Nel settore dei semiconduttori, la polvere di tungsteno di purezza ultra-elevata-6N e superiore è un materiale critico insostituibile. È sia la materia prima principale per il gas speciale elettronico all'esafluoruro di tungsteno, sia il materiale di partenza a monte per gli obiettivi di sputtering di tungsteno. La sua purezza, la dimensione delle particelle e i livelli di impurità dell'ossigeno determinano direttamente la resa dei chip di processo-avanzati. Man mano che i nodi di processo avanzano verso 3-7 nm e gli strati di stacking di memoria continuano ad aumentare, il valore industriale strategico della polvere di tungsteno ad altissima-purezza-continua a diventare più importante. Questo articolo analizzerà le difficoltà tecniche nella preparazione della polvere di tungsteno ad altissima-purezza e i principali vantaggi industriali della Cina e presenterà le sue applicazioni segmentate e il valore industriale negli scenari principali dei semiconduttori.
Difficoltà nella preparazione della polvere di tungsteno di-grado elevato-purezza dei semiconduttori
Il concentrato di tungsteno è il minerale di partenza per la preparazione di materiali a base di tungsteno- e contiene naturalmente vari elementi impuri come molibdeno, ferro, potassio, sodio, silicio, fosforo, arsenico, nonché uranio e torio. Per la produzione di chip semiconduttori, queste tracce di impurità possono avere effetti fatali sulle prestazioni e sulla resa del dispositivo. Per esempio:
● Molibdeno: se residuo nella polvere di tungsteno, entrerà all'interno del chip con la deposizione di una pellicola sottile, causando perdite e deviazione dei parametri del dispositivo e, in casi gravi, con conseguente guasto di cortocircuito-del chip;
● Metalli alcalini come Na e K: sotto l'azione di un campo elettrico, sono soggetti alla deriva ionica nello strato di ossido di gate dei dispositivi MOS, causando una deriva della tensione di soglia e un aumento della corrente di dispersione;
● Metalli di transizione come Fe, Ni e Cu: possono formare difetti a livello-profondo nel bandgap del silicio, accorciando la durata del trasportatore;
● Impurità non-metalliche come ossigeno e carbonio: influiscono sulla densità target o formano seconde fasi dannose... Pertanto, la polvere di tungsteno di-grado elevato-di purezza dei semiconduttori ha soglie di purezza rigorose, in particolare per chip logici avanzati da 7 nm e 3 nm e storage di fascia alta,-che richiedono 5N (99,999%) o addirittura 6N (99,9999%) livelli di purezza ultra-elevati-. Il molibdeno, i metalli alcalini e le impurità radioattive devono essere controllati a livello di ppm o addirittura ppb, e anche le impurità dei gas come l'ossigeno e il carbonio necessitano di un controllo rigoroso. Il normale concentrato di tungsteno industriale fuso direttamente completamente non può soddisfare gli standard dell'industria elettronica ed è necessario aggiungere un processo di purificazione profonda completo. Attualmente, il percorso principale di purificazione della polvere di tungsteno di elevata purezza-di semiconduttore-è: il concentrato di tungsteno viene prima convertito in una soluzione di sale di tungsteno attraverso la decomposizione alcalina o la decomposizione acida; quindi vengono utilizzati processi combinati di scambio ionico ed estrazione con solvente per separare e rimuovere varie impurità nocive come molibdeno, metalli alcalini, silicio, arsenico e fosforo a livello molecolare, ottenendo una soluzione purificata di tungstato di ammonio di elevata purezza-; dopo l'evaporazione e la cristallizzazione, si ottengono cristalli APT di elevata-purezza con una purezza del 99,95% e superiore; l'APT ad alta-purezza viene quindi calcinato per formare triossido di tungsteno e quindi ridotto utilizzando idrogeno ad-alta-purezza attraverso una riduzione controllata dalla temperatura-a più stadi per produrre infine polvere di tungsteno ad alta-purezza di grado semiconduttore.
