Materiály a
technologie
pro
informatiku
SYLABUS 2011
1. Základní pojmy, klasifikace materiálů a technologických postupů.
2. Technologie přípravy polovodičových monokrystalů a epitaxních vrstev.
3. Příprava tenkých vrstev.
4. PN přechody, heteropřechody, přechody kov-polovodič.
5. Litografie a problematika zmenšování rozměrů.
6. Struktury integrovaných obvodů.
7. Materiály a struktury pro záznam informací.
8. Materiály a technologie vláknových a planárních optických vlnovodů a kabelů.
9. Technologie a konstrukce zdrojů a detektorů záření.
10. Konstrukční, spojovací a vazební součástky fotoniky.
11. Struktury a součástky pro distribuci a ovládání optického záření.
12. Zobrazovací struktury a displeje a jejich využití v informatice.
13. Magneto-optické materiály v informatice.
14. Testování vlastností materiálů a struktur pro informatiku.
Základní pojmy, klasifikace
materiálů a
technologických
postupů…
Klasifikace materiálů
kovy
sklo a keramika
ostatní anorganické
materiály
polymery
polovodiče
kompozitní materiály
biomateriály
průmyslové materiály
materiály pro
elektroniku a
informatiku
supravodivé
jaderné
magnetické
optické
Historie
1821
1821 Thomas
ThomasSeebeck
Seebeckobjevuje
objevujepolovodičové
polovodičovévlastnosti
vlastnostiPbS
PbS
1833
1833 Michael
MichaelFaraday
Faradaypodává
podávázprávu
zprávuooteplotní
teplotnízávislosti
závislosti
polovodičů
polovodičů
1873
1873 objevil
objevilFaraday
Faradaycitlivost
citlivostpolovodiče
polovodičeSe
Sena
nasvětlo
světlo
Werner
Wernervon
vonSiemens
Siemensvyužívá
využívátoroho
torohoobjevu
objevupři
přivynálezu
vynálezu
selenového
selenovéhofotometru.
fotometru.
1876
1876 známy
známyusměrňovací
usměrňovacíschopnosti
schopnostiselenu
selenu
cílená
cílenávýroba
výroba polovodičových
polovodičových(germaniových)
(germaniových)diod
diodbyla
byla
uskutečněna
uskutečněnaaž
ažpo
povelkém
velkémúsilí
úsilívvroce
roce1940
1940
vynález
vynáleztranzistoru
tranzistoruvvBellových
Bellovýchlaboratořích
laboratoříchvvroce
roce1947
1947
integrovaný
integrovanýobvod
obvodvyrobil
vyrobilvvroce
roce1958
1958Jack
JackKilby,
Kilby,vvjednom
jednom
pouzdře
pouzdřebyly
bylyčtyři
čtyřitranzistory,
tranzistory,zlom
zlomvvrozvoji
rozvojielektroniky
elektroniky
1961
1961bipolární
bipolárníčíslicové
číslicovéintegrované
integrovanéobvody
obvody
1963
1963bipolární
bipolárníanalogové
analogovéIO
IO
1966
1966MIS
MIS(metal-insulator-semiconductor)
(metal-insulator-semiconductor)integrované
integrovanéobvody
obvody
Elektronika kolem nás
http://www.umel.feec.vutbr.cz/~szend/vyuka/bmts/2009-BMTS-1-perspektivy.pdf
Elektronika kolem nás
http://www.umel.feec.vutbr.cz/~szend/vyuka/bmts/2009-BMTS-1-perspektivy.pdf
GORDON E. MOORE (*1929 poblíž Palo Alto, Kalifornie)
Moorův zákon
‰ Moorův zákon byl formulován v roce 1965 – a po 10 letech mírně poopraven
Gordonem Moorem – spoluzakladatelem firmy Intel
‰ „Hustota integrovaného obvodu nebo kapacita paměti se zdvojnásobuje každých
18 měsíců, neboli zečtyřnásobuje každé tři roky.“
‰ Moorův zákon na konci století – po více než 30 letech – překvapivě stále platí
a je často vnímán jako jakýsi barometr polovodičového průmyslu, měřítko pro
hodnocení inovace a pokroku. Moorův zákon podnítil vznik několika doplňků,
někdy až humorně laděných.
