referat materiale electrotehnice

Upload: lopataru-cristian

Post on 13-Jul-2015

860 views

Category:

Documents


2 download

TRANSCRIPT

F ACULTATEA DE INGINERIE Hermann Oberth Sibiu

Referat materiale electrotehnice Siliciul

Profesor indrumator Conf. dr. Ing. Popescu Lizeta

Student Loptaru Cristian An I EM-FR

SILICIULSTARE NATURAL Dup oxigen, siliciul este cel mai rspndit element din scoara terestr. Siliciul se gsete n natur numai combinat cu oxigenul, n bioxidul de siliciu i n silicai. OBINERE Bioxidul de siliciu, SiO, se reduce relativ uor, prin nclzire, la temperatur ridicat, cu diferii ageni reductori. Pe aceast cale se obine ns un siliciu impur, din cauza tendinei acestui element de a se combina cu agentul reductor sau cu impuriti ntmpltoare aflate n materialele utilizate.a)

Bioxidul de siliciu se poate reduce cu pulberea de magneziu

metalic. Reacia este puternic exoterm: SiO2 + 2Mg Si + 2MgO. Dup rcire se dizolv oxidul de magneziu n HCl. Rmne insolubil o form de siliciu amorf, brun, impurificat cu siliciura de magneziu, MgSi. Dac se lucreaz cu un exces de magneziu se obine acest compus.b)

Bioxidul de siliciu poate fi redus n mod similar cu o pulbere de

aluminiu. Siliciul format se dizolv n excesul de aluminiu topit, din care cristalizeaz la rcire. La dizolvarea excesului de aluminiu n HCl, se obin cristale de Si de culoare nchis, impurificat ca aluminiu.c)

Procesul industrial pentru obinerea siliciului brut, prin

reducerea bioxidului de siliciu cu crbune, folosete un cuptor electric cu electrozi de grafit asemntor celui utilizat la fabricarea carburii de calciu. Se obine astfel siliciul impurificat cu carbura de calciu, sub form de buci mari, compacte, cu structur cristalin vizibil.

ntr-o variant a acestui procedeu se adaug fier obinndu-se un aliaj, ferosiliciul, cu 40- 90% Si. Ferosiliciul folosete la obinerea de fonte silicioase cu 12-17 % Si, din care se toarn aparate rezistente la acizi, folosite n industria chimic. Siliciul pur - Se transform n siliciul brut sau feosiliciul, n modul artat, n tetraclorura de siliciu, SiCl, sau n triclorsilan, HSiCl. Aceste substane fiind lichide cu puncte de fierbere sczute, se purific prin distilarea fracional, apoi se reduc cu hidrogenul la trecerea prin tuburi nclzite sau peste un filament metalic incandescent : 800C SiCl +2H Si+ 4HCl Siliciul super - pur aa cum este cerut n industria semiconductoarelor se obine din siliciul pur prin metoda topirii zonale. Prin acest procedeu impuritile se adun ntr-o extremitate a vergelei de siliciu supus tratamentului, margine care se ndeprteaz. Proprieti fizice i chimice : 1) Siliciul cristalizeaz n sistemul cubic. Cristalele de siliciu sunt lucioase, cenuii ca fierul, mai dure dect acest metal (duritate 7 pe scara Mohs ) dar casante. Siliciul este semiconductor; conductibilitate electric foarte mic la siliciul pur, crete cu temperatura i cu coninutul n impuriti. 2) Reeaua cristalului de siliciu este de acelai tip cu a diamantului. Fiecare atom de siliciu este nconjurat tetraedic de ali 4 atomi la distan intraatomic Si-Si de 2.34 A.

