1 Jak si wytwarza krzem i inne monokrysztay

1 Jak się wytwarza krzem i inne monokryształy?

Ciała stałe - struktura wewnętrzna 2/25

Zapotrzebowanie na monokryształy • • Si (dziś - absolutna podstawa) urządzenia elektroniczne i optoelektroniczne Ga. As, In. P, Ge, Al 2 O 3, Ga. Sb, In. Sb, Ga. N, Si. C Al 2 O 3, YAG … lasery Ca. F 2, Li. Nb. O 3 elementy układów optycznych Si, Ge, Cd. Te, metale detektory promieniowania Zn. O przeźroczyste warstwy przewodzące Si, Si. O 2, Li. Nb. O 3 urządzenia wykorzystujące efekt piezoelektryczny, piezorezystancyjny. . . , rezonatory C („diamenty są najlepszym przyjacielem kobiety” ; -) Zn. Se, Zn. Mg. Se, Zn. Te, . . . „niebieskie lasery”, podłoża 3/30

Rozwój technologii (na przykładzie Si) 30 lat - średnica 4 x, masa 10 x, długość 2 x Zródło obrazków: PVA Te. Pla, Dania 4/30

Jak otrzymać monokryształ? • z fazy pary - tzn. odparowujemy, sublimujemy, rozpuszczamy w innej substancji lotnej jeden lub kilka składników i osadzamy to w taki sposób aby w miejscu do tego przygotowanym powstał kryształ • z fazy ciekłej - topimy składnik (składniki) i zestalamy je w warunkach, które zapewniają krystalizację lub odparowujemy rozpuszczalnik i wytrącająca się substancja krystalizuje lub „wyciągamy” kryształ z cieczy lub. . . • z fazy stałej - np. Supermen, który na filmie ścisnął węgiel i „zrobił” diament ; -) czyli poprzez przemiany fazowe w ciele stałym Ważne! Nie każdą substancję można otrzymać w formie krystalicznej każdą metodą! Wykres fazowy p-T węgla pokazuje, że próba hodowli diamentów z fazy roztopionej substancji skończy się otrzymaniem grafitu 5/30

Wytwarzamy wafle krzemowe Si. O 2 piasek kwarcyt inne złoża oczyszczanie, destylacja, redukcja, wzrost monokryształu, oczyszczanie, orientacja, cięcie, polerowanie 6/24

Krok 1. - otrzymanie MSG (Metallurgical Grade Silicon) o czystości 98% Ekstrakcja Si. O 2 + 2 C -> Si + 2 CO przy 1800 -2000 °C Si. O 2 + Si. C -> Si + Si. O (gaz) + CO (zużycie energii ~13 k. Wh na kg) np. Łuk elektryczny topi mieszaninę piasku, węgla, drewna. . . Węgiel pomaga usunąć zanieczyszczenia, stopiony krzem wypływa dołem 7/24

Krok 2. - oczyszczanie (destylacja) Oczyszczanie (destylacja) Si + 3 HCl -> Si. HCl 3 + H 2 w temperaturze 300°C - Temperatura wrzenia trichlorosilanu: 31. 8°C - zanieczyszczenia są mniej lotne niż trichlorosilan końcowy poziom zanieczyszczeń < 1 ppb (mniej, niż 1 cząsteczka na miliard) Krok 3. - redukcja trichlorosilanu w wodorze Si. HCl 3 + H 2 -> Si + 3 HCl (gaz) w temperaturze 1000 °C; otrzymuje się superczysty Si 99. 99999% 8/24

Krok 3 c. d. - otrzymywanie polikrystalicznego Si (EGS - Electronic Grade Silicon) Redukcja odbywa się jednocześnie ze wzrostem polikrystalicznego substratu. Polikryształ rośnie na powierzchni pręta ogrzanego do 1000 °C (szybkość: około 1 mm/h) CVD - Chemical Vapour Deposition 9/24

Metoda Czochralskiego KROK 4 – wzrost kryształu (1) Topienie materiału, (2) stabilizacja temperatury, (3) Kontakt zarodek-roztop, (4) krystalizacja przedłużenia zarodka, (5) powiekszenie srednicy (stożek poczatkowy), (6) wzrost czesci walcowej. Zródła obrazków: SUMCO materiały firmy PVA Te. Pla 10/30

