Copertina

1. Copertina Tecnologia planare del silicio Crescita dei monocristalli

2. Perché il silicio 1 di 3 Perché il silicio Il silicio è un materiale semiconduttore. La valenza degli atomi di silicio è 4 e la struttura cristallina del solido è quella di un reticolo cubico

3. Perché il silicio 2 di 3 Perché il silicio Il silicio è un materiale semiconduttore. La valenza degli atomi di silicio è 4 e la struttura cristallina del solido è quella di un reticolo cubico a facce centrate (FCC).

4. Perché il silicio 3 di 3 Perché il silicio Il silicio è un materiale semiconduttore. La valenza degli atomi di silicio è 4 e la struttura cristallina del solido è quella di un reticolo cubico a facce centrate (FCC). La distribuzione degli atomi è tale che per ogni posizione reticolare ogni atomo ha quattro prossimi vicini.

5. Drogaggio 1 di 6 Importanza del solido con proprietà semiconduttive La sviluppo dell’elettronica fonda le proprie basi su un processo tecnologico fondamentale: il drogaggio di un semiconduttore l’introduzione cioè di elementi con valenza diversa da quella dell’elemento base del solido. Tale azione dà luogo a un cambiamento della conducibilità del materiale stesso.

6. Drogaggio 2 di 6 Importanza del solido con proprietà semiconduttive L’operazione di drogaggio è impossibile da attuare in un conduttore. L’elevata conducibilità di un conduttore non può essere assolutamente modificata con un processo tecnologico.

7. Drogaggio 3 di 6 Drogaggio Drogaggio di tipo-n: introducendo elementi droganti con valenza superiore a quella degli atomi che compongono il solido ospite si ottiene un materiale in cui aumenta la concentrazione di elettroni liberi.

8. Drogaggio 4 di 6 Drogaggio Drogaggio di tipo-p: introducendo elementi droganti con valenza inferiore a quella degli atomi che compongono il solido ospite si ottiene un materiale in cui aumenta la concentrazione di lacune libere (mancanza di elettroni di legame).

9. Drogaggio 5 di 6 Drogaggio: tecnologia Il limite superiore di concentrazione di drogante è stabilito dalla solubilità di tale elemento nel solido. Quello inferiore dall’impossibilità pratica di avere a disposizione un solido cristallino ideale, privo cioè di impurezze Per le applicazioni elettroniche la purezza del silicio dev’essere migliore di una parte per miliardo (0.001 ppm)

10. Drogaggio 6 di 6 Drogaggio: la giunzione p-n La complementarità dei due tipi di drogaggio (tipo-n e tipo-p) ha fondato la base per lo sviluppo dell’elettronica. Il trasporto di corrente nel solido può quindi essere dominato dagli elettroni (carica negativa) o dalle lacune (carica positiva). Il dispositivo di base è la giunzione p-n che può definirsi l’elemento non lineare da cui ha potuto cominciare l’evoluzione fino alla moderna elettronica.

11. L’idea di integrazione 1 di 2 L’idea di integrazione L’elettronica dello stato solido inizia nel 1947, anno in cui venne brevettato il primo dispositivo a tre terminali allo stato solido: il transistor in germanio. Gli anni che seguirono segnarono l’inizio dell’integrazione su singolo chip.

12. L’idea di integrazione 2 di 2 L’idea di integrazione L’idea fu quella di integrare su una sola piastrina di materiale semiconduttore diversi dispositivi elettronici.

13. Isolamento mediante giunzione p-n 1 di 2 Isolamento mediante giunzione p-n L’isolamento tra i dispositivi poteva essere garantito con la presenza di giunzioni p-n in polarizzazione inversa ...

