Dalam industri semikonduktor, bubuk tungsten dengan kemurnian ultra-tinggi-6N ke atas adalah bahan penting yang tak tergantikan. Ini merupakan bahan baku inti untuk gas khusus elektronik tungsten heksafluorida dan bahan sumber hulu untuk target sputtering tungsten. Kemurnian, ukuran partikel, dan tingkat pengotor oksigennya secara langsung menentukan hasil-chip proses lanjutan. Seiring kemajuan node proses menuju 3-7nm dan lapisan penumpukan memori terus meningkat, nilai industri strategis dari bubuk tungsten dengan kemurnian ultra-tinggi-terus menjadi semakin menonjol. Artikel ini akan menganalisis kesulitan teknis dalam menyiapkan bubuk tungsten dengan kemurnian sangat tinggi dan keunggulan industri inti Tiongkok, serta memperkenalkan aplikasi tersegmentasi dan nilai industrinya dalam skenario semikonduktor inti.
Kesulitan dalam Mempersiapkan Semikonduktor-Serbuk Tungsten Kemurnian Kelas Tinggi-
Konsentrat tungsten adalah sumber bijih untuk menyiapkan bahan berbasis tungsten-, dan secara alami mengandung berbagai unsur pengotor seperti molibdenum, besi, kalium, natrium, silikon, fosfor, arsenik, serta uranium dan torium. Untuk pembuatan chip semikonduktor, jejak kotoran ini dapat berdampak fatal pada kinerja dan hasil perangkat. Misalnya:
● Molibdenum: Jika tersisa dalam bubuk tungsten, ia akan memasuki bagian dalam chip dengan endapan lapisan tipis, menyebabkan kebocoran dan penyimpangan parameter perangkat, dan dalam kasus yang parah mengakibatkan kegagalan sirkuit pendek-chip;
● Logam alkali seperti Na dan K: Di bawah aksi medan listrik, logam tersebut rentan terhadap penyimpangan ion di lapisan oksida gerbang perangkat MOS, menyebabkan penyimpangan tegangan ambang batas dan peningkatan arus bocor;
● Logam transisi seperti Fe, Ni, dan Cu: Logam ini dapat membentuk cacat-yang dalam pada celah pita silikon, sehingga memperpendek masa pakai pembawa;
● Pengotor non-logam seperti oksigen dan karbon: Mereka mempengaruhi kepadatan target atau membentuk fase kedua yang berbahaya... Oleh karena itu, bubuk tungsten semikonduktor-kemurnian-kemurnian tinggi memiliki ambang kemurnian yang ketat, terutama untuk chip logika tingkat lanjut 7nm dan 3nm serta penyimpanan kelas atas, yang memerlukan 5N (99,999%) atau bahkan 6N (99,9999%) tingkat kemurnian yang sangat-tinggi-. Molibdenum, logam alkali, dan pengotor radioaktif perlu dikontrol pada tingkat ppm atau bahkan ppb, dan pengotor gas seperti oksigen dan karbon juga memerlukan kontrol yang ketat. Konsentrat tungsten industri biasa yang dilebur secara langsung sepenuhnya tidak dapat memenuhi standar industri elektronik, dan proses pemurnian mendalam yang lengkap harus ditambahkan. Saat ini, jalur pemurnian utama untuk bubuk tungsten semikonduktor-tingkat tinggi-kemurnian adalah: konsentrat tungsten pertama-tama diubah menjadi larutan garam tungsten melalui dekomposisi basa atau dekomposisi asam; kemudian proses gabungan pertukaran ion dan ekstraksi pelarut digunakan untuk memisahkan dan menghilangkan berbagai pengotor berbahaya seperti molibdenum, logam alkali, silikon, arsenik, dan fosfor pada tingkat molekuler, sehingga menghasilkan larutan amonium tungstat dengan kemurnian tinggi; setelah penguapan dan kristalisasi, diperoleh kristal APT dengan kemurnian tinggi dengan kemurnian 99,95% ke atas; APT dengan kemurnian-tinggi kemudian dikalsinasi untuk membentuk tungsten trioksida, dan kemudian direduksi menggunakan hidrogen dengan kemurnian-ultra-tinggi melalui reduksi terkontrol suhu-suhu{25}}bertingkat tinggi yang akhirnya menghasilkan bubuk tungsten dengan kemurnian-berkualitas tinggi-semikonduktor.
