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

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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]].
 
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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 si accresce il Si monocristallino (lingotto) che verrà successivamente tagliato, lappato e lucidato.
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La figura esemplifica i vari processi che partono dal composto naturale fino ad arrivare al wafer finale.
==Principali trattamenti chimici==
 
I trattamanti chimici , per passare dal materiale che in genere troviamo in natura al silicio policristallino , sono principalmente 3tre.
 
Il primo è un processo di riduzione(carboriduzione), dove il SiO<sub>2</sub> viene fatto reagire con il carbonio a una temperatura di 2000 °C secondo la seguente reazione:
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In questo modo arriviamo fino a una purezza del 99,9% del silicio.
==Crescita del monocristallo==
TreEssenzialmente re metodi vengono usati per la crescita del siliciodei monocristallinomomocristalli:
processo Czochralski , float-zone e tecnica di Bridgman.
===[[w:Processo_Czochralski|Processo Czochralski]]===
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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.
 
Il fatto che il crogiolo sia di quarzo, la cui formula chimica è SiO<sub>2</sub>, per quanto riguarda il Silicio ha un ruolo importante. Infatti durante la crescita, le pareti del crogiolo si dissolvono nel fuso, per questa ragione il silicio prodotto con il metodo Czochralski contiene ossigeno ad una concentrazione tipica di <math>10^{18} cm^{-3}\ </math>.
 
 
====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, per questa ragione il silicio prodotto con il metodo Czochralski
contiene ossigeno ad una concentrazione tipica di <math>10^{18} cm^{-3}\ </math>.
 
In alcuni casi queste impurezze di ossigeno hanno un effetto benefico. Infatti con opportuni trattamenti termici permettono di produrre 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 dimostrato che la presenza di ossigeno nel silicio aumenta la capacità di intrappolare le impurezze nei processi di trattamento termico che seguono l'impiantazione ionica<ref>A. Polman et al., J. Appl. Phys., Vol. 75, No. 6, 15 March 1994</ref>.
 
Per quanto invece riguarda le celle solari., Lele 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 realizzare cristalli di purezza moltopiù elevata. Mediante tale tecnica si riescono a ridurre grandemente la concentrazione di impurezze molto leggere quali carbone ed 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 che nel cristallo stesso. Il drogaggio mediante questa tecnica può essere molto più selettivo ed uniforme.
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==Wafer==
Il lingotto viene tornito per raggiungere il diametro voluto, ein creatoseguito rettificato, inoltre viene fabbricata lateralmente un parte piatta che definisce l'orientamento cristallografico, tale processo meccanico viene eseguito mediante macchine con utensili diamantati, infatti la durezza del Silicio non permette l'uso di materiali convenzionali.
Il lingotto viene poi tagliato in sottili dischi ([[w:Wafer_(elettronica)|wafer]]) con una sega con dischi diamantati. Ogni wafer ottenuto viene [[w:lappatura|''lappato'']] (tecnica di riduzione della rugosità) su una o due faccie con paste abrasive in genere polvere di allumina (<math>Al_2O_3\ </math>) immersa in glicerina. Questo trattamento riduce la rugosità su larga scala a circa <math>2 \mu m</math>. In seguito subisce un trattatamento chimico successivo per rimuovere i danni e poi [[w:lucidatura|lucidata]] con particelle sferiche di <math>SiO_2\ </math> immerse NaOH. Il wafer finale ha una rugosità su piccola scala (dimensione dei dispositivi) di pochi passi atomici.
mediante macchine con utensili diamantati.
Il lingotto viene poi tagliato in sottili dischi ([[w:Wafer_(elettronica)|wafer]]) con una sega con dischi diamantati. Ogni wafer ottenuto viene [[w:lappatura|''lappato'']] (tecnica di riduzione della rugosità) su una o due faccie con paste abrasive in genere polvere di allumina (<math>Al_2O_3\ </math>) immersa in glicerina. Questo trattamento riduce la rugosità a circa <math>2 \mu m</math>. In seguito subisce un trattatamento chimico successivo per rimuovere i danni e poi [[w:lucidatura|lucidata]] con particelle sferiche di <math>SiO_2\ </math> immerse 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 ilAttualmente (2012) <ref>http://www.physorg.com/news129301282.html</ref> cii si aspettawafer checommerciali idi wafermaggiore sarannodiametro dasono di 45 cm . I wafer di silicio hanno uno spessore compreso tra 0.2 e 0.75 mm.
 
Nella figura si vede ilun lingotto che poi verrà successivamente tagliato e lucidato.
== Note ==
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