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)?
Top Related