Processo Czochralski
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Il processo Czochralski è una tecnologia introdotta nei sistemi produttivi industriali agli inizi degli anni ‘50, che permette di ottenere blocchi di silicio di estrema purezza con la forma di pani cilindrici. Il processo prende il nome dal ricercatore polacco Jan Czochralski, che lo scoprì nel 1916 mentre stava studiando la cristallizzazione dei metalli.
Il silicio è il materiale di base per la realizzazione dei semiconduttori, (transistor, circuiti integrati, microprocessori) ed altri dispositivi microelettronici.
Per la creazione di un circuito integrato "planare" (cioè con i componenti disposti su un piano) è infatti necessario avere un substrato di semiconduttore estremamente puro, detto wafer, altrimenti si compromette il funzionamento del circuito finale. Il wafer deve essere formato da silicio puro e questi atomi devono essere disposti "ordinatamente" in un reticolo cristallino (monocristallino); in natura infatti il silicio si può trovare (come normalmente accade) anche in forma amorfa, con gli atomi che non risultano disposti secondo un determinato reticolo. Il silicio è un atomo tetravalente, in quanto appartenente al quarto gruppo della tavola periodica; la disposizione degli elettroni di legame fa si che una struttura cristallina di silicio sia formata da un insieme di piramidi a base triangolare, ognuna delle quali data da un atomo che possiamo considerare trovarsi nel centro della piramide e dai quattro elettroni di legame che si vengono sostanzaialmente a trovare sui vertici della struttura.
Il processo consiste nel sollevamento verticale (a bassissima velocità) di un seme monocristallino di silicio, immerso inizialmente per pochi millimetri in un crogiolo contenete silicio puro fuso. Il seme monocristallino è, in pratica, una bacchetta con sopra un sottile strato di silicio in forma monocristallina.
Gli atomi di silicio fuso, a contatto con il seme monocristallino, si orientano secondo il reticolo atomico della struttura del silicio; si tratta di un processo simile alla formazione di un cristallo di quarzo, ma con la differenza che in natura un cristallo di quarzo si forma in milioni di anni, mentre con questo processo di laboratorio un "pane" di silicio monocristallino si ottiene in pochi giorni.
La temperatura del silicio nel crogiuolo è mantenuta di pochi gradi superiore a quella di fusione, e aderendo al seme monocristallino, che gradualmente viene estratto dalla massa fusa, si solidifica molto rapidamente conservando la struttura monocristallina del seme a cui aderisce. Il controllo rigoroso della temperatura del materiale fuso, dell'atmosfera nella camera, e della velocità di estrazione, nonché assenza assoluta di vibrazioni, consente la produzione di fusi perfettamente cilindrici e altamente puri, hanno praticamente l'aspetto di una sorta di "mortadella di vetro" (in effetti, il silicio puro monocristallino ha l'aspetto e la fragilità del vetro). Per fare un'analogia, il processo di formazione del cilindro è vagamente simile a quello per la creazione di zucchero filato.
L'operazione successiva consiste nel tagliare il fuso tramite un disco diamantato, ottenendo i sottili dischi con spessore di pochi decimi di millimetro chiamati wafer; i Wafer costituiranno quindi il supporto (substrato) per i diversi dispositivi elettronici. Dato che la quantità di dispositivi ricavabili da una singola fetta è proporzionale al suo diametro, col tempo si è cercato di realizzare fusi con diametro sempre maggiore; attualmente si realizzano fusi con un diametro di circa 30 centimetri; considerando che l'area di silicio necessaria ad un microprocessore è di circa un centimetro quadro, da un wafer di 20 centimetri di diametro se ne ricavano poco meno di 300 (un diametro di 20 cm produce un'area utilizzabile di circa 300 cm quadri), mentre da un wafer con diametro di 30 centimetri se ne possono ricavare fino a 700 (area di circa 700 cm quadri).
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