Jak się wytwarza krzem i inne monokryształy?

1. Jak się wytwarza krzem i inne monokryształy?

2. Ciała stałe - struktura wewnętrzna

3. Zapotrzebowanie na monokryształy • Si (dziś - absolutna podstawa) urządzenia elektroniczne i optoelektroniczneGaAs, 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. Rozwój technologii (na przykładzie Si) 30 lat - średnica 4x, masa 10x, długość 2x Zródło obrazków: PVA TePla, Dania

5. 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. Wytwarzamy wafle krzemowe SiO2 piasek kwarcyt inne złoża oczyszczanie, destylacja, redukcja, wzrost monokryształu, oczyszczanie, orientacja, cięcie, polerowanie

7. Krok 1. - otrzymanie MSG (Metallurgical Grade Silicon) o czystości 98% Ekstrakcja SiO2 + 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

8. 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 trichlorosilan końcowy 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. 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 1mm/h) CVD - Chemical Vapour Deposition

10. 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 TePla

11. 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.

12. Topienie strefowe (FZ - Float Zone) zródło obrazków. T.F. Ciszek i in., NREL Wykład: Materiały elektroniczne - dr Zbigniew Łukasiak W6 - Wzrost kryształów

13. 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

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

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

16. dla kryształów o średnicy większej niż 200mm

17. Ostatnie kroki - szlifowanie, polerowanie i trawienie

18. 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: SiO2, woda destylowana i wodorotlenek sodu; W ten sposób otrzymuje się lustrzaną powierzchnię.

19. Oczyszczanie płyt krzemowych - metoda RCA

20. 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. 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

22. Cleanroom - klasy czystości

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

24. Dejonizowana wodaDe-Ionized (DI) water

25. 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 N20.9 m3 O20.1 m3 H2470kWh energii

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