14. Isolamento mediante giunzione p-n 2 di 2 Isolamento mediante giunzione p-n … che, come noto, presenta una zona di svuotamento priva di cariche libere. P N

15. Dispositivi integrati resistori diodi transistor Dispositivi integrati Basati su silicio drogato, possono essere realizzati:

16. Copertina Tecnologia planare del silicio Prima parte Realizzazione dei wafer monocristallini

17. Purificazione del silicio 1 di 16 Tecnologia planare del silicio Prima parte • Purificazione del silicio • Crescita di monocristalli • Produzione dei wafer

18. Purificazione del silicio 2 di 16 Tecnologia planare del silicio Prima parte • Purificazione del silicio • Crescita di monocristalli • Produzione dei wafer

19. Purificazione del silicio 3 di 16 Il silicio in natura Il silicio abbonda in natura ed è per lo più trovato in forma di silice: quarzo (SiO2)

20. Purificazione del silicio 4 di 16 Purificazione del silicio Grado di purezza raggiunto normalmente in qualunque industria di materiali La purezza del materiale che si deve avere in campo elettronico è almeno 7 ordini di grandezza migliore di quella necessaria in altri settori industriali

21. Purificazione del silicio 5 di 16 Produzione e purificazione del silicio La prime fasi della tecnologia del silicio sono: 1) produzione di silicio “metallurgico” (MGS) di purezza pari al 2%; 2) purificazione del silicio metallurgico e produzione del silicio di grado elettronico (EGS) di purezza pari almeno a 10-9; 3) produzione di lingotti di silicio monocristallino.

22. Purificazione del silicio 6 di 16 Produzione del silicio metallurgico Il materiale di partenza è silice relativamente pura. Questa viene posta in fornace assieme a varie forme di carbone. Le reazioni che hanno luogo ad alta temperatura sono riassunte dalla: SiC (sol)+SiO2(sol)Si(sol)+SiO2(gas)+CO(gas)

23. Purificazione del silicio 7 di 16 Produzione del silicio EG (1) Il silicio solido ottenuto (puro al 98%) viene polverizzato e trattato in acido cloridrico (HCl) per formare l’unico composto liquido dell’elemento: il triclorosilano (SiHCl3). Le reazioni che hanno luogo a 300 °C sono riassunte dalla: Si (sol)+3HCl(gas)SiHCl3(gas)+H2(gas)

24. Purificazione del silicio 8 di 16 Produzione del silicio EG (1) e l’apparato utilizzato per tale produzione segue lo schema seguente SiHCl3

25. Purificazione del silicio 9 di 16 Produzione del silicio EG (2) L’importanza di avere a disposizione un composto liquido sta nella possibilità di procedere alla sua purificazione attraverso il semplice metodo di distillazione frazionata: la concentrazione di impurità è diversa nelle due fasi gassosa e liquida. Il processo di distillazione consente, per il triclorosilano, di ottenere un vapore in cui la concentrazione di impurezze è minore di quella che si ha nella fase liquida.

26. Purificazione del silicio 10 di 16 Produzione del silicio EG (2) Con l’impiego di più torri di distillazione si può raggiungere il grado di purezza desiderato per la fase liquida. Il metodo di distillazione frazionata consente di avere triclorosilano con un grado di purezza pari ad almeno una parte su 109.

27. Purificazione del silicio 11 di 16 Produzione del silicio EG (3) Il triclorosilano puro ottenuto viene quindi ridotto in idrogeno al fine di ottenere silicio solido, anch’esso, ovviamente, di grado elettronico. La reazione che ora ha luogo è: SiHCl3(gas)+H2(gas) Si (sol)+3HCl(gas)

28. Purificazione del silicio 12 di 16 CVD: Chemical Vapor Deposition Produzione del silicio EG (3) La reazione avviene in una camera in cui è posta una barra di silicio puro utilizzata come zona di nucleazione per il silicio. Il processo è di deposizione chimica da fase vapore del silico.

29. Purificazione del silicio 13 di 16 Produzione del silicio EG (3) Nel processo di deposizione da fase vapore nuovo silicio si deposita sulla barra.

30. Purificazione del silicio 14 di 16 Produzione del silicio EG (3) Nel processo di deposizione da fase vapore nuovo silicio si deposita sulla barra.

31. Purificazione del silicio 15 di 16 Produzione del silicio EG (3) Nel processo di deposizione da fase vapore nuovo silicio si deposita sulla barra.