3)

Siliciul nu formeaz soluii fizice cu nici un solvent, La temperaturi joase siliciul este puin reactiv aa cum se

asemnndu-se cu diamantul.4)

prevede pe baza structurii sale. Siliciul amorf este mai reactiv dect cel cristalizat fiind mai fin divizat. Dintre elementele electronegative, siliciul se combin, la temperatura camerei numai cu florul cu care d tetrafluorura de siliciu, SiF. Cu florul i cu bromul, siliciul reacioneaz la 500 grade formnd tetrahalogenurile respective. Si + O SiO Reacia este foarte exoterm. Siliciul cristalizat se combin cu sulful la 600 de grade, cu incandescen, dnd sulfura de siliciu. Cu azotul combinarea are loc la 1000 de grade i duce la o nitrur, Si N. Cu carbonul se combin la 2000 de grade dnd carbura de siliciu, SiC. Tot la temperatur nalt se combin i cu borul, dnd SiB. 5) 6) Siliciul se combin cu multe metale cum sunt Li ,Be, Mg, Ca Siliciul nu reacioneaz la rece cu apa i nici cu acizii tari. Cu ,Sr, Ba, Cr, Mo, W, Fe ,Co ,Ni ,Pt ,Cu cnd este nclzit cu ele la alb-rou. apa are loc la 800 de grade o reacie analog cu aceea a carbonului. Si +H2O SiO+ 2H 7) Atomul de siliciu spre deosebire de atomul de C poate ns folosi orbitali d. Orbitalii 3d sunt la nivel energetic destul de apropiai de orbitalii 3s i 3p pentru a putea da natere unei hidrizri spd, o asemenea structur se ntlnete n ionul, SiF n care cele ase legturi de Si-F sunt echivalente i grupate octaedic n jurul atomului central de Si.

n combinaiile sale cu ceilali halogeni i cu oxigenul, siliciul are numrul de coordonare 4, dar sunt indicaii c la formarea legturilor Si-O contribuie i orbitalii 3d. INTREBUINRI Siliciul se utilizeaz n :

industria tranzistorilor datorit proprietilor de semiconductor.

sub form de aliaje (ferosiliciul) cu proprieti anticorozive. sub form de cuar (SiO) pentru confecionarea lentilelor i prismelor aparatelor optice.

sub form de silicai (talc, mica, feldspai) n industria materialelor de

construcii: ciment, ceramic, porelan i sticl. ELABORAREA SILICIULUI I REALIZAREA PLACHETELOR SEMICONDUCTOARE Dintre materialele semiconductoare, siliciul este cel care s-a impus pentru realizarea de dispozitive semiconductoare i de circuite integrate monolotice. Motivul principal este acela c prin oxidare termic siliciul se acoper cu un strat de oxid de siliciu amorf, care constituie o barier n ptrunderea impuritilor n materialul de baz, bioxidul de siliciu fiind n acelai timp i un bun material dielectric. Siliciul i oxidul su stau la baza tehnologiei planare, care a fcut posibil realizarea cu productivitate ridicat a dispozitivelor semiconductoare i a circuitelor integrate pe scar mare. Siliciul se gsete n cantitate mare la suprafaa globului terestru (aprox. 28%). Sursele naturale de Si sunt n principal silicaii (nisip, etc), dar

i zirconiul, jadul, mica, cuarul. Siliciul exist natural sub form de oxizi (starea oxidat). Pentru elaborare este necesar o metod de reducere a sa, iar apoi trebuie s fie purificat pn la stadiul de siliciu "de calitate electronic" sau EGS (Electronic Grade Silicon). ELABORAREA SILICIULUI Prima etap a tehnologiei siliciului corespunde elaborrii siliciului de calitate "metalurgic" sau MGS (Metallurgic Grade Silicon). Dup aceast etap n urma purificrilor repetate se obine materialul de puritate "electronic". Temperatura de topire a siliciului este ridicat, situndu-se la valoarea de 1415C. Dificultatea n obinerea siliciului const n aceea c oxidul de siliciu (SiO2) nu poate fi redus direct prin folosirea hidrogenului, fiind necesar o tehnic adaptat de reducere (cu carbon, la temperatur ridicat). Obinerea siliciului metalurgic Obinerea siliciului metalurgic se efectueaz prin electroliza silicei topite (SiO2) ntr-un cuptor cu arc electric. Se folosete cuptorul cu arc electric pentru a se putea atinge temperatura de topire a SiO2 care se gsete n amestec cu carbon (crbune). Siliciul care se obine n urma electrolizei are puritatea de 98 %. Puritatea trebuie mrit n continuare, cu multe ordine de mrime, pn la obinerea unui material utilizabil n microelectronic.