Krok 4. - wzrost kryształu metodą topienia strefowego Metoda Czochralskiego - kryształy zawierają jony tlenu (WADA!), lecz są lepszej jakości. Metodę topienia strefowego stosuje się, gdy wada ta uniemożliwia wytworzenie założonego urządzenia. 11/24

Topienie strefowe (FZ - Float Zone) Wykład: Materiały elektroniczne - dr zródło obrazków. T. F. Ciszek i in. , NREL Zbigniew Łukasiak W 6 - Wzrost kryształów 12/30

Krok 5. - obróbka mechaniczna kryształu 1. Odcięcie stożkowych zakończeń kryształu 2. Zeszlifowanie kryształu do postaci cylindrycznej o określonej średnicy. 3. Określenie orientacji sieci krystalicznej i parametrów domieszkowania kryształu 4. Wytwarzanie płyt krzemowych Cięcie Do określenia orientacji sieci krystalicznej wykorzystać można zjawisko dyfrakcji promieni rentgenowskich Poziom domieszkowania poszczególnych fragmentów kryształu określa się poprzez pomiar rezystywności 13/24

Oznaczenia orientacji i rodzaju domieszek dla wafli o średnicy < 8. cali 14/24

Piły ostrze pierścieniowe oscylujący drut Krawędzie płyt są zaokrąglane w celu uniknięcia odprysków w dalszych procesach technologicznych 15/24

dla kryształów o średnicy większej niż 200 mm 16/24

Ostatnie kroki - szlifowanie, polerowanie i trawienie 17/24

Szlifowanie ma na celu otrzymanie precyzyjnej grubości (250 -500 μm) oraz równoległych powierzchni. Dodatkowo, redukuje mechaniczne defekty po cięciu piłą. Dwie stalowe płyty obracają się w przeciwnych kierunkach, między nimi jest plasterek krzemu i proszek tlenku glinu. Proces chemiczno-mechaniczny: środek polerujący: Si. O 2, woda destylowana i wodorotlenek sodu; W ten sposób otrzymuje się lustrzaną powierzchnię. 18/24

Oczyszczanie płyt krzemowych - metoda RCA 19/24

Dlaczego tak kurczowo trzymamy się krzemu? • • • Najczystszy znany materiał: 1 atom zanieczyszczenia na 1011 Si Najdoskonalszy znany materiał (idealny w skali odległości metrów). Jedynie krzem, german i Cu można wytworzyć tak, aby nie było w krysztale dyslokacji. Lustrzane powierzchnie: różnice rzędu < 200 nm na 2. 5 cm × 2. 5 cm 20/24

Clean Room / cleanroom „Czysty pokój” W procesach technologicznych związanych z wytwarzaniem materiałów dla przemysłu elektronicznego (oraz w innych procesach np. wytwatrzanie układów scalonych) bardzo ważne jest zachowanie odpowiednich warunków związanych z: • zanieczyszczeniem powietrza cząstkami stałymi (kurz, pył itp. ) • składem chemicznym powietrza • wilgotnością • temperaturą i ciśnieniem • hałasem i wibracji (związanymi np. z ruchem ulicznym) • polem elektromagnetycznym i ładunkami elektrostatycznymi 21/24

Cleanroom - klasy czystości 22/24

Filtry HEPA (High Efficiency Particle Attenuators) aluminium + specjalnie przygotowany papier (podobnie jak filtry powietrza w samochodach) 23/24

Dejonizowana woda De-Ionized (DI) water 24/24

Specyfikacja Wytworzenie 16 Mb pamięci RAM na podłożu krzemowym o średnicy 200 mm wymaga: 10 kg związków chemicznych 4. 5 t dejonizowanej wody 55 m 3 suchego powietrza pod ciśnieniem 25 m 3 N 2 0. 9 m 3 O 2 0. 1 m 3 H 2 470 k. Wh energii 25/24

Przykład zdjęcia: UCR clean room www. ee. ucr. edu/~jianlin 26/24