‰ Rockův zákon (někdy označován jako druhý Moorův zákon):
„Investice do nových zařízení na výrobu čipů se zdvojnásobuje každé čtyři roky.“
(Artur Rock)
‰ Manchorův zákon:
„Počítač, který právě potřebuješ, vždycky stojí 5000 dolarů.“ (Fill Manchore).
GORDON E. MOORE (*1929 poblíž Palo Alto, Kalifornie)
Moorův zákon
http://www.physorg.com/news/2011-09-koomeys-law-power-efficiency-parallels.html
Kapacita hard disku - vývoj
http://natishalom.typepad.com/nati_shaloms_blog/2010/09/scale-up-vs-scale-out.html
Finance
Materiály
Vodivé materiály - vodiče - zejména kovy, ale také
grafit a jiné. Jejich vodivost může být částečně
ovlivněna hlavně teplotou.
Elektricky nevodivé materiály
- izolační sklo
porcelán
plasty
.
.
.
Nevodivé materiály - izolační - například sklo,
porcelán, guma, plastické hmoty, dřevo atd.. Jejich
„nevodivost“ může být jen nepatrně ovlivněna.
A konečně polovodiče, které mají vodivost někde
mezi izolačními materiály a kovy a lze ji výrazně
ovlivnit v širokém rozsahu. Známé polovodiče jsou
germanium, křemík a galium arzenid. Nejvíce
používaný je křemík.
Elektricky vodivé
materiály, zejména kovy
- vodiče -
Polovodiče
Vlivem teploty, elektrického pole anebo příměsí jiných
látek se mohou chovat jednou jako izolační materiály a
podruhé jako vodiče.
stříbro
měď
zlato
.
hliník
železo
.
grafit
křemík
germanium
Galium arzenid
Vodivost polovodičů
lze ovlivnit teplotou,
elektrickým polem a
zejména nepatrným
množstvím příměsí
jiných látek. Tyto
příměsi se nazývají
dopanty.
Základní vlastnosti
polovodičového materiálu
Přesné hranice mezi vodiči, polovodiči a izolanty nejsou určeny.
- závislost na vnějších podmínkách - “blíže” vodičům či izolantům (teplota, dotace)
- hodnoty rezistivity 10-4 až 108 Ωm
- záporný teplotní koeficient TKR<0, tzn. se vzrůstající teplotou se jejich elektrická
vodivost zvyšuje
- vodivost polovodiče závislá i na dalších vnějších činitelích (světelné a ionizační
záření, elektromagnetické pole….)
Důležitá vlastnost
tzv. bipolární vodivost – tzn. vedení proudu
je v něm zrostředkováno částicemi
obsahujícími záporný a kladný náboj
Možné rozdělění materiálů z hlediska polovodičů
¾ polovodivé prvky (elementární polovodivé materiály)
¾ polovodivé sloučeniny
¾ oxidové polovodiče
¾ organické polovodiče
Au
Si
(báze)
Au
SiO2
(hradlo)
Křemík struktura
Základem krystalografické struktury křemíku je
plošně centrovaná kubická struktura krychle s atomy ve vrcholech a ve středech
stěn.
Každý atom křemíku má čtyři sousedy se
kterými tvoří vazbu.
3 nm
a = 0,54
Když se posune kopie takovéto struktury o 1/4
tělesné úhlopříčky, původní i posunuté atomy
tvoří diamantový typ struktury, což je také
struktura křemíku.
28,0885
Si
14
2,33 g/cm3
Křemík
Pásový model
vznik diskrétních energetických
pásů - valenční, zakázaný a
vodivostní pás.
elektrony lokalizované ve
valenčním pásu mohou
přecházet do pásu vodivostního,
pokud překonají energetickou
bariéru, kterou udává šířka
zakázaného pásu
(dodání energie)
: E(g), se udává v elektronvoltech
(eV).