Oleh karena itu, bubuk tungsten semikonduktor-kemurnian-tingkat tinggi memiliki ambang batas kemurnian yang ketat, terutama untuk chip logika tingkat lanjut 7nm dan 3nm serta penyimpanan kelas atas, yang memerlukan tingkat kemurnian ultra-tinggi-5N (99,999%) atau bahkan 6N (99,9999%). Molibdenum, logam alkali, dan pengotor radioaktif perlu dikontrol pada tingkat ppm atau bahkan ppb, dan pengotor gas seperti oksigen dan karbon juga memerlukan kontrol yang ketat. Konsentrat tungsten industri biasa yang dilebur secara langsung sepenuhnya tidak dapat memenuhi standar industri elektronik, dan proses pemurnian mendalam yang lengkap harus ditambahkan. Saat ini, jalur pemurnian utama untuk bubuk tungsten semikonduktor-tingkat tinggi-kemurnian adalah: konsentrat tungsten pertama-tama diubah menjadi larutan garam tungsten melalui dekomposisi basa atau dekomposisi asam; kemudian proses gabungan pertukaran ion dan ekstraksi pelarut digunakan untuk memisahkan dan menghilangkan berbagai pengotor berbahaya seperti molibdenum, logam alkali, silikon, arsenik, dan fosfor pada tingkat molekuler, sehingga menghasilkan larutan amonium tungstat dengan kemurnian tinggi; setelah penguapan dan kristalisasi, diperoleh kristal APT dengan kemurnian tinggi dengan kemurnian 99,95% ke atas; APT dengan kemurnian-tinggi kemudian dikalsinasi untuk membentuk tungsten trioksida, dan kemudian direduksi menggunakan hidrogen dengan kemurnian-ultra-kemurnian melalui reduksi multi-suhu-tahap yang terkontrol hingga akhirnya menghasilkan bubuk tungsten dengan kemurnian-tingkat tinggi-semikonduktor.
Namun, proses ini mempunyai hambatan teknis yang sangat tinggi:
(1) Masalah sulit dalam pemisahan tungsten-molibdenum dalam: Tungsten dan molibdenum adalah unsur-unsur yang berdekatan dalam satu golongan, dan jari-jari ion serta perilaku kimia larutan berairnya sangat mirip, sehingga sangat sulit untuk memisahkannya sepenuhnya dengan metode presipitasi dan kristalisasi konvensional; (2) Penghapusan mendalam logam alkali dan jejak logam berat: Kalium dan natrium sangat mudah teradsorpsi dalam pori-pori resin dan celah kristal dan sulit untuk dihilangkan seluruhnya. Bahan pembantu juga dapat menimbulkan pengotor sekunder, sehingga memerlukan pertukaran ion multi-tahap dan rekristalisasi berulang untuk mereduksinya hingga mencapai tingkat ppb. (3) Kontrol reduksi terkontrol-suhu{8}}tahap: Setelah kalsinasi APT-suhu tinggi, pemanasan perlahan diperlukan terlebih dahulu untuk mereduksi tungsten trioksida menjadi tungsten dioksida. Setelah itu, suhu dinaikkan lagi hingga benar-benar mereduksinya menjadi bubuk tungsten metalik murni. Karena bubuk tungsten sangat sensitif terhadap parameter seperti suhu, jendela prosesnya sangat sempit. Sedikit perubahan pada laju aliran hidrogen, lingkungan gas tungku, dan kurva suhu akan mempengaruhi ukuran partikel dan kemurnian bubuk tungsten akhir. (4) Pencegahan proses menyeluruh terhadap kontaminasi sekunder: Mulai dari pencucian, ekstraksi, kristalisasi hingga kalsinasi dan reduksi hidrogen, material peralatan, kemurnian reagen, dan kebersihan lingkungan akan menimbulkan pengotor baru, sehingga memberikan persyaratan yang sangat tinggi pada pemilihan peralatan, kontrol material tambahan, dan tingkat kebersihan bengkel. Selain kemurnian kimia, bubuk tungsten semikonduktor juga memerlukan kontrol ketat terhadap ukuran partikel, distribusi ukuran partikel, derajat aglomerasi, serta pengotor oksigen dan gas karbon. Berdasarkan premis kemurnian tinggi, menyeimbangkan indikator fisik bubuk dan mencapai konsistensi-ke-batch dalam produksi massal adalah hal yang sulit.