Pertanto, la polvere di tungsteno ad alta-purezza-di grado elevato per semiconduttori presenta soglie di purezza rigorose, in particolare per chip logici avanzati da 7 nm e 3 nm e storage di fascia alta-, che richiedono livelli di purezza ultra-elevati- 5N (99,999%) o addirittura 6N (99,9999%). Il molibdeno, i metalli alcalini e le impurità radioattive devono essere controllati a livello di ppm o addirittura ppb, e anche le impurità dei gas come l'ossigeno e il carbonio necessitano di un controllo rigoroso. Il normale concentrato di tungsteno industriale fuso direttamente completamente non può soddisfare gli standard dell'industria elettronica ed è necessario aggiungere un processo di purificazione profonda completo. Attualmente, il percorso principale di purificazione della polvere di tungsteno di elevata purezza-di semiconduttore-è: il concentrato di tungsteno viene prima convertito in una soluzione di sale di tungsteno attraverso la decomposizione alcalina o la decomposizione acida; quindi vengono utilizzati processi combinati di scambio ionico ed estrazione con solvente per separare e rimuovere varie impurità nocive come molibdeno, metalli alcalini, silicio, arsenico e fosforo a livello molecolare, ottenendo una soluzione purificata di tungstato di ammonio di elevata purezza-; dopo l'evaporazione e la cristallizzazione, si ottengono cristalli APT di elevata-purezza con una purezza del 99,95% e superiore; l'APT ad alta-purezza viene quindi calcinato per formare triossido di tungsteno e quindi ridotto utilizzando idrogeno ad-alta-purezza attraverso una riduzione controllata dalla temperatura-a più stadi per produrre infine polvere di tungsteno ad alta-purezza di grado semiconduttore.
Tuttavia, questo processo presenta barriere tecniche estremamente elevate:
(1) Il difficile problema della separazione profonda del tungsteno-molibdeno: tungsteno e molibdeno sono elementi adiacenti nello stesso gruppo e i loro raggi ionici e i comportamenti chimici in soluzione acquosa sono estremamente simili, rendendo molto difficile la loro completa separazione mediante metodi convenzionali di precipitazione e cristallizzazione; (2) Rimozione profonda di metalli alcalini e tracce di metalli pesanti: il potassio e il sodio vengono assorbiti molto facilmente nei pori della resina e negli spazi vuoti dei cristalli e sono difficili da eliminare completamente. I materiali ausiliari possono anche introdurre impurità secondarie, che richiedono uno scambio ionico a più-stadi e ripetute ricristallizzazioni per ridurle al livello di ppb. (3) Controllo della riduzione controllata dalla temperatura-a più stadi-: dopo la calcinazione ad alta-temperatura dell'APT, è prima necessario un riscaldamento delicato per ridurre il triossido di tungsteno in biossido di tungsteno. Successivamente la temperatura viene ulteriormente aumentata fino a ridurla completamente in pura polvere metallica di tungsteno. Poiché la polvere di tungsteno è estremamente sensibile a parametri come la temperatura, la finestra di processo è molto ristretta. Lievi variazioni nella portata dell'idrogeno, nell'ambiente del gas del forno e nella curva della temperatura influenzeranno la dimensione delle particelle e la purezza della polvere di tungsteno finale. (4) Prevenzione completa-del processo della contaminazione secondaria: dalla lisciviazione, estrazione, cristallizzazione alla calcinazione e riduzione dell'idrogeno, i materiali delle apparecchiature, la purezza dei reagenti e la pulizia ambientale introdurranno nuove impurità, ponendo requisiti estremamente elevati sulla selezione delle apparecchiature, sul controllo dei materiali ausiliari e sui livelli di pulizia dell'officina. Oltre alla purezza chimica, la polvere di tungsteno dei semiconduttori richiede anche un controllo rigoroso della dimensione delle particelle, della distribuzione delle dimensioni delle particelle, del grado di agglomerazione e delle impurità di ossigeno e gas di carbonio. Con la premessa di un'elevata purezza, è difficile bilanciare gli indicatori fisici delle polveri e ottenere la coerenza da lotto a lotto nella produzione di massa.