Kovy
monovalentní kovy (např. sodík, rubidium)
(EG < 0,1 eV)
-vodivostní pás je i za teploty 0 K částečně zaplněn
bivalentní kovy (např. měd')
- nemají zakázaný pás
- vodivostní pás se překrývá s valenčním
kovy - 0 (= vodiče); polokovy < než 3 eV (= polovodiče)
nekovy - zakázaný pás nejširší, E(g) > 5 eV (= izolanty = dielektrika).
PŘÍMĚSI – typ N a P
Pásový model
Elektrony a díry
™ dodávání energie ⇒ uvolňování elektronů z valenčních orbitalů atomů, které
tvoří valenční pás – excitace.
™ volné elektrony způsobují tzv. elektronovou vodivost.
™ s uvolněným elektronem vzniká na jeho původním místě tzv. kladná díra –
místo, které vykazuje kladný elektrický potenciál
™ Kladné díry se mohou přemisťovat pomocí přeskoků elektronů a tento pohyb
způsobuje tzv. děrovou vodivost (kvantově mechanicky podstatně složitější).
™ Směr pohybu kladných děr je opačný ke směru pohybu elektronů a celkový
elektrický proud v polovodiči se rovná součtu proudu způsobeného elektrony a
proudu způsobeného kladnými děrami.
Může také dojít k zaplnění díry elektronem při současném uvolnění energie, a tím k
zániku dvojice volný elektron – kladná díra.
Tento děj se nazývá rekombinace.
Závislost vodivosti a odporu na teplotě
Vodivost, resp. el. odpor polovodičů závisí na teplotě.
S rostoucí teplotou se zvyšuje vodivost, resp. snižuje odpor polovodičů.
Změnu odporu ∆R na teplotě popisuje vztah ∆R = R0.α.∆t , kde R0 je počáteční
odpor polovodiče, α je teplotní součinitel odporu (záporná hodnota), ∆t je rozdíl
teplot.
Závislost vodivosti a odporu na teplotě odlišuje polovodiče od kovů, u kterých
je tato závislost opačná (hodnota α je u kovů kladná).
Vlastní vodivost polovodiče
™ čisté polovodičové prvky (např. křemík či germanium) - teplota velmi blízko
absolutní nuly ( ~ -273,15 °C) valenční elektrony pevně lokalizovány ve valenční
vrstvě – ustává tepelný vířivý pohyb atomů a krystal se chová jako izolant (má
téměř nekonečný elektrický odpor, resp. nulovou elektrickou vodivost).
™ dodání krystalu energii formou záření (tepla, světla)
→ tepelné kmity, porušení některých kovalentních vazeb
- některé valenční elektrony, které byly předtím pevně vázány, získají dostatek
energie k překonání zakázaného pásu a přeskočí z valenčního pásu do vodivostního
a budou se neuspořádaně pohybovat prostorem krystalové mřížky (mezi atomy)
™ opuštění valenčního elektronu vazby ⇒ nedostatek záporného náboje
(přebytek kladného náboje ⇒ defektní elektron, zkráceně díra).
- generace : vznik páru elektron-díra.
- nepřetržité dodávání energie – uvolňování stále více volných elektronů → více děr.
Vlastní vodivost polovodiče
™ krystalem neuspořádaně se pohybující volné elektrony jsou přitahovány dírami.
elektron + díra → zaniknou (lze samozřejmě najít jiné typy přechodů, budou
diskutovány dále, např. zářivý atd..).
™ generace a rekombinace se opakuje,
tento druh vodivosti podmíněný vznikem volně pohyblivých párů nosičů náboje
elektron-díra v důsledku “rozbíjení” vazeb mezi atomy čistého polovodiče,
nazýváme vlastní (intrinzická) vodivost polovodiče.
