Dans l'industrie des semi-conducteurs, la poudre de tungstène d'ultra-haute-pureté 6N et supérieure est un matériau critique irremplaçable. Il s'agit à la fois de la matière première de base du gaz spécial électronique à base d'hexafluorure de tungstène et de la matière source en amont des cibles de pulvérisation de tungstène. Sa pureté, sa taille de particules et ses niveaux d'impuretés d'oxygène déterminent directement le rendement des puces de traitement avancées-. À mesure que les nœuds de processus progressent vers 3-7 nm et que les couches d'empilement de mémoire continuent d'augmenter, la valeur industrielle stratégique de la poudre de tungstène d'ultra-haute pureté- continue de devenir de plus en plus importante. Cet article analysera les difficultés techniques liées à la préparation de poudre de tungstène de très haute pureté et les principaux avantages industriels de la Chine, et présentera ses applications segmentées et sa valeur industrielle dans les principaux scénarios de semi-conducteurs.
Difficultés de préparation des semi-conducteurs-poudre de tungstène de haute pureté-
Le concentré de tungstène est le minerai source pour la préparation de matériaux à base de tungstène- et contient naturellement diverses impuretés telles que le molybdène, le fer, le potassium, le sodium, le silicium, le phosphore, l'arsenic, ainsi que l'uranium et le thorium. Pour la fabrication de puces semi-conductrices, ces traces d’impuretés peuvent avoir des effets fatals sur les performances et le rendement des appareils. Par exemple:
● Molybdène : s'il est résiduel dans la poudre de tungstène, il pénétrera à l'intérieur de la puce avec un dépôt de film mince, provoquant des fuites et une dérive des paramètres de l'appareil, et dans les cas graves, entraînant une défaillance de court-circuit-de la puce ;
● Métaux alcalins tels que Na et K : sous l'action d'un champ électrique, ils sont sujets à une dérive ionique dans la couche d'oxyde de grille des dispositifs MOS, provoquant une dérive de tension de seuil et une augmentation du courant de fuite ;
● Métaux de transition tels que Fe, Ni et Cu : ils peuvent former des défauts profonds-dans la bande interdite du silicium, raccourcissant ainsi la durée de vie des porteurs ;
● Impuretés non-métalliques telles que l'oxygène et le carbone : elles affectent la densité cible ou forment des secondes phases nocives... Par conséquent, la poudre de tungstène de haute pureté-de qualité semi-conductrice-a des seuils de pureté stricts, en particulier pour les puces logiques avancées de 7 nm et 3 nm et le stockage haut de gamme, nécessitant 5N (99,999 %) ou même 6N (99,9999 %) niveaux de pureté ultra-élevés-. Le molybdène, les métaux alcalins et les impuretés radioactives doivent être contrôlés au niveau du ppm, voire du ppb, et les impuretés des gaz telles que l'oxygène et le carbone doivent également être strictement contrôlées. Le concentré de tungstène industriel ordinaire directement fondu ne peut pas répondre aux normes de l'industrie électronique, et un processus complet de purification en profondeur doit être ajouté. À l'heure actuelle, la principale voie de purification de la poudre de tungstène de haute pureté de qualité semi-conductrice - est la suivante : le concentré de tungstène est d'abord converti en une solution de sel de tungstène par décomposition alcaline ou décomposition acide ; Ensuite, des processus combinés d'échange d'ions et d'extraction par solvant sont utilisés pour séparer et éliminer diverses impuretés nocives telles que le molybdène, les métaux alcalins, le silicium, l'arsenic et le phosphore au niveau moléculaire, obtenant ainsi une solution purifiée de tungstate d'ammonium de haute pureté - ; après évaporation et cristallisation, des cristaux d'APT de haute -pureté d'une pureté de 99,95 % et plus sont obtenus ; l'APT de haute-pureté est ensuite calciné pour former du trioxyde de tungstène, puis réduit à l'aide d'hydrogène d'ultra-haute-pureté par une réduction à plusieurs-température-contrôlée pour finalement produire une poudre de tungstène de haute pureté de qualité semi-conductrice-de haute-poudre.