Keunggulan Inti Industri Serbuk Tungsten Semikonduktor-Kemurnian Tinggi-Tiongkok
Sumber daya terbatas: Sumber daya tungsten global sangat terkonsentrasi, dan Tiongkok memiliki-fondasi sumber daya bijih tungsten berkualitas tinggi, yang menyumbang 52% dari cadangan global. Secara khusus, bijih tungsten hitam di area pertambangan seperti Jiangxi selatan memiliki kandungan pengotor molibdenum asli yang rendah dan kondisi bahan baku bawaan yang sangat baik, memberikan jaminan sumber berkualitas tinggi untuk APT semikonduktor dengan kemurnian tinggi dan dengan kemurnian tinggi, mengurangi tekanan proses untuk menghilangkan molibdenum dalam dari ujung bijih. Industri: Mengandalkan sistem industri metalurgi tungsten yang lengkap, Tiongkok telah membuka rantai penuh "bijih tungsten - APT - tungsten oksida kemurnian tinggi- 6N bubuk tungsten kemurnian tinggi - tungsten heksafluorida / target tungsten." Setelah beberapa dekade melakukan iterasi dalam proses hidrometalurgi, aplikasi yang sudah matang di dalam negeri telah dicapai dalam penghilangan sulfida molibdenum, pertukaran ion multi-tahap, dan proses pemurnian mendalam ekstraksi pelarut, yang memecahkan permasalahan teknis inti dari pemisahan tungsten-molibdenum dan penghilangan pengotor jejak. Di antara mereka, China Tungsten dan Hightech serta Xiamen Tungsten telah menjadi satu-satunya dua perusahaan di dunia yang mampu memproduksi-produksi massal-serbuk tungsten dengan kemurnian tinggi secara stabil di atas 6N. Selain itu, bubuk tungsten dengan kemurnian tinggi memiliki aktivitas tinggi dan luas permukaan spesifik yang besar. Setelah kontak dengan udara, sangat mudah untuk mengoksidasi dan menyerap kelembapan dan kotoran dengan cepat, yang secara langsung menyebabkan penurunan kemurnian dan penurunan kinerja bubuk, sehingga tidak dapat memenuhi standar penggunaan proses semikonduktor. Siklus inventaris konvensional yang efektif untuk bubuk tungsten kelas-semikonduktor{26}}kemurnian tinggi di industri hanya 3 hingga 5 bulan, dan kondisi penyimpanannya sangat sulit. Bahan tersebut harus dijaga dalam keadaan vakum-tersegel dan disimpan dalam atmosfer argon inert dengan kemurnian tinggi, dikombinasikan dengan fasilitas penyimpanan khusus yang bersih. Biaya renovasi penyimpanan serta biaya pengoperasian dan pemeliharaannya jauh melebihi biaya bahan baku logam biasa, dan penimbunan jangka panjang relatif tidak ekonomis. Karakteristik ini semakin memperkuat keunggulan monopoli Tiongkok dalam rantai pasokan global.
Penerapan Serbuk Tungsten-Kemurnian Tinggi dalam Skenario Semikonduktor Inti
Serbuk tungsten semikonduktor-kemurnian-tingkat tinggi adalah bahan baku inti untuk dua bahan habis pakai utama: gas khusus elektronik tungsten heksafluorida (WF₆) dan target sputtering tungsten. Ini adalah bahan logam tahan api yang sangat diperlukan untuk chip logika tingkat lanjut dan chip memori kelas atas, dan memiliki nilai aplikasi yang tak tergantikan dalam chip logika tingkat lanjut 3nm/7nm, memori flash NAND 3D, dan memori bandwidth tinggi HBM. (1) Digunakan untuk menyiapkan gas khusus elektronik tungsten heksafluorida (WF₆): Menggunakan bubuk tungsten dengan kemurnian tinggi dan gas fluor dengan kemurnian tinggi sebagai bahan mentah, tungsten heksafluorida tingkat elektronik diperoleh melalui fluorinasi dan pemurnian rektifikasi multitahap, dan digunakan sebagai gas prekursor pengendapan uap kimia CVD. Selama pembuatan wafer, tungsten heksafluorida terurai untuk menghasilkan tungsten logam, yang digunakan untuk mengisi sejumlah besar vias sumbat tungsten di dalam chip untuk mencapai interkoneksi vertikal antar sirkuit pada lapisan yang berbeda; itu juga dapat digunakan untuk lapisan penghalang logam dan deposisi film tipis garis kata. Dengan pesatnya pertumbuhan industri komputasi AI, jumlah lapisan yang ditumpuk dalam memori bandwidth tinggi HBM meningkat, dan memori flash 3D NAND terus melakukan iterasi hingga lebih dari 200 lapisan. Jumlah via vertikal semakin banyak, dan permintaan tungsten heksafluorida serta bubuk tungsten dengan kemurnian tinggi di hulu masih terus berkembang pesat. (2) Digunakan untuk menyiapkan target sputtering tungsten semikonduktor: Bubuk tungsten dengan kemurnian-tinggi dibentuk, disinter, dan dikerjakan dengan mesin presisi untuk mendapatkan target tungsten. Dengan mengandalkan proses sputtering magnetron PVD, film tipis logam tungsten diendapkan pada permukaan wafer untuk lapisan penghalang, elektroda, dan film interkoneksi di dalam chip logika dan chip memori. Proses lanjutan pada 7nm dan 3nm memiliki persyaratan ketat untuk kemurnian target, keseragaman butiran, dan kepadatan. Sumber targetnya adalah bubuk tungsten dengan kemurnian tinggi, dan kemurnian bubuk secara langsung menentukan kualitas film yang tergagap. Pengotor yang berlebihan akan menimbulkan serangkaian masalah seperti cacat partikel, kebocoran, dan penurunan hasil.