F ACULTATEA DE INGINERIE Hermann Oberth Sibiu
Referat materiale electrotehnice Siliciul
Profesor indrumator Conf. dr. Ing. Popescu Lizeta
Student Lopătaru Cristian An I EM-FR
SILICIUL STARE NATURALĂ După oxigen, siliciul este cel mai răspândit element din scoarţa terestră. Siliciul se găseşte în natură numai combinat cu oxigenul, în bioxidul de siliciu şi în silicaţi. OBŢINERE Bioxidul de siliciu, SiO, se reduce relativ uşor, prin încălzire, la temperatură ridicată, cu diferiţi agenţi reducători. Pe această cale se obţine însă un siliciu impur, din cauza tendinţei acestui element de a se combina cu agentul reducător sau cu impurităţi întâmplătoare aflate în materialele utilizate. a)
Bioxidul de siliciu se poate reduce cu pulberea de magneziu
metalic. Reacţia este puternic exotermă: SiO2 + 2Mg → Si + 2MgO. După răcire se dizolvă oxidul de magneziu în HCl. Rămâne insolubilă o formă de siliciu amorf, brun, impurificat cu siliciura de magneziu, MgSi. Dacă se lucrează cu un exces de magneziu se obţine acest compus. b)
Bioxidul de siliciu poate fi redus în mod similar cu o pulbere de
aluminiu. Siliciul format se dizolvă în excesul de aluminiu topit, din care cristalizează la răcire. La dizolvarea excesului de aluminiu în HCl, se obţin cristale de Si de culoare închisă, impurificat ca aluminiu. c)
Procesul industrial pentru obţinerea siliciului brut, prin
reducerea bioxidului de siliciu cu cărbune, foloseşte un cuptor electric cu electrozi de grafit asemănător celui utilizat la fabricarea carburii de calciu. Se obţine astfel siliciul impurificat cu carbura de calciu, sub formă de bucăţi mari, compacte, cu structură cristalină vizibilă.
Într-o variantă a acestui procedeu se adaugă fier obţinându-se un aliaj, ferosiliciul, cu 40- 90% Si. Ferosiliciul foloseşte la obţinerea de fonte silicioase cu 12-17 % Si, din care se toarnă aparate rezistente la acizi, folosite în industria chimică. Siliciul pur - Se transformă în siliciul brut sau feosiliciul, în modul arătat, în tetraclorura de siliciu, SiCl, sau în triclorsilan, HSiCl. Aceste substanţe fiind lichide cu puncte de fierbere scăzute, se purifică prin distilarea fracţională, apoi se reduc cu hidrogenul la trecerea prin tuburi încălzite sau peste un filament metalic incandescent : 800C SiCl +2H → Si+ 4HCl Siliciul super - pur aşa cum este cerut în industria semiconductoarelor se obţine din siliciul pur prin metoda topirii zonale. Prin acest procedeu impurităţile se adună într-o extremitate a vergelei de siliciu supusă tratamentului, margine care se îndepărtează. Proprietăţi fizice şi chimice : 1)
Siliciul cristalizează în sistemul cubic. Cristalele de siliciu sunt
lucioase, cenuşii ca fierul, mai dure decât acest metal (duritate 7 pe scara Mohs ) dar casante. Siliciul este semiconductor; conductibilitate electrică foarte mică la siliciul pur, creşte cu temperatura şi cu conţinutul în impurităţi. 2)
Reţeaua cristalului de siliciu este de acelaşi tip cu a
diamantului. Fiecare atom de siliciu este înconjurat tetraedic de alţi 4 atomi la distanţă intraatomică Si-Si de 2.34 A.
