Processo Czochralski

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pane di silicio puro prodotto con il processo Czochralski

Il processo Czochralski[1] è una tecnica introdotta nei sistemi produttivi industriali agli inizi degli anni cinquanta, che permette di ottenere la crescita di monocristalli di estrema purezza. In ambito industriale tale processo è impiegato principalmente nella crescita di blocchi di silicio, che si ottengono con la forma di pani cilindrici. Il processo prende il nome dal ricercatore polacco Jan Czochralski, che lo sviluppò nel 1916 mentre stava studiando la cristallizzazione dei metalli.

Il silicio monocristallino è il materiale di base per la realizzazione di transistor, circuiti integrati, microprocessori ed altri dispositivi microelettronici integrati.

Per la creazione di un circuito integrato, che può essere composto da milioni di elementi microscopici, è infatti necessario avere un substrato estremamente omogeneo e privo di discontinuità o difetti, che pregiudicherebbero la qualità o l'affidabilità dei componenti. Tali substrati sono detti wafer. Il più utilizzato nell'industria dei semiconduttori è il silicio monocristallino cresciuto con la tecnica Czochralski.

Il wafer deve essere formato da silicio con un elevato grado di purezza e con gli atomi disposti "ordinatamente" in un reticolo cristallino (monocristallino). Il silicio prodotto con le tecniche ordinarie (silicio metallurgico) ha invece una struttura policristallina (oltre ad avere una purezza insufficiente per l'uso in elettronica). Il silicio è un atomo tetravalente, in quanto appartenente al quarto gruppo della tavola periodica; la disposizione degli elettroni di legame fa sì 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 sostanzialmente a trovare sui vertici della struttura.

Il processo consiste nel sollevamento verticale (tramite un apparato chiamato puller o estrattore) e contemporaneamente nella rotazione antioraria, di un seme monocristallino di silicio, appropriatamente orientato (per esempio con il piano <111> disposto orizzontalmente) e introdotto nel silicio fuso mediante un'asta metallica, mentre il crogiolo gira in senso opposto. La parte del seme 'immersa' fonde, ma la parte restante lambisce la superficie del fuso. Durante il sollevamento/rotazione, avviene una progressiva solidificazione all'interfaccia fra solido e liquido, generando un monocristallo di grandi dimensioni. Le velocità di crescita tipiche si aggirano intorno ad alcuni millimetri al minuto.

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 crogiolo è mantenuta di pochi gradi superiore a quella di fusione, e aderendo al seme monocristallino, 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.
Un'ulteriore lavorazione, detta crescita con metodo float zone (FZ) permettere di ottenere barre di silicio ultrapuro: Una puleggia fonde sezione per sezione il lingotto di silicio in ambiente inerte (sotto vuoto o sotto gas inerte) e muove il metallo fuso, il quale espelle le eventuali impurità.

L'operazione successiva consiste nel tagliare il fuso tramite dischi o fili diamantati, 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 alla sua area, col tempo si è cercato di realizzare fusi con diametro sempre maggiore; attualmente si realizzano fusi con un diametro di circa 30 cm; considerando che l'area di silicio necessaria ad un microprocessore è di circa un centimetro quadro, da un wafer di 20 cm di diametro se ne ricavano poco meno di 300 (un diametro di 20 cm produce un'area utilizzabile di circa 300 cm2), mentre da un wafer con diametro di 30 cm se ne possono ricavare fino a 700.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ Pronuncia: "ciocralschi". Vedi: Prof. Mara Bruzzi - Fisica dello Stato Solido - Appendice n. 3 (PDF), Università di Firenze - Dipartimento di Energetica "Sergio Stecco", 2008, pp. 7 di 14. URL consultato il 2 agosto 2009.

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