Obinerea siliciului de calitate electronic Teoria dispozitivelor semiconductoare este construit n ipoteza unui cristal perfect sau cvasi-perfect. Calitatea electronic (EGS) a siliciului este greu de obinut fiind necesar aplicarea succesiv a unui numr mare de etape de purificare. Succesiunea principalelor etape de purificare a siliciuluia)

purificarea chimic o metod folosit const n dizolvarea siliciului

ntr-un produs lichid la temperatura ambiant i apoi distilarea acestui lichid. n mod frecvent se folosesc halogenurile de siliciu ca produs intermediar lichid.

b)

purificarea fizic - se bazeaz pe redistribuirea impuritilor existente metoda solidificrii directe - prin care materialul aflat iniial n stare

n material la trecerea acestuia din faza lichid n faza solid.

lichid se solidific treptat prin deplasarea unei singure interfee solid-lichid;

metoda topirii zonale simple - const n topirea unei zone a lingoului

de material semiconductor i deplasarea lent a acestei zone de-a lungul lingoului.

metoda topirii zonale multiple - const n topirea mai multor zone,

distanate ntre ele i separate prin faza solid.

Schema topirii zonale a) Principiul nclzirii prin inducie b) Variaia temperaturii

c)

Obinerea lingoului - Evoluia dimensiunilor lingourilor a fost legat

de evoluia gradului de control asupra parametrilor de proces i echipamentelor asociate, avnd ca scop creterea randamentului de fabricaie i reducerea costurilor de producie pe circuit integrat realizat. Astfel, n mai puin de 30 de ani, diametrul plachetelor a crescut de 10 ori, respectiv de la 25 mm n 1964 la 300 mm n 1998.

d)

Tragerea i creterea cristalului reprezint o tehnic folosit pentru

realizarea lingourilor de mari dimensiuni care pornete de la un lingou de siliciu policristalin obinut n reactorul de reducere. Creterea cristalului se obine pornind de la un germene fixat la extremitatea lingoului, prin deplasarea unei zone topite. Cristalizarea lingoului i purificarea prin metoda topirii zonale.

Aceasta zon este nclzit prin inducie pn la limita de topire a siliciului. Procesul de nclzire se obine prin intermediul unei bobine parcurse de curent de nalt frecven, care induce n lingou cureni turbionari (Foucault), la fel ca i n cazul purificrii lingoului. Diametrul lingoului este determinat de parametrii fizici n timpul tragerii. O alt variant pentru tragerea de lingouri este aceea n care lingoul se obine ntr-o form paralelipipedic, iar cristalizarea se efectueaz progresiv, pornind de la una din extremiti. Aceast metoda este numit metoda "Bridgman. Aceast tehnic este folosit, n special, pentru lingouri din compui III - V, cum ar fi GaAs.

e)

Tierea capetelor lingoului - Operaia const n eliminarea

extremitilor lingoului, care sunt fie imperfect cristalizate, fie bogate n impuriti (n special dac s-a folosit tehnica topirii zonale).

f)

Controlul rezistivitii la extremitile lingoului - Concentraia de

impuriti nu este constant n timpui tragerii, rezistivitatea final variaz dea lungul lingoului. Se impune o verificare a acestui parametru n raport cu specificaiile tehnologice (gama de variaie). Msurarea rezistivitii se face cu metoda "celor patru sonde". Determinarea reperelor cristalografice i marcarea lingoului -

g)

cunoaterea orientrilor cristalografice este necesar, pentru a putea decupa materialul de-a lungul axelor cristalografice, la sfritul procesului de fabricaie. Dup reperarea planurilor cristalografice la lingoul de siliciu se creeaz o teitur care va servi ca referin .