Par conséquent, la poudre de tungstène de haute pureté de qualité semi-conductrice-a des seuils de pureté stricts, en particulier pour les puces logiques avancées de 7 nm et 3 nm et le stockage haut de gamme, nécessitant des niveaux de pureté ultra-élevés-de 5N (99,999 %) ou même de 6N (99,9999 %). Le molybdène, les métaux alcalins et les impuretés radioactives doivent être contrôlés au niveau du ppm, voire du ppb, et les impuretés des gaz telles que l'oxygène et le carbone doivent également être strictement contrôlées. Le concentré de tungstène industriel ordinaire directement fondu ne peut pas répondre aux normes de l'industrie électronique, et un processus complet de purification en profondeur doit être ajouté. À l'heure actuelle, la principale voie de purification de la poudre de tungstène de haute pureté de qualité semi-conductrice - est la suivante : le concentré de tungstène est d'abord converti en une solution de sel de tungstène par décomposition alcaline ou décomposition acide ; Ensuite, des processus combinés d'échange d'ions et d'extraction par solvant sont utilisés pour séparer et éliminer diverses impuretés nocives telles que le molybdène, les métaux alcalins, le silicium, l'arsenic et le phosphore au niveau moléculaire, obtenant ainsi une solution purifiée de tungstate d'ammonium de haute pureté - ; après évaporation et cristallisation, des cristaux d'APT de haute -pureté d'une pureté de 99,95 % et plus sont obtenus ; l'APT de haute-pureté est ensuite calciné pour former du trioxyde de tungstène, puis réduit à l'aide d'hydrogène d'ultra-haute-pureté par une réduction à plusieurs-température-contrôlée pour finalement produire de la poudre de tungstène de haute pureté-de qualité semi-conductrice-de qualité semi-conductrice.
Cependant, ce procédé se heurte à des barrières techniques extrêmement élevées :
(1) Le problème difficile de la séparation profonde du tungstène-molybdène : le tungstène et le molybdène sont des éléments adjacents dans le même groupe, et leurs rayons ioniques et leurs comportements chimiques en solution aqueuse sont extrêmement similaires, ce qui rend très difficile leur séparation complète par les méthodes conventionnelles de précipitation et de cristallisation ; (2) Élimination en profondeur des métaux alcalins et des traces de métaux lourds : le potassium et le sodium sont très facilement adsorbés dans les pores de la résine et les interstices des cristaux et sont difficiles à éliminer complètement. Les matériaux auxiliaires peuvent également introduire des impuretés secondaires, nécessitant un échange d'ions en plusieurs étapes et une recristallisation répétée pour les réduire au niveau ppb. (3) Contrôle de réduction à température contrôlée en plusieurs étapes : après une calcination à haute température de l'APT, un chauffage doux est d'abord nécessaire pour réduire le trioxyde de tungstène en dioxyde de tungstène. Après cela, la température est encore augmentée pour la réduire complètement en poudre de tungstène métallique pure. La poudre de tungstène étant extrêmement sensible à des paramètres tels que la température, sa fenêtre de traitement est très étroite. De légers changements dans le débit d’hydrogène, l’environnement du gaz du four et la courbe de température affecteront la taille des particules et la pureté de la poudre de tungstène finale. (4) Prévention complète du processus de contamination secondaire : de la lixiviation, de l'extraction, de la cristallisation à la calcination et à la réduction de l'hydrogène, les matériaux des équipements, la pureté des réactifs et la propreté de l'environnement introduiront de nouvelles impuretés, imposant des exigences extrêmement élevées en matière de sélection des équipements, de contrôle des matériaux auxiliaires et de niveaux de propreté en atelier. En plus de la pureté chimique, la poudre de tungstène semi-conducteur nécessite également un contrôle strict de la taille des particules, de la distribution granulométrique, du degré d'agglomération et des impuretés d'oxygène et de carbone. Dans le contexte d'une pureté élevée, il est difficile d'équilibrer les indicateurs physiques de la poudre et d'obtenir une cohérence d'un lot à l'autre dans la production de masse.
