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Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Crescita dei cristalli: differenze tra le versioni

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{{Micro e nanotecnologia}}
 
==Processo di crescita del cristallo==
[[File:Processo Si.jpg|left|400px]]
Qui viene concentrata l'attenzione sui cristalli più utilizzati nei processi tecnologici: i [[w:Silicio_monocristallino|cristalli di Silicio]] e sulla loro trasformazione in [[w:Wafer_(elettronica)|wafer]].
Il silicio in natura si trova principalmente in argilla, feldspato,quarzo, granito, sabbia. Per ottenere Si policristallino da cui poi si accresce il monocristallo di Si, il silicio di partenza deve essere trattato chimicamente.Una volta ottenuto il silicio policristallino tramite il metodo di CZ si accresce il Si monocristallino (lingotto) che verrà successivamente tagliato, lappato e lucidato.▼
 
Il [[w:Silicio|silicio]] rappresenta uno degli elementi più presenti sulla terra (25.7\% sulla crosta terrestre). Il silicio in natura si trova principalmente in argilla, feldspato,quarzo, granito, sabbia.
 
Attualmente si crescono cristalli con diametri superiori a 30 cm e con purezze elevate anche di una parte su un miliardo. Quindi si hanno atomi di impurezze anche inferiori a 10<sup>13</sup> cm <sup>-3</sup>, se si tiene conto che la densità atomica del silicio è di <math>5\times 10^{22} cm^{-3}</math>.
 
▲Il silicio in natura si trova principalmente in argilla, feldspato,quarzo, granito, sabbia. Per ottenere Si policristallino da cui poi si accresce il monocristallo di Si, il silicio di partenza deve essere trattato chimicamente. Una volta ottenuto il silicio policristallino tramite il metodo di CZ si accresce il Si monocristallino (lingotto) che verrà successivamente tagliato, lappato e lucidato.
 
==Principali trattamenti chimici==
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I trattamanti chimici ,per passare dal materiale che in genere troviamo in natura al silicio policristallino ,sono principalmente 3.
 
Il primo è un processo di riduzione(carboriduzione), dove il SiO2SiO<sub>2</sub> viene fatto reagire con il carbonio a una temperatura di 2000 °C secondo la seguente reazione:
 
SiO2SiO<sub>2</sub> + 2C ----> Si + 2CO
 
Grazie a questa reazione otteniamo un silicio di tipo metallurgico che non possiede il grado di purezza richiesto, infatti si arriva al 98%.
 
Attraverso un trattamento con acido cloridico in forma gassosa, si arriva alla formazione di triclorosilano (SiHCl3SiHCl<sub>3</sub>).
 
Si + 3HCl -----> SiHCl3SiHCl<sub>3</sub> + H2
 
Alla fine, si ha la purificazione del triclorosilano e la formazione di silicio policristallino di grado elettronico.
 
2SiHCl32SiHCl<sub>3</sub> + 2H2 ------> 2 Si + 6HCl
 
In questo modo arriviamo fino a una purezza del 99,9% del silicio.
==Crescita del monocristallo==
 
Tre metodi vengono usati per la crescita del silicio monocristallino:
processo Czochralski , float-zone e tecnica di Bridgman.
===[[w:Processo_Czochralski|Processo Czochralski]]===
[[Image:Czochralski Process.svg|thumb|left|350px|Processo Czochralski]]
La tecnica Czochralski (CZ) è la più usata. Il processo prende il nome da uno scienziato polaccco (Jan Czochralski) che ha scoperto il metodo mentre studiava la velocità di cristallizazione dei metalli.
Nella tecnica Czochralsky (CZ) la fase liquida, contenuta in un crogiolo di [[w:grafite|grafite]] contenente un crogiolo di [[w:quarzo|quarzo]] riscaldato per induzione a RF ad una temperatura di qualche grado superiore alla temperatura di fusione del silicio, è costituita da silicio preventivamente raffinato e drogato con l'aggiunta di elementi donatori od accettori. Quindi le impurità sono aggiunte alla fusione in quantità controllata, ottenendo un cristallo con determinate proprietà.
Il processo comincia quanto la camera è portata ad una temperatura di circa <math>15001420^o\ C</math> perpoco fondereoltre illa temperatura di silicofusione. Solo quando tutto il silicio è completamente fuso, un piccolo seme (della oientazione cristallografica voluta (in genere <111> oppureo <100>) montato alla fine di una asta ruotante è lentamente immerso fino a che viene appena bagnato dal silicio fuso.
La asta ruota in senso antiorario, mentre il crogiolo ruota in senso orario. La rotazione contemporanea favorisce la crescita laterale. Quando si è raggiunta la dimensione voluta, il cristallo viene tirato verso l'alto con velocità dell'ordine di qualche µm/sec, dando così inizio all'accrescimento della barra monocristallina.
[[File:Monokristalines Silizium für die Waferherstellung.jpg|left|thumb|100px|Un cristallo di silicio]]. ▼
L' interfaccia solido-liquido piano piano si raffredda e quindi il silicio cristallizza in modo veloce. Il prodotto finale, detto lingotto, ha la forma di un cilindro che finisce a punta. Questo processo viene normalmente eseguito in una atmosfera inerte, in genere Argon, ed in una camera di materiale non reattivo come la grafite, ma in contatto con il silicio fuso vi è quarzo. Attualmente le dimensioni standard dei lingotti vanno da 20 a 30 cm di diametro, con lunghezze fino a 2 metri. Un tipico lingotto pesa centinaia di chili.
 