h)

polizajul cilindric - n cursul tragerii diametrul lingoului variaz uor,

suprafaa fiind ondulat. Pentru a obine plachete de acelai diametru este necesar o polizare cilindric. i) polizarea unei teituri de referin - acest reper va folosi ca referin n cursul procedeului de fabricaie (orientarea zonelor de conducie n raport cu axele cristalului, reperarea desenelor gravate n cursul fotolitografiei, decuparea cipurilor dup axele cristalografice)

Se vor realiza suplimentar i alte repere, n funcie de tipul de

dopaj al substratului i de orientarea sa cristalografic. La plachetele cu diametru mai mare de 3 inch/oli (1 inch =25,4 mm) se folosete un reper cristalografie n form de cresttur. Se pot distinge uor tipurile de dopaj n i p precum i orientrile cristalografice. Pe lingou se marcheaz datele de identificare ale lingoului cu

ajutorul unui fascicul laser: numrul lotului n care s-a realizat, data fabricaiei. Realizarea plachetelor semiconductoare Din lingoul de siliciu cristalin se obin plachetele (wafers) pe care prin tehnologii specifice urmeaz a se realiza dispozitivele electronice i circuitele integrate. Succesiunea principalelor operaii de obinere a plachetelor a) debitarea plachetelor - dup obinerea lingoului de siliciu monocristalin acesta va fi decupat n discuri subiri ce vor reprezenta plachetele (wafers). O modalitate de debitare a plachetelor este aceea care se face cu ajutorul unui ferstru diamantat. Dac se ia n considerare eliminarea capetelor de lingou i polizarea, rezult c din lingou se elimin n total 50% la 60%

b) tratament termic - operaia de debitare a plachetelor creeaz tensiuni mecanice n cristal. Eliminarea acestor tensiuni i relaxarea cristalului se obine printr-o cretere lent a temperaturii plachetelor pn la 600...700C. Prin acest tratament termic de recoacere, atomii obin suficient

energie proprie pentru a se reaeza n isturile cristaline. Se obine n acelai timp diminuarea efectului atomilor de oxigen (de tip donor) i se stabilizeaz rezistivitatea. c) polizarea marginilor (debavurarea) - dup tiere, pe marginile plachetelor rmn bavuri ce trebuie eliminate. Se realizeaz n acelai timp i o rotunjire a muchiilor, pentru a uura manipularea plachetelor n cursul procesului de fabricaie. Prin aceasta se evit degradarea dispozitivelor de prindere i se suprim amorsele de fisuri. d) selecia plachetelor n funcie de grosime - dup debitare, grosimile plachetelor pot fi sensibil diferite. Pentru reducerea timpului de polizare plachetele se triaz n game de grosimi. e) acoperirea plachetelor cu o suspensie de alumin i polizarea pentru a ameliora starea suprafeelor, plachetele sunt polizate cu ajutorul unei soluii ce conine n suspensie granule de alumin de dimensiuni micronice. f) curirea - aceast etap are rolul de a elimina produsele abrazive i substanele contaminante, prin splare cu solveni i ap deionizat. g) atacul chimic al plachetelor - n cursul etapelor parcurse de plachete, acestea formeaz la suprafa un strat de oxid care conine impuriti. Aceste impuriti sunt fie particule metalice i pot fi eliminate cu soluii acide, fie substane organice ce pot fi eliminate folosind soluii bazice. Se obine n acest fel o suprafa neutr din punct de vedere chimic, naintea polizrii "oglind".

h) deteriorarea feei inferioare - partea util a plachetei (n care se vor crea componentele electronice) se gsete foarte aproape de suprafaa superioar. Se urmrete realizarea unei caliti maxime a materialului n aceast zon, att sub aspectul gradului de puritate (atomi strini), ct i ai defectelor cristalografice (macle, dislocri, etc). n acest scop se creeaz intenionat defecte pe faa inferioar, prin sablaj sau bombardament laser .