™ Připojíme-li k tomuto polovodiči zdroj napětí ⇒ záporné
elektrony přesouvat ke kladnému pólu, kladné díry k pólu
zápornému a nastane usměrněný pohyb nábojů.
™ Elektrický proud v polovodičích je způsoben usměrněným
pohybem uvolněných elektronů a "děr".
Příměsové (nevlastní) polovodiče
Volné elektrony, resp. kladné díry lze do polovodiče dostat také pomocí příměsí.
™ i malé množství příměsi (tisíciny procenta) může vést k dostatečně velkému
zvětšení vodivosti → nevlastní vodivost.
Polovodič typu N
Např. přidáme-li do čistého čtyřmocného křemíku pětimocný
prvek
(P, As nebo Sb)
⇒ vznikne nám polovodič typu N. Prvku příměsi, který má o
jeden elektron více, říkáme donor (dárce – daruje elektron).
™ čtyři valenční elektrony arsenu se naváží se sousedními atomy
Křemíku ⇒ poslední - snadné uvolnění z vazby s vlastním atomem a pohyb
prostorem krystalové mřížky .
™ tyto zbylé volné elektrony dárce zprostředkovávají svým pohybem záporných
(negativních) nábojů elektronovou vodivost (nevlastní vodivost typu N) většinovými (majoritními) nosiči náboje
Příměsové (nevlastní) polovodiče
Polovodič typu N obsahuje také i díry
- vznikají jako produkt působení teploty
- množství závislé na teplotě (s rostoucí teplotou roste).
- v polovodiči typu N díry menšinovými (minoritními)
nosiči náboje
- připojíme-li polovodič typu N ke zdroji napětí, jsou volné
elektrony usměrněny elektrickým polem a pohybují se od
záporného pólu ke kladnému pólu zdroje.
Polovodič typu P
Dotace čtyřmocného Si trojmocným prvkem (B, Al, Ga nebo In) → polovodič
typu P.
Prvek příměsi, který má o jeden elektron méně - akceptor (příjemce – přijme
(akceptuje) do své valenční sféry jeden volný elektron).
Příměsové (nevlastní) polovodiče
™ Použití trojmocného prvku ⇒ “chybí” jeden elektron
k tomu, aby se mohla vytvořit kovalentní vazba
vytvořená ze čtyř dvojic elektronů, volné místo po
chybějícím elektronu se chová jako díra (defektní
elektron).
™ Tyto díry cizího atomu způsobují děrovou vodivost polovodiče (nevlastní
vodivost typu P).
™ Děr, které jsou do polovodiče dodány, je mnohem více, než vlastních nosičů
náboje polovodiče, a proto jsou většinovými (majoritními) nosiči náboje.
Polovodič typu P
™ rovněž i volné elektrony, ty vznikají jako produkt působení teploty
™ množství je závislé na teplotě polovodiče (s rostoucí teplotou roste). Tyto
elektrony jsou v polovodiči menšinovými (minoritními) nosiči náboje.
Příměsové (nevlastní) polovodiče
™ volné elektrony, které vznikly tepelným zahřátím vlastního polovodiče P, se
snaží zaplnit sousední díru akceptoru.
™ generace (vznik) e- - vznikají zároveň i nové díry, které se snaží zaplnit další
volné elektrony a tento celý děj se neustále opakuje - jako by se “pohybovaly
díry” (odtud děrová vodivost), avšak ve skutečnosti se pohybují volné elektrony,
které se snaží díry zaplnit
™ Přiložení napětí na polovodič typu P → volné elektrony budou “přeskakovat”
do děr směrem od záporného pólu zdroje ke kladnému a díry se budou
“pohybovat” od kladného pólu zdroje k zápornému.
Použití příměsových polovodičů
Příměsové polovodiče se používají v polovodičových součástkách,
především v polovodičové diodě a tranzistoru, kde zásadní úlohu
hraje přechod P-N.