32. Purificazione del silicio 16 di 16 Produzione del silicio EG (3) Al termine si ottiene una barra del diametro di alcuni cm che può essere polverizzata prima di passare alle successive fasi di lavorazione

33. Crescita di monocristalli 1 di 11 Tecnologia planare del silicio Prima parte • Purificazione del silicio • Crescita di monocristalli • Produzione dei wafer

34. Crescita di monocristalli 2 di 11 Tecnologia planare del silicio Prima parte • Purificazione del silicio • Crescita di monocristalli • Produzione dei wafer

35. Crescita di monocristalli 3 di 11 Crescita del silicio monocristallino Il corretto funzionamento di un dispositivo elettronico dipende fortemente dalla concentrazione di difetti di tipo strutturale del materiale semiconduttivo. Oltre che dalle impurezze “non volute”, il trasporto di carica elettrica, e quindi la “fisica” del dispositivo, è limitato anche dai difetti del reticolo cristallino: dislocazioni, vacanze, bordi di grano E’ per tale motivo che si deve avere a disposizione un materiale avente un eccellente grado di cristallinità

36. Crescita di monocristalli 4 di 11 Crescita del monocristallo (1) Per prima cosa i frammenti di silicio puro vengono posti in un crogiolo di grafite rivestito di silice

37. Crescita di monocristalli 5 di 11 Crescita del monocristallo (1) L’aggiunta di una quantità nota di un certo elemento permetterà di ottenere silicio già drogato

38. Crescita di monocristalli 6 di 11 Crescita del monocristallo Il corgiolo, inserito in una camera riempita con gas inerte Argon per prevenire qualunque tipo di contaminazione, viene portato a una temperatura superiore a quella di fusione del silicio (1420 °C).

39. Crescita di monocristalli 7 di 11 Crescita del monocristallo:metodo Czochralski

40. Crescita di monocristalli 8 di 11 Metodo Czochralski Sul fuso viene posto a contatto un seme cristallino di silicio.

41. Crescita di monocristalli 9 di 11 Metodo Czochralski Lentamente, il seme viene tirato via dal pelo del fuso in modo tale che il silicio possa solidificarsi intorno ad esso. Durante la lenta solidificazione, gli atomi di silicio tenderanno a disporsi seguendo l’orientazione cristallografica del seme

42. Crescita di monocristalli 10 di 11 Metodo Czochralski Crogiolo e seme vengono fatti ruotare lentamente in versi opposti. La velocità di tiraggio e quella di rotazione relativa determineranno il diametro del lingotto di silicio monocristallino così cresciuto.

43. Crescita di monocristalli 11 di 11 • Attualmente il diametro dei lingotti è pari a 30 cm. Metodo Czochralski Il metodo CZ consente di ottenere monocristalli di silicio di ottima qualità.

44. Produzione dei wafer 1 di 15 Tecnologia planare del silicio Prima parte • Purificazione del silicio • Crescita di monocristalli • Produzione dei wafer

45. Produzione dei wafer 2 di 15 Tecnologia planare del silicio Prima parte • Purificazione del silicio • Crescita di monocristalli • Produzione dei wafer

46. Produzione dei wafer 3 di 15 Preparazione dei wafer Come prima fase relativa alla produzione dei wafer, vengono eliminate le parti finali, maggiormente difettate, del lingotto

47. Produzione dei wafer 4 di 15 Preparazione dei wafer Il lingotto viene rettificato per ottenere un cilindro con un diametro costante lungo tutta la sua lunghezza

48. Produzione dei wafer 5 di 15 Preparazione dei wafer Viene poi fresato un piano utilizzato come linea giuda per tutte le le operazioni di lavorazione successive

49. Produzione dei wafer 6 di 15 Preparazione dei wafer XRD: X-ray diffraction (misura di diffrazione a raggi X) Ne viene controllata l’orientazione cristallografica e viene fresato un nuovo piano per la sua corretta identificazione.

50. Produzione dei wafer 7 di 15 Tipo-n Tipo-p [111] [111] Tipo-n Tipo-p [100] [100] Preparazione dei wafer La posizione relativa dei due tagli permetterà in seguito di identificare visivamente l’orientazione cristallografica delle fette