Chimia Materialelor

Studiu de caz

Ct chimie presupune realizarea unui calculator?

Cum se ajunge de lala

?

De ce este Si aa de special?Numr atomic : 14; Mas atomic : 28,0855

Siliciul este al doilea element ca rspndire n scoara terestr (25,7%) dup oxigen

Siliciul este un semiconductor Semiconductorii au o proprietate foarte special: conductivitatea lor electric poate fi controlat

Cum?

De ce este Si aa de special?

Doparea Si: nlocuirea unor atomi de Si cu ali atomi

Electroni: tip n (-)Goluri :tip p (+)

Realizarea unui microchipFabricarea substratului de Si

A. Obtinerea Si din nisip

SiO2 + 2C Si + 2CO 1500-2000oC

n cuptoare electrice cu un exces de n cuptoare electrice cu un exces de SiO2

De ce ?

Concomitent se poate forma SiC, excesul de SiO2 ndeprteaz carbura, conform reaciei:

SiO2+ SiC 3Si + CO

B. Hidroclorurarea Si

Si + 3HCl SiHCl3 + H2 ; 300oC

De ce ? Un lichid e mai uor de purificat

C. Distilarea fracionat a triclorsilanului

P.f.=31,8oC, ndeprtarea impuritilor electric active Fe, Al, B;impuritile rmase < 1 ppb (10-9)

Ce este siliciul policristalin?

D. Obinerea siliciului policristalinSiHCl3 + H2 Si + HCl ; 1100oC

O parte din triclorsilan se transform n SiCl4, un produs secundar care sendeprteaz, si se utilizeaz n continuare la obinerea siliconilor

Ce este siliciul policristalin?

Monocristal de Si

Siliciul constituit dinnumeroase cristaliteorientate diferit, careinflueneaz n modnegativ proprietileelectrice, fapt ceimpune realizareaunui singur cristal,monocristal de siliciu

Si policristalin

E. Creterea de monocristale de Si prinmetoda Czochralski

Si se topete ntr-o incint nchis

se introduce un germene decristalizare i se regleaztemperatura

tragerea, o dat cu germenele decristalizare, este rapid la nceputpentru a obine un monocristal

ulterior viteza de cretere se reducela civa mm/s; are loc cretereamonocristalului

rotirea monocristalului se facepentru a menine o cretereuniform

FotolitografieA. Curirea substratului de Sisubstratul de Si se cur cu solveni foarte puri-pentru compuii organici: H2O2 + H2SO4-pentru oxizi: HF De ce? -pentru oxizi: HF

B. Creterea unui strat de SiO2De ce?

SiO2 este izolatori este folosit cabarier de difuziepentru straturileconductoare

Cum?

Si + O2 SiO2; 700-1200oC

Si+H2OSiO2 +2H2;700-1200oC

C. Aplicarea fotorezistuluiCe este un fotorezist?3 componenti:

-rin (liant)-polimer-compus fotoactiv-solvent organic

Rina: Novolak, primul polimer sintetic produs industrial (1910);se obine prin condensarea fenolilor cu formaldehida catalizat acidse obine prin condensarea fenolilor cu formaldehida catalizat acid

Compusul fotoactiv: reacioneaz cu luminaUV; influeneaz solubilitatea rinii n ap;conine grupri diazonaftochinonice

Solventul: foarte important n realizarea uneisoluii de acoperire stabile; de exemplu 2-heptanona, CH3-CO-C5H11

Depunere prin centrifugare (spin-coating)coating)-pentru a realiza un strat uniform de fotorezist se punciva ml din amestecul de soluii pe un substrat de Si,iar apoi se centrifugheaz cu o viteza de 5000 rpm timpde cteva secunde

-se usuc la 90-110oC, cnd are loc si evaporareasolventului

D. Iradierea filmului de fotorezist printr-o masc

Ce se ntmpl?

E. Developarea pattern-ului

-soluie de developareNaOH, KOH

Ce se ntmpl?

Compusul fotoactiv reacioneaz cu hidroxidul Compusul fotoactiv reacioneaz cu hidroxidul i solubilizeaz fotorezistul rezulta o portiune umbrita

F. Corodarea substratului

Cum ?Utilizarea unui reactiv care ataca selectiv SiO2, nu i Si

Realizarea primului strat

Corodarea SiO2 expus

Corodare umed: soluie de HF

Corodare uscat: plasm deCF4 +H2(aplicarea unei tensiunimari duce la formarea CFx+)

Utilizarea unui reactiv care ataca selectiv SiO2, nu i Si

Se ndeprteaz fotorezistul pentru a obtine stratul de SiO2

G. Creterea celui de-al doilea strat de SiO2 iSi policristalin

Cum se realizeaz creterea celui de-al doilea strat de SiO2 ?

Nu se poate utiliza un proces termic ca i n cazul anterior deoarece acest procedeu se utilizeaz n cazul filmelor foarte subiri de oxizi ( 10nm) :

Si + O2 SiO2

Se utilizeaz depunerea chimic din stare de vapori (CVD)

Depunerea chimic din stare de vapori

are loc atunci cnd produsul Cum?are loc atunci cnd produsulsolid al unei reacii chimice sedepune pe o suprafa, de obiceila temperaturi ridicate, pornindu-se de la precursori volatili

Se lucreaz la presiune sczut

Captul de ieire a gazului este cel mai fierbinte

De ce ?

Concentraia de gaz este cea mai mic, astfel c se accelereaz reacia pentru a obineaceeai grosime a filmelor de SiO2 i Si policristalin.

De ce?

Asigur un proces de cretere lent i uniform

Cum?

Depunerea chimic din stare de vaporiSiO2

TEOS = tetraetilortosilicatAvantaje:se formeaz oxizi de calitate

foarte uor de dopat pentru a face un semiconductor de tip n- sau p- prin adaos de AsH3 sau PH3 n gazul de reacie

DAR, AsH3 sau PH3 sunt foarte toxice, iar HCl este foarte coroziv i periculos

Pentru doparea Si cu As sau P se folosete implantarea ionic

Si policristalin

Avantaje:se formeaz oxizi de calitatenu se formeaz HClreacia are loc la temperaturi mai sczute

Depunerea fotorezistului i pattern-area

Pentru a realiza un microchip operaia se repet de aproximativ 20 de ori

H. Depunerea metalului pe substrat-asigur legtura electric dintre straturi-se poate realiza prin depunere fizic din stare de vapori (PVD) se depun vapori metalici pe un subsrat, de exemplu Au-initial s-a utilizat Al, iar mai nou Cu depus prin CVD

unde

Cu(hfa)2=hexafluoroacetilacetonat de Cu

Pe un singur substrat se fac numeroase circuiteintegrate (microchip-uri)

Suprafaa fiecrui chip este testat

Microchip-urile sunt tiate cu scule diamantate

Tendine: miniaturizare i integrare

Dificulti: costul, fotolitografia i stratul izolator deSiO2

Soluia: utilizarea moleculelor ca i dispozitiveelectronice active...

Concluzii realizarea unui microchip este complex

presupune i mult chimie

sunt necesare substane i reactivi foarte puri (Si, sunt necesare substane i reactivi foarte puri (Si,solveni, fotorezist)

se utilizeaz fotolitografia pentru microfabricatie

sunt necesare mai multe pattern-ri

viitorul: electronica molecular, electronica despin(spintronica)?