Křemík
V fyzikálního
Příměsí
Z
Pro
Tak
technologii
dopování
nepatrné
některých
hlediska,
se
množství
křemíku
obvykle
prvků
stačí
příměs
se
odlišuje
- dopantů
špatně
nepatrné
bóru
málo
vyjadřuje
vyvolá
- lze
množství
dopovaný
výrazně
vvkřemíku
gramech,
dopantu.
křemík
ovlivnit
jinýproto
-Tak
elektrickou
jednotky
se v
gramů
polovodičové
mechanizmus
vodivost
například
ažkřemíku.
jeden
kilogramů
technologii
přenosu
gram
Používá
dopantu
fosforu
elektrického
jako
sena
(na
jednotka
zejména
1000
fotografii
proudu,
tun
koncentrace
bór,
křemíku
nafosfor
jako
misce
příměs
aadopantu
váhy)
silně
arzén.
fosforu
dopovaný
stačí,
používá
aaby
křemík
se
počet
arzénu.
z 1000
atomů
-Křemík
desítky
tundopantu
křemíku
dopovaný
až stovky
v(což
jednom
bórem
kilogramů
je plný
krychlovém
označujeme
vlak)
dopantu
stalcentimetru
křemík
jako
na 1000
křemík
s typem
křemíku.
tunskřemíku.
typem
Takový
vodivosti
Koncentrace
silně
P
N.a dopovaný
1
křemík
g fosforu
dopovaný
křemík
na 1000
se
fosforem,
toznačuje
křemíku
nebo
je
jako
pak
arzénem
křemík
45000000000000
sjako
vodivostí
křemík
typu
satomů
typem
P+fosforu
anebo
vodivosti
vN+.
jednom
N.
krychlovém centimetru křemíku.
1 gram fosforu v 1000 tunách křemíku
=
45 000 000 000 000
atomů fosforu
v
krychlovém centimetru křemíku
(4,5 . 1013 cm-3)
Vysoká koncentrace dopantu
desítky až stovky kg / 1000 tun
(1018 až 1021 cm-3)
P+ , N+
Typ vodivosti
P
(Pozitivní)
Typ vodivosti
N
(Negativní)
30,97376
10,81
B
5
Bór
P
15
74,9216
Fosfor
As
33
Arzén
Diodový jev
Přechod PN
™ oblast styku dvou polovodičů s opačným typem vodivosti.
™ v jednom směru jím proud může procházet, zatímco v opačném směru nikoli.
→ polovodič typu N obsahuje ve své krystalové mřížce volně pohyblivé záporné
elektrony, polovodič typu P má v krystalové mřížce volně pohyblivé kladné
"díry".
Situace na přechodu PN v případě, že
a) k přechodu PN není připojen zdroj napětí
b) zdroj napětí je připojen v závěrném směru
c) zdroj napětí je připojen v propustném směru
A
B
C
Diodový jev
Bez zdroje napětí: (A)
V oblasti styku obou polovodičů se část elektronů z oblasti N dostane do oblasti P a
část "děr" z oblasti P přejde do oblasti N. Volné elektrony rekombinují s "děrami",
takže kolem přechodu PN se vytvoří nevodivá oblast bez volných nábojů (na
obrázku vyznačena šedou barvou).
Závěrný směr: (B)
Připojíme-li k polovodiči P záporný pól a k polovodiči N kladný pól zdroje, vzdalují
se působením elektrických sil volné náboje od přechodu PN, oblast bez volných
nábojů se rozšíří, její odpor vzroste a elektrický proud přechodem PN nemůže
procházet. Nevodivé oblasti bez volných nábojů říkáme hradlová (ochuzená
vrstva.
Propustný směr: (C)
Změníme-li polaritu připojeného zdroje, přecházejí působením elektrických sil volné
elektrony přes přechod PN ke kladnému pólu a "díry" jsou přitahovány k zápornému
pólu. Výsledkem je zúžení hradlové vrstvy a zmenšení jejího odporu.
Takto zapojeným přechodem PN proud prochází.