3)
Siliciul nu formează soluţii fizice cu nici un solvent,
asemănându-se cu diamantul. 4)
La temperaturi joase siliciul este puţin reactiv aşa cum se
prevede pe baza structurii sale. Siliciul amorf este mai reactiv decât cel cristalizat fiind mai fin divizat. Dintre elementele electronegative, siliciul se combină, la temperatura camerei numai cu florul cu care dă tetrafluorura de siliciu, SiF. Cu florul şi cu bromul, siliciul reacţionează la 500 grade formând tetrahalogenurile respective. Si + O → SiO Reacţia este foarte exotermă. Siliciul cristalizat se combină cu sulful la 600 de grade, cu incandescenţă, dând sulfura de siliciu. Cu azotul combinarea are loc la 1000 de grade şi duce la o nitrură, Si N. Cu carbonul se combină la 2000 de grade dând carbura de siliciu, SiC. Tot la temperatură înaltă se combină şi cu borul, dând SiB. 5)
Siliciul se combină cu multe metale cum sunt Li ,Be, Mg, Ca
,Sr, Ba, Cr, Mo, W, Fe ,Co ,Ni ,Pt ,Cu când este încălzit cu ele la alb-roşu. 6)
Siliciul nu reacţionează la rece cu apa şi nici cu acizii tari. Cu
apa are loc la 800 de grade o reacţie analogă cu aceea a carbonului. Si +H2O → SiO+ 2H 7)
Atomul de siliciu spre deosebire de atomul de C poate însă
folosi orbitali d. Orbitalii 3d sunt la nivel energetic destul de apropiaţi de orbitalii 3s şi 3p pentru a putea da naştere unei hidrizări spd, o asemenea structură se întâlneşte în ionul, SiF în care cele şase legături de Si-F sunt echivalente şi grupate octaedic în jurul atomului central de Si.
În combinaţiile sale cu ceilalţi halogeni şi cu oxigenul, siliciul are numărul de coordonare 4, dar sunt indicaţii că la formarea legăturilor Si-O contribuie şi orbitalii 3d. INTREBUINŢĂRI Siliciul se utilizează în : •
industria tranzistorilor datorită proprietăţilor de semiconductor.
• sub formă de aliaje (ferosiliciul) cu proprietăţi anticorozive. • sub formă de cuarţ (SiO) pentru confecţionarea lentilelor şi prismelor aparatelor optice. •
sub formă de silicaţi (talc, mica, feldspaţi) în industria materialelor de
construcţii: ciment, ceramică, porţelan şi sticlă. ELABORAREA SILICIULUI ŞI REALIZAREA PLACHETELOR SEMICONDUCTOARE Dintre materialele semiconductoare, siliciul este cel care s-a impus pentru realizarea de dispozitive semiconductoare şi de circuite integrate monolotice. Motivul principal este acela că prin oxidare termică siliciul se acoperă cu un strat de oxid de siliciu amorf, care constituie o barieră în pătrunderea impurităţilor în materialul de bază, bioxidul de siliciu fiind în acelaşi timp şi un bun material dielectric. Siliciul şi oxidul său stau la baza tehnologiei planare, care a făcut posibilă realizarea cu productivitate ridicată a dispozitivelor semiconductoare şi a circuitelor integrate pe scară mare. Siliciul se găseşte în cantitate mare la suprafaţa globului terestru (aprox. 28%). Sursele naturale de Si sunt în principal silicaţii (nisip, etc), dar
şi zirconiul, jadul, mica, cuarţul. Siliciul există natural sub formă de oxizi (starea oxidată). Pentru elaborare este necesară o metodă de reducere a sa, iar apoi trebuie să fie purificat până la stadiul de siliciu "de calitate electronică" sau EGS (Electronic Grade Silicon). ELABORAREA SILICIULUI Prima etapă a tehnologiei siliciului corespunde elaborării siliciului de calitate "metalurgică" sau MGS (Metallurgic Grade Silicon). După această etapă în urma purificărilor repetate se obţine materialul de puritate "electronică". Temperatura de topire a siliciului este ridicată, situându-se la valoarea de 1415°C. Dificultatea în obţinerea siliciului constă în aceea că oxidul de siliciu (SiO2) nu poate fi redus direct prin folosirea hidrogenului, fiind necesară o tehnică adaptată de reducere (cu carbon, la temperatură ridicată). Obţinerea siliciului metalurgic Obţinerea siliciului metalurgic se efectuează prin electroliza silicei topite (SiO2) într-un cuptor cu arc electric. Se foloseşte cuptorul cu arc electric pentru a se putea atinge temperatura de topire a SiO2 care se găseşte în amestec cu carbon (cărbune). Siliciul care se obţine în urma electrolizei are puritatea de 98 %. Puritatea trebuie mărită în continuare, cu multe ordine de mărime, până la obţinerea unui material utilizabil în microelectronică.