 
 
====Impurezze====
Il fatto che il crogiolo sia di quarzo per quanto riguarda il Silicio ha un ruolo importante. Infatti durante la crescita, le pareti del crogiolo si dissolvono nel fuso, eper questa ragione il silicio prodotto con il metodo Czochralski
contiene perciò ossigeno ad una concentrazione tipica di <math>10^{18} cm^{-3}\ </math>.
Le impurezze di Silicio hanno un effetto benefico. Infatti con opportuni trattamenti termici permettono di avere precipitati di ossigeno che intrappolano impurezze non volute di metalli di transizione. Inoltre le impurezze di Ossigeno bloccano le dislocazioni migliorando la resistenza meccanica. Sembra che l'ossigeno ha un effetto benefico sulla resistenza alla radiazione dei dispositivi. E' stato anche mostrato che la presenza di ossigeno nel silicio aumenta la capacità di intrappolare le impurezze nei processi di trattamento termico che seguono l'impintazione ionica<ref>A. Polman et al., J. Appl. Phys., Vol. 75, No. 6, 15 March 1994</ref>.▼
 
▲LeIn alcuni casi queste impurezze di Silicioossigeno hanno un effetto benefico. Infatti con opportuni trattamenti termici permettono di avereprodurre precipitati di ossigeno che intrappolano impurezze non volute di metalli di transizione. Inoltre le impurezze di Ossigeno bloccano le dislocazioni migliorando la resistenza meccanica. Sembra che l'ossigeno ha un effetto benefico sulla resistenza alla radiazione dei dispositivi. E' stato anche mostratodimostrato che la presenza di ossigeno nel silicio aumenta la capacità di intrappolare le impurezze nei processi di trattamento termico che seguono l'impintazioneimpiantazione ionica<ref>A. Polman et al., J. Appl. Phys., Vol. 75, No. 6, 15 March 1994</ref>.
Le immpurezze di ossigeno reagendo con il boro, in presenza di radiazione luminosa, formano dei composti che diminuiscono l'efficienza delle celle solari. Tale effetto si manifesta nelle prime ore di funzionamento alla luce e comporta una riduzione del 3% dell'efficienza delle celle solari<ref>Eikelboom, J.A., Jansen, M.J., 2000. Characteristion of PV modules of new generations; results of tests and simulations. Report ECN-C-00-067, 18.</ref>.▼
 
▲Per quanto invece riguarda le celle solari. Le immpurezze di ossigeno reagendo con il boro, in presenza di radiazione luminosa, formano dei composti che diminuiscono l'efficienza delle celle solari. Tale effetto si manifesta nelle prime ore di funzionamento alla luce e comporta una riduzione del 3% dell'efficienza delle celle solari<ref>Eikelboom, J.A., Jansen, M.J., 2000. Characteristion of PV modules of new generations; results of tests and simulations. Report ECN-C-00-067, 18.</ref>.
==Processo float zone==▼
E' un metodo di crescita alternativo al processo Czochralski , che permette di realizzrae crillai di purezza molto elevata. Mediante tale tecnica si riescono a ridurre grandemnet la concentrazione di impurezze molto leggere (carbone e ossigeno). Per quanto riguarda l'azoto esso viene volutamente aggiunto nel processo per migliorare la robustezza meccanica dei wafer.▼
 
▲===Processo float zone===
Il diametro dei wafer prodotti con questo processo sono in genere non maggiori di 150mm a causa delle limitazioni dovute alla [[w:Tensione_superficiale|tensione superficiale]] durante il processo di crescita. La tecnica consiste nel far passare una sbarra di Silicio policristallino di grado elettronico ultrapuro attraverso una bobina a RF che riscalda la sbarra mediante induzione. Si crea in questa maniera una zona localizzata fusa da cui il lingotto di cristallo cresce. Anche in questo caso un seme di cristallo all'inizio orienta il lingotto. Il processo viene effettuato o in alto vuoto o in una atmosfera di gas inerte. La zona fusa porta via le impurezze e quindi riduce la concentrazione delle impurezze nella parte solida che via si cristallizza. La maggior parte delle impurezze sono più solubili nel fuso del cristallo stesso. Il drogaggio mediante questa tecnica può essere molto più selettivo ed uniforme.▼
▲E' un metodo di crescita alternativo al processo Czochralski , che permette di realizzraerealizzare crillaicristalli di purezza molto elevata. Mediante tale tecnica si riescono a ridurre grandemnetgrandemente la concentrazione di impurezze molto leggere (quali carbone eed ossigeno). Per quanto riguarda l'azoto esso viene volutamente aggiunto nel processo per migliorare la robustezza meccanica dei wafer.
 