Diodový jev
Tranzistor PNP
P
P
N
P
N
PN přechod
P
N
Dioda
Anoda
Katoda
Tranzistor NPN
Kolektor
Báze
Emitor
N
P
N
Technologie přípravy
polovodičových
monokrystalů a epitaxních
vrstev
Metody přípravy monokrystalů
Růst monokrystalů v kelímku
¾ jeden z nejstarších způsobů, založených na roztavení vsázky v kelímku a
postupném ochlazování, dokud se nevytvoří krystal
¾ více variant, nejrozšířenější je tzv. BRIDGMANOVA
METODA
- horizontální vs. vertikální pohyb rozhraní
- nebo se může pohybovat kelímek s taveninou
- v peci, kde je vytvořen vhodný teplotní
gradient či naopak
- pokud se kelímek i pec navzájem nepohybují, pak se
snižuje teplota v peci programovou změnou příkonu
- viz.
zonální tavení (je roztavena pouze část vsádky (zóna)
http://cnx.org/content/m32000/latest/
Bridgmanova metoda
Aparatura
- jednoduchost
- tvar krystalu je určen plně tvarem kelímku
- nukleace může probíhat nedefinovaně a při chladnutí působí různá teplotní
kontrakce krystalu a kelímku
- nárůst krystalů, které vznikají heterogenní nukleací na povrchu kelímku,
může být omezen tvarem fázového rozhraní : Konvexní vs. Konkávní
Konvexní rozhraní: růst nežádoucích krystalů směřuje mimo hlavní krystal
Konkávní rozhraní: růst nežádoucích krystalů může znehodnostit celý
monokrystal
Bridgmanova metoda
A
B
kapalina
kapalina
Obr. Tvar růstového rozhraní, a - konvexní, b - konkávní
Konkávní tvar růstového rozhraní
- je-li malá teplotní vodivost kelímku, nebo když růstová rychlost se z nějakého
důvodu zvýší
- tvar růstového rozhraní ovlivňuje i materiál budoucího krystalu, který může mít
silně preferovaný směr růstu, závislý na orientaci
- vždy je výhodné použít kelímek z materiálů s dobrou tepelnou vodivostí případně
navrhnout dodatečný tepelný ohhřev
Pro jednorozměrný případ:
κs
Tepelný tok z
rozhraní do krystalu
dTS
dT
= κ L L + νL
dx
dx
Tepelný tok z
taveniny k rozhraní
Uvolňování
latentního tepla
na rozhraní
Bridgmanova metoda
Teplotní gradient v tavenině je obvykle podstatně menší, než je gradient teploty pece ⇒
ν max =
κ S dTS
L dx
- gradient teploty v tavenině musí být kladný – základní předpoklad růstu
- musí mít určitou minimální hodnotu a to takovou, aby se zabránilo koncentračnímu
přechlazení
Tabulka vhodných materiálů kelímků pro růst monokrystalu
Bridgmanova metoda
Tvary kelímků pro horizontální a vertikální metody růstu
a)
b)
-
kelímek z kovů, keramiky, grafitu či skla
z grafitu či keramiky
matečný krystral je ve firmě úzkého kolíčku (ztuhlé taveniny; na počátku se předpokládá, že při
počáteční nukleaci na povrch kapiláry vystoupí pouze jeden zárodečný krystal
c) šikmou kapilárou lze měnit i růstovou osu
d) jiný způsob řízení a vymezení počáteční nukleace
e) horizontální růst bez matečného krystalu
f) horizontální růst s matečním krystalem
Problémy s matečním krystalem (zárodkem)
¾ pro dobrý růst krystalu je nezbytné roztavit na počátku i část zárodku
¾ horizontální systémy: kontaktní plochu kelímek-vsázka lze zmenšit použitím
rovné základní desky
¾ tvar vsázky pak určuje její povrchové napětí
¾ např. pěstování nízkodislokačních monokrystalů GaAs
¾ nevýhodný tvar, maximální tloušťka krystalu je kolem 6 mm
Bridgmanova metoda
Vertikální Bridgmanova metoda
™ při růstu krystalu se pohybuje vsázkou
(kelímkem) ve vhodném teplotním gradientu
pece
™ krystalizační teplo je odváděno vedením
tepla v krystalu a v kelímku
™ pec má dvouzónové vinutí na keramické
trubce
™ vsázka nejprve roztavena v horní části
pece – horká zóna) a krystalizuje od spodní