Vantaggi principali dell'industria cinese della polvere di tungsteno di elevata purezza-di grado elevato-
Fine delle risorse: le risorse globali di tungsteno sono altamente concentrate e la Cina dispone di risorse di minerale di tungsteno di alta-qualità, che rappresentano il 52% delle riserve globali. In particolare, il minerale di tungsteno nero nelle aree minerarie come lo Jiangxi meridionale ha un basso contenuto di impurità native di molibdeno ed eccellenti condizioni innate delle materie prime, fornendo garanzia di origine di alta-qualità per semiconduttori-di grado elevato-purezza APT e produzione di polvere di tungsteno di elevata-purezza, riducendo la pressione del processo per la rimozione profonda del molibdeno dall'estremità del minerale. Fine del settore: basandosi su un sistema industriale completo di metallurgia del tungsteno, la Cina ha già aperto l'intera catena di "minerale di tungsteno - APT - ossido di tungsteno ad alta-purezza - 6N polvere di tungsteno ad alta-purezza - esafluoruro di tungsteno/bersaglio di tungsteno." Dopo decenni di iterazione nei processi idrometallurgici, sono state raggiunte applicazioni mature a livello nazionale nella rimozione del solfuro di molibdeno, nello scambio ionico multi-fase e nei processi di purificazione profonda con estrazione con solvente, risolvendo i principali punti critici tecnici della separazione del tungsteno-molibdeno e della rimozione delle impurità. Tra questi, China Tungsten and Hightech e Xiamen Tungsten sono diventate le uniche due aziende al mondo in grado di produrre stabilmente in massa-polvere di tungsteno ad elevata-purezza superiore a 6N. Inoltre, la polvere di tungsteno ad elevata-purezza ha un'attività elevata e un'ampia area superficiale specifica. Dopo il contatto con l'aria, è estremamente facile ossidarsi rapidamente e assorbire umidità e impurità, portando direttamente a una diminuzione della purezza e al deterioramento delle prestazioni della polvere, rendendola incapace di soddisfare gli standard di utilizzo del processo dei semiconduttori. Il ciclo di inventario effettivo convenzionale per la polvere di tungsteno di grado di-semiconduttore ad elevata purezza-nel settore è di soli 3-5 mesi e le condizioni di conservazione sono estremamente dure. Deve essere mantenuto sotto vuoto-sigillato e conservato in un'atmosfera inerte di argon-di elevata purezza, combinata con strutture di stoccaggio pulite dedicate. I costi di rinnovamento dello stoccaggio, di funzionamento e di manutenzione superano di gran lunga quelli delle normali materie prime metalliche e l'accumulo di scorte a lungo termine è relativamente antieconomico. Questa caratteristica rafforza ulteriormente il vantaggio monopolistico della Cina nella catena di approvvigionamento globale.
Applicazioni della polvere di tungsteno ad elevata-purezza in scenari di semiconduttori core
La polvere di tungsteno di elevata purezza-di grado elevato-semiconduttore è la materia prima principale per due materiali di consumo principali: il gas speciale elettronico di esafluoruro di tungsteno (WF₆) e i target di sputtering di tungsteno. È un materiale metallico refrattario indispensabile per chip logici avanzati e chip di memoria di fascia alta- e ha un valore applicativo insostituibile nei chip logici avanzati da 3 nm/7 nm, nella memoria flash NAND 3D e nella memoria HBM ad alta larghezza di banda-. (1) Utilizzato per preparare gas speciali per l'elettronica di esafluoruro di tungsteno (WF₆): utilizzando polvere di tungsteno ad alta-purezza e gas di fluoro ad alta-purezza come materie prime, l'esafluoruro di tungsteno di grado elettronico-è ottenuto mediante fluorurazione e purificazione con rettifica a più-stadi e viene utilizzato come gas precursore della deposizione chimica in fase vapore CVD. Durante la produzione dei wafer, l'esafluoruro di tungsteno si decompone per generare tungsteno metallico, che viene utilizzato per riempire il gran numero di passaggi dei connettori di tungsteno all'interno del chip per ottenere l'interconnessione verticale tra circuiti su diversi strati; può essere utilizzato anche per la deposizione di strati barriera metallici e di film sottili su linee di parola. Con la crescita esplosiva del settore dell'informatica AI, il numero di livelli di stacking nella memoria HBM-a larghezza di banda elevata è in aumento e la memoria flash NAND 3D continua a scorrere verso più di 200 livelli. Il numero di vie verticali si sta moltiplicando e la domanda di esafluoruro di tungsteno e di polvere di tungsteno ad elevata purezza-upstream è ancora in rapida crescita. (2) Utilizzato per preparare bersagli di sputtering di tungsteno per semiconduttori: la polvere di tungsteno ad elevata purezza- viene formata, sinterizzata e lavorata con precisione per ottenere bersagli di tungsteno. Facendo affidamento sul processo di sputtering del magnetron PVD, film sottili di metallo di tungsteno vengono depositati sulla superficie del wafer per strati barriera, elettrodi e film di interconnessione all'interno di chip logici e chip di memoria. I processi avanzati a 7 nm e 3 nm hanno requisiti rigorosi in termini di purezza target, uniformità dei grani e densità. La fonte del target è polvere di tungsteno ad elevata-purezza e la purezza della polvere determina direttamente la qualità della pellicola spruzzata. Un eccesso di impurità causerà una serie di problemi come difetti delle particelle, perdite e diminuzione della resa.