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