části kelímku (nebo zatavené ampule) při
jeho pomalém spouštění
™ nevýhoda – obtížné vytvoření optimálního
teplotního gradientu a zejména jeho udržení
s dostatečnou reprodukovatelností (obě zóny
se navzájem ovlivňují
™ někdy se přidává dodatečné např. vodní
chlazení
Růst monokrystalů z roztavené zóny
- vertikální (A) či horizontální metoda (B)
- výhoda: celý postup může být několikrát opakován
- zmenšuje se kontaminace taveniny kelímkem (roztavená je pouze malá část ⇒
⇒ rovnoměrné rozložení dotujících příměsí
- opět použití matečného krystalu popř. se počáteční monokrystalické nukleace
dosahuje tvarem kelímku
- postupující roztavená zóna se vytváří buď odporovým ohřevem (např. samonosné
vinutí odporového drátu či pásku) nebo pro větší teploty tavení se využívá
vysokofrekvenčního ohřevu vířivými proudy
- výhoda – dokonalé promíchání taveniny
- vertikální uspořádání je zejména výhodné, pokud materiál
krystalu nebo jeho složky jsou v kapalné fázi těkavé
A
B
Modifikace vertikální zónové metody metoda letmého pásma
- používá se při výrobě monokrystalu Si a
Ge menších průměrů
- použití samonosného polykrystalického
ingotu
- ten se natavuje na zárodek ve vertikálním
směru
- roztavená zóna postupuje směrem vzhůru
a není v kontaktu se žádným materiálem
- obvyklé tavení také samonosnou vf cívkou
- vytékání taveniny brání její povrchové
napětí
- v kombinaci s účinkem vf
magnetického pole, tzv. podpírání
indukovanými proudy
- vhodná úprava induktoru – lze táhnout Si
- monokrystaly s průměrem až 100 mm
Tažení monokrystalů z taveniny
- hojně využíváno při výrobě kvalitních velkých krystalů, u kterých nevzniká
mechanické pnutí v důsledku kontaktu taveniny s krystlizačním kelímkem
- nejznámnější: Czochralského metoda
- krystal doslova vytahován z taveniny
- Kyropolousova metoda: krystal roste v tavenině, jejíž teplota se snižuje
- 3. metoda: modifikace dříve popsaných metod zonálního tavení:
- použití polykrystalického ingotu většího průměru, tzv. podstavec- piedestal
- ten má na povrchu roztavenou zónu a z této taveniny je tažen monokrystal
1.metoda
2.metoda
3.metoda
Tažení monokrystalů z taveniny
Požadavky na tažený materiál
™ přiměřená tavící teplota
™ vysoká tepelná vodivost
™ nízký tlak par
™ malá viskozita
™ vhodný růstový habitus
™ nepříliš velká štípatelnost (dostatečná mechanická pevnost)
™ aby mezi teplotou pokojovou a teplotou tavení nevznikaly žádné
další fázové přeměny
Czochralského metoda
™ úspěch tažení touto metodou závisí především na tvaru povrchu taveniny a
tvaru fázového rozhraní
™ zakřivení povrchu taveniny určuje rovnováha hydrostatických sil a povrchového
napětí taveniny
V procesu tažení je výhodnější, aby tavenina nesmáčela kelímek ( v opačném
případě dochází ke kontaminaci)
Czochralského metoda
Aparatura pro tažení krystalu metodou Czochralského
Protahovací
hlavice a rotační
mechanismus
Si ingot
Křemenný tavící
kelímek
Uhlíkový zahřívací
element
Zárodek
Roztavený
polykrystalický Si
Tepelný šít
Vodní izolační
vrstva
Czochralského metoda
Czochralského metoda
Základní části aparatury
™ kelímek
™ pec, ve které je vytvořen potřebný gradient teploty na růstovém rozhraní
™ držák zárodku
™ mechanická tažící část, která musí zabezpečit rovnoměrné tažení danou
rychlostí a otáčení rostoucího krystalu
Kontrola průměru krystalu – optické či jiné čidlo, je možno automaticky řídit celý
proces
Zárodek vyhřátý na určitou teplotu se nejprve spustí do taveniny (natavení),
vlastní tažení až po určité době.
