Jak się wytwarza krzem i inne monokryształy?
1
2/25
Ciała stałe - struktura wewnętrzna
3/30
Zapotrzebowanie na monokryształy• Si (dziś - absolutna podstawa) urządzenia elektroniczne i optoelektroniczne
GaAs, InP, Ge, Al2O3, GaSb, InSb, GaN, SiC
• Al2O3, YAG … lasery
• CaF2, LiNbO3 elementy układów optycznych
• Si, Ge, CdTe, metale detektory promieniowania• ZnO przeźroczyste warstwy przewodzące• Si, SiO2, LiNbO3 urządzenia wykorzystujące efekt piezoelektryczny,
piezorezystancyjny ..., rezonatory• C („diamenty są najlepszym przyjacielem kobiety” ;-)• ZnSe, ZnMgSe, ZnTe, ... „niebieskie lasery”, podłoża
4/30
Rozwój technologii (na przykładzie Si)
30 lat - średnica 4x, masa 10x, długość 2xZródło obrazków: PVA TePla, Dania
5/30
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 sięotrzymaniem grafitu
6/24
Wytwarzamy wafle krzemowe
piasek
kwarcyt
inne złoża
SiO2
oczyszczanie, destylacja, redukcja, wzrost monokryształu, oczyszczanie, orientacja, cięcie, polerowanie
EkstrakcjaSiO2 + 2C -> Si + 2CO przy 1800-2000 °C
SiO2 + SiC -> Si + SiO (gaz) + CO
(zużycie energii ~13 kWh na kg)
np.Łuk elektryczny topi mieszaninę
piasku, węgla, drewna ...
Węgiel pomaga usunąć zanieczyszczenia,stopiony krzem wypływa dołem
7/24
Krok 1. - otrzymanie MSG (Metallurgical Grade Silicon) o czystości 98%
8/24
Krok 2. - oczyszczanie (destylacja)
Oczyszczanie (destylacja)Si + 3HCl -> SiHCl3 + H2 w temperaturze 300°C
- Temperatura wrzenia trichlorosilanu: 31.8°C- zanieczyszczenia są mniej lotne niż trichlorosilankońcowy poziom zanieczyszczeń < 1 ppb (mniej, niż 1 cząsteczka na
miliard)
SiHCl3 + H2 -> Si + 3HCl (gaz) w temperaturze 1000 °C;
otrzymuje się superczysty Si 99.999999999%
Krok 3. - redukcja trichlorosilanu w wodorze
9/24
Krok 3 c.d. - otrzymywanie polikrystalicznego Si (EGS - Electronic Grade Silicon)
Redukcja odbywa się jednocześnie ze wzrostempolikrystalicznego substratu. Polikryształ rośnie napowierzchni pręta ogrzanego do 1000 °C (szybkość: około 1mm/h)
CVD - Chemical Vapour Deposition
10/30
Metoda CzochralskiegoKROK 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: SUMCOmateriały firmy PVA TePla
11/24
Krok 4. - wzrost kryształumetodą 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.
Topienie strefowe (FZ - Float Zone)
Wykład: Materiały elektroniczne - dr Zbigniew Łukasiak
W6 - Wzrost kryształów
12/30
zródło obrazków. T.F. Ciszek i in., NREL
13/24
Krok 5. - obróbka mechaniczna kryształu1. Odcięcie stożkowych zakończeń
kryształu2. 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
14/24
Oznaczenia orientacji i rodzaju domieszek
dla wafli o średnicy < 8. cali
15/24
Piły
ostrze pierścieniowe
oscylujący drut
Krawędzie płyt są zaokrąglane w celu uniknięcia odprysków w dalszych procesach technologicznych
16/24
dla kryształów o średnicywiększej niż 200mm
17/24
Ostatnie kroki - szlifowanie, polerowanie i trawienie
18/24
Szlifowanie ma na celu otrzymanie precyzyjnejgrubości (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: SiO2, woda destylowana i wodorotlenek sodu; W ten sposób otrzymuje się lustrzaną powierzchnię.
19/24
Oczyszczanie płyt krzemowych - metoda RCA
20/24
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
21/24
Clean Room / cleanroom
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
„Czysty pokój”
22/24
Cleanroom - klasy czystości
23/24
Filtry HEPA (High Efficiency Particle Attenuators)
aluminium + specjalnie przygotowany papier (podobnie jak filtry powietrza w samochodach)
24/24
Dejonizowana wodaDe-Ionized (DI) water
25/24
Specyfikacja
Wytworzenie 16Mb pamięci RAM na podłożu krzemowym o średnicy 200mm wymaga:10 kg związków chemicznych4.5 t dejonizowanej wody55 m3 suchego powietrza pod ciśnieniem25 m3 N2
0.9 m3 O2
0.1 m3 H2
470kWh energii
26/24
Przykład
zdjęcia: UCR clean roomwww.ee.ucr.edu/~jianlin