Obţinerea siliciului de calitate electronică Teoria dispozitivelor semiconductoare este construită în ipoteza unui cristal perfect sau cvasi-perfect. Calitatea electronică (EGS) a siliciului este greu de obţinut fiind necesară aplicarea succesivă a unui număr mare de etape de purificare. Succesiunea principalelor etape de purificare a siliciului a)
purificarea chimică – o metodă folosită constă în dizolvarea siliciului
într-un produs lichid la temperatura ambiantă şi apoi distilarea acestui lichid. În mod frecvent se folosesc halogenurile de siliciu ca produs intermediar lichid.
b)
purificarea fizică - se bazează pe redistribuirea impurităţilor existente
în material la trecerea acestuia din faza lichidă în faza solidă. •
metoda solidificării directe - prin care materialul aflat iniţial în stare
lichidă se solidifică treptat prin deplasarea unei singure interfeţe solid-lichid;
•
metoda topirii zonale simple - constă în topirea unei zone a lingoului
de material semiconductor şi deplasarea lentă a acestei zone de-a lungul lingoului. •
metoda topirii zonale multiple - constă în topirea mai multor zone,
distanţate între ele şi separate prin faza solidă.
Schema topirii zonale a) Principiul încălzirii prin inducţie b) Variaţia temperaturii
c)
Obţinerea lingoului - Evoluţia dimensiunilor lingourilor a fost legată
de evoluţia gradului de control asupra parametrilor de proces şi echipamentelor asociate, având ca scop creşterea randamentului de fabricaţie şi reducerea costurilor de producţie pe circuit integrat realizat. Astfel, în mai puţin de 30 de ani, diametrul plachetelor a crescut de 10 ori, respectiv de la 25 mm în 1964 la 300 mm în 1998.
d)
Tragerea şi creşterea cristalului reprezintă o tehnică folosită pentru
realizarea lingourilor de mari dimensiuni care porneşte de la un lingou de siliciu policristalin obţinut în reactorul de reducere. Creşterea cristalului se obţine pornind de la un germene fixat la extremitatea lingoului, prin deplasarea unei zone topite. Cristalizarea lingoului şi purificarea prin metoda topirii zonale.
Aceasta zonă este încălzită prin inducţie până la limita de topire a siliciului. Procesul de încălzire se obţine prin intermediul unei bobine parcurse de curent de înaltă frecvenţă, care induce în lingou curenţi turbionari (Foucault), la fel ca şi în cazul purificării lingoului. Diametrul lingoului este determinat de parametrii fizici în timpul tragerii. O altă variantă pentru tragerea de lingouri este aceea în care lingoul se obţine într-o formă paralelipipedică, iar cristalizarea se efectuează progresiv, pornind de la una din extremităţi. Această metoda este numită metoda "Bridgman“. Această tehnică este folosită, în special, pentru lingouri din compuşi III - V, cum ar fi GaAs.
e)
Tăierea capetelor lingoului - Operaţia constă în eliminarea
extremităţilor lingoului, care sunt fie imperfect cristalizate, fie bogate în impurităţi (în special dacă s-a folosit tehnica topirii zonale).
f)
Controlul rezistivităţii la extremităţile lingoului - Concentraţia de
impurităţi nu este constantă în timpui tragerii, rezistivitatea finală variază dea lungul lingoului. Se impune o verificare a acestui parametru în raport cu specificaţiile tehnologice (gama de variaţie). Măsurarea rezistivităţii se face cu metoda "celor patru sonde".
g)
Determinarea reperelor cristalografice şi marcarea lingoului -
cunoaşterea orientărilor cristalografice este necesară, pentru a putea decupa materialul de-a lungul axelor cristalografice, la sfârşitul procesului de fabricaţie. După reperarea planurilor cristalografice la lingoul de siliciu se creează o teşitură care va servi ca referinţă .