▲Il diametro dei wafer prodotti con questo processo sono in genere non maggiori di 150mm a causa delle limitazioni dovute alla [[w:Tensione_superficiale|tensione superficiale]] durante il processo di crescita. La tecnica consiste nel far passare una sbarra di Silicio policristallino di grado elettronico ultrapuro attraverso una bobina a RF che riscalda la sbarra mediante induzione. Si crea in questa maniera una zona localizzata fusa da cui il lingotto di cristallo cresce. Anche in questo caso un seme di cristallo all'inizio orienta il lingotto. Il processo viene effettuato o in alto vuoto o in una atmosfera di gas inerte. La zona fusa porta via le impurezze e quindi riduce la concentrazione delle impurezze nella parte solida che via via si cristallizza. La maggior parte delle impurezze sono più solubili nel fuso delche nel cristallo stesso. Il drogaggio mediante questa tecnica può essere molto più selettivo ed uniforme.
In genere i cristalli prodotti con questa tecnica vengono usati per dispositivi speciali quali dispositivi di potenza. Inoltre il Silicio così prodotto è particolarmente trasparente alla radiazione al TeraHertz, quindi viene usato per fabbricare in questo intervallo di frequenze lenti e finestre.▼
 
Il costo dei cristalli prodotti con questa tecnica è più elevato quindi
==Processo Bridgam==▼
▲In genere i cristalli prodotti con questa tecnica vengono usati per dispositivi speciali quali dispositivi di potenza. Inoltre il Silicio così prodotto è particolarmente trasparente alla radiazione al TeraHertz, quindi viene usato per fabbricare in questo intervallo di frequenze lenti e finestre.
▲[[File:Monokristalines Silizium für die Waferherstellung.jpg|left|thumb|100px|Un cristallo di silicio]].
 
▲===Processo Bridgam===
Questo processo è utilzzato per fabbricare cristalli di materiali semiconduttori compositi,
come ad esempio l'Arseniuro di Gallio che non può essere fabbricato mediante il metodo Czochralski.
Infati mediante il metodo Czochralski via che il cristallo venisse tirato su dal fuso cambierebbe la sua composizione chimica. Nel metodo il contenitore in questo caso è sigillato, vi è un seme dell'orientamento voluto, viene fuso tutto il materiale sopra la sua temperatura di fusione, con un piccolo gradiente di temperatutemperatura, in maniera che il seme ad un estremo del contenitore non vienevenga fuso. Il lento raffreddamento del contenitore produce la crescita del cristallo a partire dal seme.
 
 
==Wafer==
Il lingotto viene tornito per raggiungere il diametro voluto e creato un parte piatta che definisce l'orientamento cristallografico, tale processo meccanico viene eseguito
Il lingotto viene poi tagliato con una sega con lame diamantate. Ogni fetta ottenuta sarà lappata con polvere di alluminio (<math>Al_2O_3\ </math>), trattata con attacco chimico per rimuovere i danni e poi di nuovo lappata con particelle sferiche di <math>SiO_2\ </math> in NaOH.▼
mediante macchine con utensili diamantati.
▲Il lingotto viene poi tagliato in sottili dischi ([[w:Wafer_(elettronica)|wafer]]) con una sega con lamedischi diamantatediamantati. Ogni fettawafer ottenutaottenuto saràviene lappatalucidato su una o due faccie con paste abrasive in genere polvere di alluminioallumina (<math>Al_2O_3\ </math>),. trattataIn conseguito attacco subisce un trattatamento chimico succesivo per rimuovere i danni e poi di nuovo lappatalucidata con particelle sferiche di <math>SiO_2\ </math> inimmerse NaOH.
 
I wafer più sono grandi più permettono la riduzione del costo dei chip finali, per questa ragione nel tempo le dimensioni dei wafer sono aumentate via via. Attualmene le massime fette di silicio hanno un diametro di 300mm. Per il 2012<ref>http://www.physorg.com/news129301282.html</ref> ci si aspetta che i wafer saranno da 45 cm. I wafer di silicio hanno uno spessore compreso tra 0.2 e 0.75 mm.
 
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[[Categoria:Micro e nanotecnologia|Crescita di cristalli]]
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