Rozložení koncentrace příměsí (dopantů) řízeno zákonitostmi transportu tepla a hmoty;
okrajové podmínky: růstové rozhraní se prakticky nepohybuje, rostoucí krystal obvykle
rotuje a v některých případech rotuje i kelímek s taveninou, nastává relativně dokonalé
promíchávání
Czochralského metoda
Korekce koncentrace taveniny (koncentrace příměsí) v průběhu tažení ⇒
rovnoměrnější koncentrace příměsí v krystalu
a) Tažení z dvojitého kelímku
™ koncentrace taveniny ve vnější části má menší koncentraci příměsí ⇒ dochází k
určitému vyrovnávání (zřeďování) koncentrace příměsí ve vnitřním kelímku
™ rozměry úzkého otvoru je třeba volit tak, aby bylo možné zanedbat difúzi příměsí
z vnitřního do vnějšího kelímku
b) Modifikace : Tažení z plovoucího kelímku
™ plovoucí kelímek musí mít menší měrnou hmotnost než taveniny
™ musí být vyvážen tak, aby do něho po ustavení hydrostatické rovnováhy
tekla kapilárním otvorem ve dně jen ta část taveniny, z níž krystal narůstá
a)
b)
Způsoby řízení kvality rostoucích
monokrystalů
“Polovodičově čistý”
polykrystalický Si
1. Produkce Si metalurgického (hutního) (MGS)
SiO2 + C ↔ Si + CO2 (2000°C)
-elektrická oblouková pec s grafitovými elektrodami
2. Čistění Si, chemické zpracování na chloridy křemíku (280°- 380°C)
- průtokové vany, reakce rozemletého Si s čistým (bez H2O) HCl
Si + 3HCl ↔ SiHCl3 + H2
Si + 4HCl ↔ SiCl4 + 2H2
3. Trichlorsilan nebo tertachlorid křemíku se čistí extrakčními či adsorpčními
metodami nebo frakční destilací.
- Křemenná kolona: redukce chloridu vodíkem při vysokých teplotách
- 2SiHCl3 (g) + 2H2(g) →2 Si (s) + 6HCl (g)
- Vysoká čistota H2 – paládiové filtry
Příprava monokrystalů křemíku
Současnost :
¾ je třeba Si značné čistoty s definovaným a rovnoměrným obsahem
příměsí určujících elektrickou vodivost
¾ minimální obsah nečistot, bez poruch a dislokací, resp. s definovanou hustotou
dislokací
Přísná kritéria : procesory, fotodetektory pro optoelektoniku
Menší nároky a levnost: výroba slunečních baterií
Si: 28 % v zemské kůře
V současnosti: minimální koncentrace příměsí je 1015 až 1016 m-3
™ rozklad hutního křemíku s čistotou přibližně 3N (1% příměsí)
™ výroba těkavé sloučeniny křemíku ( chlorid křemičitý s 10-4 až 10-5 % příměsí)
™ vyčištění těkavé sloučeniny
™ rozklad sloučeniny na čistý křemík, obvykle ve formě polykrystalu s koncentrací
nečistot 1022 až 1023 m-3
™ zonální čištění (rafinace) obvykle ve vakuu nebo metodou letmého pásma
™ vypěstování legovaného monokrystalu Si Czochralského metodou nebo metodou
zonální tavby
Download

Bridgmanova metoda