h)
polizajul cilindric - în cursul tragerii diametrul lingoului variază uşor,
suprafaţa fiind ondulată. Pentru a obţine plachete de acelaşi diametru este necesară o polizare cilindrică. i) polizarea unei teşituri de referinţă - acest reper va folosi ca referinţă în cursul procedeului de fabricaţie (orientarea zonelor de conducţie în raport cu axele cristalului, reperarea desenelor gravate în cursul fotolitografiei, decuparea cipurilor după axele cristalografice)
•
Se vor realiza suplimentar şi alte repere, în funcţie de tipul de
dopaj al substratului şi de orientarea sa cristalografică. La plachetele cu diametru mai mare de 3 inch/ţoli (1 inch =25,4 mm) se foloseşte un reper cristalografie în formă de crestătură. •
Se pot distinge uşor tipurile de dopaj n şi p precum şi orientările
cristalografice. Pe lingou se marchează datele de identificare ale lingoului cu
ajutorul unui fascicul laser: numărul lotului în care s-a realizat, data fabricaţiei. Realizarea plachetelor semiconductoare Din lingoul de siliciu cristalin se obţin plachetele (wafers) pe care prin tehnologii specifice urmează a se realiza dispozitivele electronice şi circuitele integrate. Succesiunea principalelor operaţii de obţinere a plachetelor a) debitarea plachetelor - după obţinerea lingoului de siliciu monocristalin acesta va fi decupat în discuri subţiri ce vor reprezenta plachetele (wafers). O modalitate de debitare a plachetelor este aceea care se face cu ajutorul unui ferăstrău diamantat. Dacă se ia în considerare eliminarea capetelor de lingou şi polizarea, rezultă că din lingou se elimină în total 50% la 60%
b) tratament termic - operaţia de debitare a plachetelor creează tensiuni mecanice în cristal. Eliminarea acestor tensiuni şi relaxarea cristalului se obţine printr-o creştere lentă a temperaturii plachetelor până la 600...700°C. Prin acest tratament termic de recoacere, atomii obţin suficientă
energie proprie pentru a se reaşeza în şisturile cristaline. Se obţine în acelaşi timp diminuarea efectului atomilor de oxigen (de tip donor) şi se stabilizează rezistivitatea. c) polizarea marginilor (debavurarea) - după tăiere, pe marginile plachetelor rămân bavuri ce trebuie eliminate. Se realizează în acelaşi timp şi o rotunjire a muchiilor, pentru a uşura manipularea plachetelor în cursul procesului de fabricaţie. Prin aceasta se evită degradarea dispozitivelor de prindere şi se suprimă amorsele de fisuri. d) selecţia plachetelor în funcţie de grosime - după debitare, grosimile plachetelor pot fi sensibil diferite. Pentru reducerea timpului de polizare plachetele se triază în game de grosimi. e) acoperirea plachetelor cu o suspensie de alumină şi polizarea pentru a ameliora starea suprafeţelor, plachetele sunt polizate cu ajutorul unei soluţii ce conţine în suspensie granule de alumină de dimensiuni micronice. f) curăţirea - această etapă are rolul de a elimina produsele abrazive şi substanţele contaminante, prin spălare cu solvenţi şi apă deionizată. g) atacul chimic al plachetelor - în cursul etapelor parcurse de plachete, acestea formează la suprafaţă un strat de oxid care conţine impurităţi. Aceste impurităţi sunt fie particule metalice şi pot fi eliminate cu soluţii acide, fie substanţe organice ce pot fi eliminate folosind soluţii bazice. Se obţine în acest fel o suprafaţă neutră din punct de vedere chimic, înaintea polizării "oglindă".
h) deteriorarea feţei inferioare - partea utilă a plachetei (în care se vor crea componentele electronice) se găseşte foarte aproape de suprafaţa superioară. Se urmăreşte realizarea unei calităţi maxime a materialului în această zonă, atât sub aspectul gradului de puritate (atomi străini), cât şi ai defectelor cristalografice (macle, dislocări, etc). În acest scop se creează intenţionat defecte pe faţa inferioară, prin sablaj sau bombardament laser .