Principaux avantages de l'industrie chinoise des semi-conducteurs-poudre de tungstène de haute pureté-
Côté ressources : les ressources mondiales en tungstène sont très concentrées et la Chine dispose d'une base de ressources en minerai de tungstène de haute qualité, représentant 52 % des réserves mondiales. En particulier, le minerai de tungstène noir dans les zones minières telles que le sud du Jiangxi a une faible teneur en impuretés de molybdène natives et d'excellentes conditions innées de matières premières, fournissant une assurance qualité élevée pour la production d'APT de haute pureté de qualité semi-conductrice -et de poudre de tungstène de haute pureté-, réduisant ainsi la pression du processus pour l'élimination profonde du molybdène de l'extrémité du minerai. Fin de l'industrie : s'appuyant sur un système industriel complet de métallurgie du tungstène, la Chine a déjà ouvert la chaîne complète du « minerai de tungstène - APT - oxyde de tungstène de haute-oxyde de tungstène de haute pureté - 6N poudre de tungstène de haute-poudre de tungstène de haute pureté - hexafluorure de tungstène/cible de tungstène." Après des décennies d'itération dans les processus hydrométallurgiques, des applications matures au niveau national ont été réalisées dans les processus d'élimination du sulfure de molybdène, d'échange d'ions en plusieurs étapes et d'extraction par solvant, résolvant les principaux problèmes techniques de la séparation du tungstène -molybdène et de l'élimination des traces d'impuretés. Parmi elles, China Tungsten and Hightech et Xiamen Tungsten sont devenues les deux seules entreprises au monde capables de produire en masse et de manière stable-de la poudre de tungstène de haute-pureté supérieure à 6N. De plus, la poudre de tungstène de haute-pureté a une activité élevée et une grande surface spécifique. Après contact avec l'air, il est extrêmement facile d'oxyder et d'adsorber rapidement l'humidité et les impuretés, entraînant directement une diminution de la pureté et une détérioration des performances de la poudre, la rendant incapable de répondre aux normes d'utilisation des procédés de semi-conducteurs. Le cycle d'inventaire effectif conventionnel pour la poudre de tungstène de qualité semi-conductrice -de haute pureté-dans l'industrie n'est que de 3 à 5 mois, et les conditions de stockage sont extrêmement difficiles. Il doit être conservé sous vide-scellé partout et stocké sous une atmosphère inerte d'argon de haute -atmosphère, combinée à des installations de stockage propres dédiées. Son coût de rénovation du stockage ainsi que son coût d'exploitation et de maintenance dépassent de loin ceux des matières premières métalliques ordinaires, et le stockage à long terme -est relativement peu rentable. Cette caractéristique renforce encore l'avantage monopolistique de la Chine dans la chaîne d'approvisionnement mondiale.
Applications de la poudre de tungstène de haute-pureté dans les scénarios de semi-conducteurs de base
La poudre de tungstène de haute pureté-de qualité semi-conductrice est la matière première principale de deux consommables clés : l'hexafluorure de tungstène (WF₆), le gaz spécial électronique et les cibles de pulvérisation de tungstène. Il s'agit d'un matériau métallique réfractaire indispensable pour les puces logiques avancées et les puces mémoire haut de gamme. Il possède une valeur d'application irremplaçable dans les puces logiques avancées 3 nm/7 nm, la mémoire flash NAND 3D et la mémoire à bande passante élevée HBM. (1) Utilisé pour préparer du gaz spécial électronique d'hexafluorure de tungstène (WF₆) : en utilisant de la poudre de tungstène de haute -pureté et du gaz fluor de haute pureté-comme matières premières, l'hexafluorure de tungstène de qualité électronique-est obtenu par fluoration et purification de rectification en plusieurs-étapes, et est utilisé comme gaz précurseur de dépôt chimique en phase vapeur CVD. Lors de la fabrication de la tranche, l'hexafluorure de tungstène se décompose pour générer du tungstène métallique, qui est utilisé pour remplir le grand nombre de vias de fiche en tungstène à l'intérieur de la puce afin de réaliser une interconnexion verticale entre les circuits sur différentes couches ; il peut également être utilisé pour le dépôt de couches minces de couches barrières métalliques et de lignes de mots. Avec la croissance explosive de l'industrie informatique de l'IA, le nombre de couches d'empilement dans la mémoire à large bande passante HBM - augmente et la mémoire flash NAND 3D continue d'itérer vers plus de 200 couches. Le nombre de vias verticaux se multiplie et la demande d'hexafluorure de tungstène et de poudre de tungstène de haute pureté -en amont continue de croître rapidement. (2) Utilisé pour préparer des cibles de pulvérisation de tungstène semi-conducteur : de la poudre de tungstène de haute pureté-est formée, frittée et usinée avec précision pour obtenir des cibles de tungstène. En s'appuyant sur le processus de pulvérisation magnétron PVD, des films minces de tungstène métallique sont déposés sur la surface de la tranche pour les couches barrières, les électrodes et les films d'interconnexion à l'intérieur des puces logiques et des puces mémoire. Les processus avancés à 7 nm et 3 nm ont des exigences strictes en matière de pureté cible, d'uniformité des grains et de densité. La source de la cible est une poudre de tungstène de haute pureté, et la pureté de la poudre détermine directement la qualité du film pulvérisé. Des impuretés excessives entraîneront une série de problèmes tels que des défauts de particules, des fuites et une diminution du rendement.