ومنحنى درجة الحرارة على حجم الجسيمات ونقاء مسحوق التنغستن النهائي. (4) الوقاية الكاملة- من التلوث الثانوي: بدءًا من الترشيح والاستخلاص والتبلور وحتى التكليس وتقليل الهيدروجين، ستؤدي مواد المعدات ونقاء الكاشف والنظافة البيئية إلى ظهور شوائب جديدة، مما يضع متطلبات عالية للغاية على اختيار المعدات والتحكم في المواد المساعدة ومستويات نظافة ورشة العمل. بالإضافة إلى النقاء الكيميائي، يحتاج مسحوق التنغستن شبه الموصل أيضًا إلى رقابة صارمة على حجم الجسيمات، وتوزيع حجم الجسيمات، ودرجة التكتل، وشوائب غاز الأكسجين والكربون. في ظل فرضية النقاء العالي، يعد تحقيق التوازن بين المؤشرات الفيزيائية للمسحوق وتحقيق اتساق الدفعة-إلى-الدفعة في الإنتاج الضخم أمرًا صعبًا.
المزايا الأساسية لصناعة -أشباه الموصلات- ذات النقاء العالي في الصين
نهاية المورد: تتركز موارد التنغستن العالمية بشكل كبير، وتمتلك الصين-أساسًا عالي الجودة لموارد خام التنغستن، وهو ما يمثل 52% من الاحتياطيات العالمية. على وجه الخصوص، يحتوي خام التنغستن الأسود في مناطق التعدين مثل جنوب جيانغشي على محتوى منخفض من شوائب الموليبدينوم الأصلي وظروف مواد خام فطرية ممتازة، مما يوفر -ضمانًا عالي الجودة لمصدر أشباه الموصلات-درجة عالية من -APT وإنتاج مسحوق التنغستن عالي النقاء-، مما يقلل من ضغط العملية لإزالة الموليبدينوم العميقة من نهاية الخام. نهاية الصناعة: بالاعتماد على النظام الصناعي الكامل لتعدين التنغستن، فتحت الصين بالفعل السلسلة الكاملة من "خام التنغستن - APT - عالي النقاء-أكسيد التنغستن - 6N عالي-مسحوق التنغستن النقاء - سداسي فلوريد التنغستن / هدف التنغستن." بعد عقود من التكرار في العمليات التعدينية المائية، تم تحقيق تطبيقات ناضجة محليًا في إزالة كبريتيد الموليبدينوم، والتبادل الأيوني متعدد-المراحل، وعمليات التنقية العميقة باستخلاص المذيبات، وحل نقاط الألم الفنية الأساسية لفصل موليبدينوم التنغستن- وإزالة الشوائب النزرة. من بينها، أصبحت China Tungsten وHightech وXiamen Tungsten الشركتين الوحيدتين في العالم القادرتين على إنتاج كميات ثابتة من-مسحوق التنغستن عالي النقاء-بدرجة أعلى من 6N. بالإضافة إلى ذلك،-يتمتع مسحوق التنغستن عالي النقاء بنشاط عالٍ ومساحة سطحية كبيرة محددة. بعد ملامسة الهواء، يكون من السهل للغاية أكسدة وامتصاص الرطوبة والشوائب بسرعة، مما يؤدي مباشرة إلى انخفاض النقاء وتدهور أداء المسحوق، مما يجعله غير قادر على تلبية معايير استخدام عملية أشباه الموصلات. تتراوح دورة المخزون الفعالة التقليدية لمسحوق التنغستن-عالي النقاء-في الصناعة من 3 إلى 5 أشهر فقط، وتكون ظروف التخزين قاسية للغاية. ويجب أن يتم إبقاؤه محكم الإغلاق-مفرغًا من الهواء بالكامل ومخزنًا في جو-خامل من الأرجون عالي النقاء، بالإضافة إلى مرافق تخزين نظيفة مخصصة. إن تكاليف تجديد التخزين وتكاليف التشغيل والصيانة تتجاوز بكثير تكاليف المواد الخام المعدنية العادية، كما أن التخزين على المدى الطويل-غير اقتصادي نسبيًا. وتعمل هذه الخاصية على تعزيز ميزة الاحتكار التي تتمتع بها الصين في سلسلة التوريد العالمية.
تطبيقات-مسحوق التنغستن عالي النقاء في سيناريوهات أشباه الموصلات الأساسية
يعد مسحوق التنغستن-عالي النقاء-من أشباه الموصلات بمثابة المادة الخام الأساسية لمادتين مستهلكتين رئيسيتين: الغاز الإلكتروني المتخصص لسداسي فلوريد التنغستن (WF₆) وأهداف رش التنغستن. إنها مادة معدنية مقاومة للحرارة لا غنى عنها لرقائق المنطق المتقدمة ورقائق الذاكرة -المتطورة، ولها قيمة تطبيق لا يمكن استبدالها في شرائح المنطق المتقدمة 3 نانومتر/7 نانومتر، وذاكرة فلاش NAND ثلاثية الأبعاد، وذاكرة النطاق الترددي العالي -HBM. (1) يُستخدم لتحضير الغاز الإلكتروني التخصصي سداسي فلوريد التنغستن (WF₆): باستخدام مسحوق التنغستن عالي النقاء-وغاز الفلورين عالي النقاء-كمواد خام، يتم الحصول على سداسي فلوريد التنغستن-من الدرجة الإلكترونية من خلال الفلورة وتنقية التصحيح متعددة-المراحل، ويستخدم كمقدمة لترسيب البخار الكيميائي للأمراض القلبية الوعائية. غاز. أثناء تصنيع الرقاقة، يتحلل سداسي فلوريد التنغستن لينتج التنغستن المعدني، والذي يستخدم لملء عدد كبير من منافذ قابس التنغستن داخل الشريحة لتحقيق التوصيل البيني الرأسي بين الدوائر الموجودة على طبقات مختلفة؛ يمكن استخدامه أيضًا لطبقة الحاجز المعدني وترسيب الأغشية الرقيقة بخط الكلمات. مع النمو الهائل لصناعة حوسبة الذكاء الاصطناعي، يتزايد عدد طبقات التراص في ذاكرة النطاق الترددي العالي-HBM، وتستمر ذاكرة فلاش NAND ثلاثية الأبعاد في التكرار نحو أكثر من 200 طبقة. يتضاعف عدد الممرات الرأسية، ولا يزال الطلب على سداسي فلوريد التنغستن ومسحوق التنغستن عالي النقاء- ينمو بسرعة. (2) يستخدم لإعداد أهداف رش التنغستن لأشباه الموصلات: يتم تشكيل مسحوق التنغستن عالي النقاء - وتكلسه وتشكيله بدقة للحصول على أهداف التنغستن. من خلال الاعتماد على عملية رش المغنطرون PVD، يتم ترسيب الأغشية الرقيقة من معدن التنغستن على سطح الرقاقة لطبقات الحاجز والأقطاب الكهربائية والأفلام المترابطة داخل رقائق المنطق ورقاقات الذاكرة. العمليات المتقدمة عند 7 نانومتر و3 نانومتر لها متطلبات صارمة لنقاء الهدف وتجانس الحبوب والكثافة. مصدر الهدف هو-مسحوق التنغستن عالي النقاء، ونقاء المسحوق يحدد بشكل مباشر جودة الفيلم المنفوش. ستؤدي الشوائب المفرطة إلى سلسلة من المشكلات مثل عيوب الجسيمات والتسرب وانخفاض الإنتاج.