Aplicând ulterior un tratament termic, impurităţile de pe faţa activă a plachetei vor migra prin substrat spre faţa inferioară şi vor fi captate de defectele create în această parte, acestea oferind stări energetice favorabile fixării atomilor. Acest fenomen este numit efectul "getter". i) selecţia în funcţie de grosime - prin operaţia precedentă se modifică grosimile plachetelor. Se face o nouă selecţie în game de grosime. j) prelucrarea finală a suprafeţei - această prelucrare tip "oglindă" poate fi efectuată mecanic sau mecano-chimic. Se urmăreşte eliminarea zgârieturilor şi a micilor denivelări ale suprafeţei rămase de la operaţiile anterioare. Operaţia se efectuează cu discuri abrazive folosind o soluţie abrazivă cu granule foarte fine.
k) testarea rezistivităţii plachetelor, selecţia finală în funcţie de rezistivitate - formarea loturilor ce urmează să se livreze beneficiarilor după o selecţie în funcţie de rezistivitate. Determinarea rezistivităţii se realizează cu ajutorul a patru electrozi punctiformi care se aşează pe suprafaţa plachetei.
Prin doi dintre aceşti electrozi se injectează un curent I în circuit, iar între ceilalţi doi electrozi se măsoară tensiunea UBC care ia naştere. În funcţie de configuraţia electrozilor, se poate determina prin calcul rezistivitatea plachetei. Atunci când electrozii sunt coliniari şi echidistanţi rezistivitatea se calculează cu relaţia:
l) reperarea/marcarea - se marchează pe lingou cu ajutorul unui fascicul laser: numărul lotului în care s-a realizat, data fabricaţiei. Prin aceste reperare este posibilă urmărirea plachetei de-a lungul întregii linii de fabricaţie.
m) curăţarea finală în "camera albă“- pentru a demara ansamblul etapelor ce formează procedeul de fabricaţie a circuitelor integrate, plachetele trebuie să fie perfect curate (fără grăsime, fără particule de praf, etc). Curăţarea finală se realizează în incintă cu condiţii de mediu perfect controlate ("camera albă"). n) inspecţia vizuală - inspecţia finală se impune pentru a detecta variaţiile de culoare, zgârieturile, particulele de praf. Omul este la ora actuală cel mai bun inspector. El poate detecta vizual şi în scurt timp variaţiile de culoare, zgârieturile, particulele de praf cu dimensiuni mai mici de un micron. Un sistem automat de control cu baleiaj optic al întregii suprafeţe a plachetei ar necesita deocamdată un timp de analiză mult mai mare decât cel necesar unui operator uman antrenat. o) testul de planeitate - planeitatea plachetelor este foarte importantă pentru operaţiile litografice la care acestea urmează să se supună. Există în prezent dispozitive bazate pe măsurări optice (devierea unui fascicul laser), pentru testarea planeităţii. Plachetele semiconductoare sunt în continuare supuse la o serie de operaţii dintre care se pot sintetiza: impurificarea controlată şi selectivă în mai multe etape, depuneri de straturi, realizarea conexiunilor la pini, încapsularea, testarea.
BIBLIOGRAFIE
1.
Amza Gh., ş.a.,"Tehnologia materialelor", Editura Tehnică,
Bucureşti, 1999. 2.
C. Oriţă, M. Derevlean, ”Materiale Electronice”, Editura VIE,
Iaşi 2001. 3.
Cătuneanu V.,ş.a., ”Tehnologie electronică", Editura Didactică
şi Pedagogică, Bucureşti, 1995. 4.
Hubcă Gh.,ş.a., "Materiale compozite", Editura Tehnică,
Bucureşti, 1999. 5.
Popescu N., ş.a., "Ştiinţa materialelor pentru ingineria
mecanică. Materiale comerciale metalice, nemetalice şi compozite"., Editura Fair Partners, Bucureşti, 2000. 6.
Pumnea C., ş.a. "Tehnologie industrială", volumul 1 şi 2,
Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1992. 7.
www.referat.ro
8.
facultate.regielive.ro
9.
www.e-referat.ro
10.
www.referatele.com
11.
referate.educativ.ro