Aplicnd ulterior un tratament termic, impuritile de pe faa activ a plachetei vor migra prin substrat spre faa inferioar i vor fi captate de defectele create n aceast parte, acestea oferind stri energetice favorabile fixrii atomilor. Acest fenomen este numit efectul "getter". i) selecia n funcie de grosime - prin operaia precedent se modific grosimile plachetelor. Se face o nou selecie n game de grosime. j) prelucrarea final a suprafeei - aceast prelucrare tip "oglind" poate fi efectuat mecanic sau mecano-chimic. Se urmrete eliminarea zgrieturilor i a micilor denivelri ale suprafeei rmase de la operaiile anterioare. Operaia se efectueaz cu discuri abrazive folosind o soluie abraziv cu granule foarte fine.

k) testarea rezistivitii plachetelor, selecia final n funcie de rezistivitate - formarea loturilor ce urmeaz s se livreze beneficiarilor dup o selecie n funcie de rezistivitate. Determinarea rezistivitii se realizeaz cu ajutorul a patru electrozi punctiformi care se aeaz pe suprafaa plachetei.

Prin doi dintre aceti electrozi se injecteaz un curent I n circuit, iar ntre ceilali doi electrozi se msoar tensiunea UBC care ia natere. n funcie de configuraia electrozilor, se poate determina prin calcul rezistivitatea plachetei. Atunci cnd electrozii sunt coliniari i echidistani rezistivitatea se calculeaz cu relaia:

l) reperarea/marcarea - se marcheaz pe lingou cu ajutorul unui fascicul laser: numrul lotului n care s-a realizat, data fabricaiei. Prin aceste reperare este posibil urmrirea plachetei de-a lungul ntregii linii de fabricaie.

m) curarea final n "camera alb- pentru a demara ansamblul etapelor ce formeaz procedeul de fabricaie a circuitelor integrate, plachetele trebuie s fie perfect curate (fr grsime, fr particule de praf, etc). Curarea final se realizeaz n incint cu condiii de mediu perfect controlate ("camera alb"). n) inspecia vizual - inspecia final se impune pentru a detecta variaiile de culoare, zgrieturile, particulele de praf. Omul este la ora actual cel mai bun inspector. El poate detecta vizual i n scurt timp variaiile de culoare, zgrieturile, particulele de praf cu dimensiuni mai mici de un micron. Un sistem automat de control cu baleiaj optic al ntregii suprafee a plachetei ar necesita deocamdat un timp de analiz mult mai mare dect cel necesar unui operator uman antrenat. o) testul de planeitate - planeitatea plachetelor este foarte important pentru operaiile litografice la care acestea urmeaz s se supun. Exist n prezent dispozitive bazate pe msurri optice (devierea unui fascicul laser), pentru testarea planeitii. Plachetele semiconductoare sunt n continuare supuse la o serie de operaii dintre care se pot sintetiza: impurificarea controlat i selectiv n mai multe etape, depuneri de straturi, realizarea conexiunilor la pini, ncapsularea, testarea.

BIBLIOGRAFIE

1.

Amza Gh., .a.,"Tehnologia materialelor", Editura Tehnic, C. Ori, M. Derevlean, Materiale Electronice, Editura VIE, Ctuneanu V.,.a., Tehnologie electronic", Editura Didactic Hubc Gh.,.a., "Materiale compozite", Editura Tehnic, Popescu N., .a., "tiina materialelor pentru ingineria

Bucureti, 1999.2.

Iai 2001.3.

i Pedagogic, Bucureti, 1995.4.

Bucureti, 1999.5.

mecanic. Materiale comerciale metalice, nemetalice i compozite"., Editura Fair Partners, Bucureti, 2000.6.

Pumnea C., .a. "Tehnologie industrial", volumul 1 i 2, www.referat.ro facultate.regielive.ro www.e-referat.ro www.referatele.com referate.educativ.ro

Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1992.7.

8.9. 10.

11.