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Torna allindice Tecnologia planare del silicio Crescita dei monocristalli Copertina.

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Presentazione sul tema: "Torna allindice Tecnologia planare del silicio Crescita dei monocristalli Copertina."— Transcript della presentazione:

1 Torna allindice Tecnologia planare del silicio Crescita dei monocristalli Copertina

2 Torna allindice 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 Perché il silicio 1 di 3

3 Torna allindice 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). Perché il silicio 2 di 3

4 Torna allindice 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. Perché il silicio 3 di 3

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

6 Torna allindice Loperazione di drogaggio è impossibile da attuare in un conduttore. Lelevata conducibilità di un conduttore non può essere assolutamente modificata con un processo tecnologico. Importanza del solido con proprietà semiconduttive Drogaggio 2 di 6

7 Torna allindice 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. Drogaggio Drogaggio 3 di 6

8 Torna allindice 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). Drogaggio Drogaggio 4 di 6

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

10 Torna allindice La complementarità dei due tipi di drogaggio (tipo-n e tipo-p) ha fondato la base per lo sviluppo dellelettronica. 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 lelemento non lineare da cui ha potuto cominciare levoluzione fino alla moderna elettronica. Drogaggio: la giunzione p-n Drogaggio 6 di 6

11 Torna allindice Lidea di integrazione Lelettronica 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 linizio dellintegrazione su singolo chip. Lidea di integrazione 1 di 2

12 Torna allindice Lidea fu quella di integrare su una sola piastrina di materiale semiconduttore diversi dispositivi elettronici. Lidea di integrazione Lidea di integrazione 2 di 2

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

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

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

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

17 Torna allindice Purificazione del silicioPurificazione del silicio Crescita di monocristalliCrescita di monocristalli Produzione dei waferProduzione dei wafer Tecnologia planare del silicio Prima parte Purificazione del silicio 1 di 16

18 Torna allindice Purificazione del silicioPurificazione del silicio Crescita di monocristalliCrescita di monocristalli Produzione dei waferProduzione dei wafer Tecnologia planare del silicio Prima parte Purificazione del silicio 2 di 16

19 Torna allindice Il silicio abbonda in natura ed è per lo più trovato in forma di silice: quarzo (SiO 2 ) Il silicio in natura Purificazione del silicio 3 di 16

20 Torna allindice 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 Purificazione del silicio 4 di 16

21 Torna allindice 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 ; 3)produzione di lingotti di silicio monocristallino. Purificazione del silicio 5 di 16

22 Torna allindice 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)+SiO 2 (sol) Si(sol)+SiO 2 (gas)+CO(gas) Purificazione del silicio 6 di 16

23 Torna allindice Produzione del silicio EG (1) Il silicio solido ottenuto (puro al 98%) viene polverizzato e trattato in acido cloridrico (HCl) per formare lunico composto liquido dellelemento: il triclorosilano (SiHCl 3 ). Le reazioni che hanno luogo a 300 °C sono riassunte dalla: Si (sol)+3HCl(gas) SiHCl 3 (gas)+H 2 (gas) Purificazione del silicio 7 di 16

24 Torna allindice Produzione del silicio EG (1) e lapparato utilizzato per tale produzione segue lo schema seguente SiHCl 3 Purificazione del silicio 8 di 16

25 Torna allindice Produzione del silicio EG (2) Limportanza 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. Purificazione del silicio 9 di 16

26 Torna allindice Produzione del silicio EG (2) Con limpiego 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 Purificazione del silicio 10 di 16

27 Torna allindice Produzione del silicio EG (3) Il triclorosilano puro ottenuto viene quindi ridotto in idrogeno al fine di ottenere silicio solido, anchesso, ovviamente, di grado elettronico. La reazione che ora ha luogo è: SiHCl 3 (gas)+H 2 (gas) Si (sol)+3HCl(gas) Purificazione del silicio 11 di 16

28 Torna allindice 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. CVD: Chemical Vapor Deposition Il processo è di deposizione chimica da fase vapore del silico. Purificazione del silicio 12 di 16

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

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

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

32 Torna allindice 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 Purificazione del silicio 16 di 16

33 Torna allindice Tecnologia planare del silicio Purificazione del silicioPurificazione del silicio Crescita di monocristalliCrescita di monocristalli Produzione dei waferProduzione dei wafer Prima parte Crescita di monocristalli 1 di 11

34 Torna allindice Tecnologia planare del silicio Purificazione del silicioPurificazione del silicio Crescita di monocristalliCrescita di monocristalli Produzione dei waferProduzione dei wafer Prima parte Crescita di monocristalli 2 di 11

35 Torna allindice 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 Crescita di monocristalli 3 di 11

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

37 Torna allindice Crescita del monocristallo (1) Laggiunta di una quantità nota di un certo elemento permetterà di ottenere silicio già drogato Crescita di monocristalli 5 di 11

38 Torna allindice 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). Crescita di monocristalli 6 di 11

39 Torna allindice Crescita del monocristallo: metodo Czochralski Crescita di monocristalli 7 di 11

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

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

42 Torna allindice 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. Metodo Czochralski Crescita di monocristalli 10 di 11

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

44 Torna allindice Tecnologia planare del silicio Purificazione del silicioPurificazione del silicio Crescita di monocristalliCrescita di monocristalli Produzione dei waferProduzione dei wafer Prima parte Produzione dei wafer 1 di 15

45 Torna allindice Tecnologia planare del silicio Purificazione del silicioPurificazione del silicio Crescita di monocristalliCrescita di monocristalli Produzione dei waferProduzione dei wafer Prima parte Produzione dei wafer 2 di 15

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

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

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

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

50 Torna allindice La posizione relativa dei due tagli permetterà in seguito di identificare visivamente lorientazione cristallografica delle fette Preparazione dei wafer Tipo-nTipo-p Tipo-n [111] [100] Produzione dei wafer 7 di 15

51 Torna allindice Il lingotto, ormai pronto per le successive fasi di lavorazione, è incollato, lungo il piano giuda, su un supporto... Preparazione dei wafer Produzione dei wafer 8 di 15

52 Torna allindice … e posto in una sega circolare per essere affettato in piastrine dello spessore di 1 mm circa. Preparazione dei wafer Produzione dei wafer 9 di 15

53 Torna allindice Le fette ottenute vengono poste in un apparato utile alla lucidatura delle superfici... Preparazione dei wafer Produzione dei wafer 10 di 15

54 Torna allindice … e la superficie superiore dei wafer viene ricoperta di pasta contenete polvere di diamante o di carburo di silicio. Preparazione dei wafer Produzione dei wafer 11 di 15

55 Torna allindice Una prima fase di lappatura meccanica elimina grossolanamente le asperità di superficie inevitabilmente presenti dopo il taglio Preparazione dei wafer Produzione dei wafer 12 di 15

56 Torna allindice Infine, una lucidatura in soda caustica rende la superficie superiore dei wafer perfettamente speculari. La rugosità superficiale è inferiore a 1 m Preparazione dei wafer Produzione dei wafer 13 di 15

57 Torna allindice Prima del loro impiego effettivo, vengono eseguiti una serie di test utili alla caratterizzazione dei singoli wafer Caratterizzazioni dei wafer spessore diametro rugosità Uniformità della conducibilità Produzione dei wafer 14 di 15

58 Torna allindice Fabbricazione dei wafer I wafer così prodotti possono essere ora utilizzati per i successivi processi tecnologici. Produzione dei wafer 15 di 15


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