Transcript Document

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
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
3/30
Rozwój technologii (na przykładzie Si)
30 lat - średnica 4x, masa 10x, długość 2x
Zródło obrazków: PVA TePla, 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
SiO2
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
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
7/24
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 trichlorosilan
końcowy poziom zanieczyszczeń < 1 ppb (mniej, niż 1 cząsteczka na
miliard)
Krok 3. - redukcja trichlorosilanu w wodorze
SiHCl3 + H2 -> Si + 3HCl (gaz) w temperaturze 1000 °C;
otrzymuje się superczysty Si 99.999999999%
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 1mm/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 TePla
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
W6 - 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 200mm
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: SiO2, 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 16Mb pamięci RAM
na podłożu krzemowym o
średnicy 200mm wymaga:
10 kg związków chemicznych
4.5 t dejonizowanej wody
55 m3 suchego powietrza pod
ciśnieniem
25 m3 N2
0.9 m3 O2
0.1 m3 H2
470kWh energii
25/24
Przykład
zdjęcia: UCR clean room
www.ee.ucr.edu/~jianlin
26/24