Od křemene k integrovanému obvodu Lidé tohoto ??. století, aniž si to uvědomují, žijí stále jako v pohádce. Jsou přesyceni zázraky, a tak zůstávají chladní tváří v tvář těm, které jim každodenně přináší pokrok. Všechno se jim zdá přirozené. Podivné na tom všem je to, že tyto překvapivé transformace spočívají na principech, které byly naprosto známy už našim předkům, kteří je, však možno říci, nedokázali využít ve svůj prospěch! Teplo, pára, elektřina jsou přece tak staré jako člověk! [USEMAP] 32GB, 300 Kč Ano,lidé tohoto 21. století ......... BS00580_ 1985 PC AT • 64 kB RAM • 20 MB HDD • 10 MHz procesor • 70 × průměrný měsíční plat 2013 PC • 4 GB RAM • 1000 GB HDD • 3 GHz procesor • ½ × průměrný měsíční plat Křemík – materiál pro polovodiče http://andyx.blogerka.cz/obrazky/andyx.blogerka.cz/pc/pc.jpg Proč křemík? křemík nahradil germanium v polovině 50 let 20. stol. větší energiová mezera (Ge: 0,66eV, Si: 1,1eV větší odolnost součástky při vyšších teplotách (Ge: 100°C, Si: 150°C) větší měrný odpor (Ge: 47Ώcm, Si: 230 000 Ώcm), vysokonapěťové součástky stabilní oxid (GeO2 rozpustný ve vodě) nižší cena (10% ceny Ge) http://www.nature.com/nature/journal/v479/n7373/images/nature10676-f3.2.jpg http://blog.bcaresearch.com/wp-content/uploads/2013/10/Chart-III-8-Moores-Law-Over-199-Years-And-Go ing-Strong.png Historie • 1940 p-n přechod, Russel Ohl, Bellovy laboratoře • 1947 tranzistor, W. Shockley, J. Bardeen, W. Brattain, Bellovy laboratoře • 1951 monokrystal křemíku • 1954 komerční křemíkový tranzistor • 1954 první tranzistorové rádio • 1958 integrovaný obvod (komerčně 1961) • 1965 Moorův zákon (počet prvků na IC se zdvojnásobí každý rok) • 1966 16 bitová paměť • 1971 mikroprocesor • 1991 16 Mbit DRAM 1_april_19_1965_cartoon_small 1965-1-1 The-Number-of-Components-per-Integrated-Function-Moores-Original-Graph-Moore0 [USEMAP] Gordon Moore Moorův zákon (1965) Vaccuum-1 zdvojnásobení každé dva roky Křemík: • třetí nejrozšířenější prvek na Zemi (14,6%) • druhý v zemské kůře (28%) oxidy a křemičitany Křišťál - krystalický oxid křemičitý křišťál http://www.drakkaria.com/obchod/fotky/549c.jpg ametyst Achát achát http://www.k-r-p-r.estranky.cz/img/picture/3/R%C5%AF%C5%AF%C5%AF%C5%BEenin.jpg růženín Výroba křemíku Nutno vyčistit! bod varu trichlórsilanu 30°C, čištění destilací čistota 10-9 Návrat zpět Křemen (křemenný písek) 14 kWh/kg křemíku Proč vysoká čistota? Koncentrace vlastních nositelů náboje v křemíku (300 K) Koncentrace atomů Si V mědi každý atom „poskytne“ jeden vodivostní elektron. I velmi malé množství příměsí může velmi změnit vlastnosti polovodiče. Pro polovodičové součástky je nutný monokrystal. monokrystal polykrystal https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/6b/NPN_BJT_%28Planar%29_Cross-section.svg/30 0px-NPN_BJT_%28Planar%29_Cross-section.svg.png Proč monokrystal? krystal – anizotropní materiál monokrystal – dobře definované vlastnosti V procesu výroby součástky • rychlejší difúze podél hranic zrn a dislokačních čar • směrová závislost hloubky vniku při iontové implantaci kremik2 Problémy polykrystalu: Příklad : bipolární tranzistor: Jak vyrobit monokrystal velkého rozměru? Spontánně látka většinou tuhne v polykrystalické formě. Proč? Celý krystal musí vyrůst z jediného zárodku! Používané metody Czochralského metoda metoda zonální tavby http://www.caesar.de/typo3temp/67c712ed6e.jpg Czochralského metoda http://www.microwaves101.com/encyclopedia/images/czochralski.gif Jan Czochralski http://www.sumcosi.com/images/products009.jpg Obrázek “http://www.cuantumsolar.com/energiafotovoltaica/tazeni-new.jpg” nelze zobrazit, protože obsahuje chyby. http://www.pvatepla.com.cn/cn/product/images/3.jpg Alternativní metoda výroby monokrystalu Metoda zonální tavby William Gardner Pfann (1952) FZ Povrchové napětí tekutého křemíku (při teplotě tání) voda: Výsledek obrázku pro floating zone Monokrystalický ingot dělen na desky • řezání • broušení hran • lapování • leptání • chemicko mechanické leštění • chemické čištění • mechanické čištění Epitaxní vrstva Proč? • slabě legovaná vrstva na silně legovaném substrátu • lepší zabezpečení požadované koncentrace příměsí • vyšší čistota (C, O) Nevýhoda: vyšší cena desky Struktura “skrz” desku • velké diskrétní součástky, výkonové prvky • solární články Planární struktura • integrované obvody Vytvoření laterální struktury pomocí masky, optická litografie Pokrytí desky fotorezistem „Osvětlení“ přes masku Vyvolání fotorezistu ( pozitivní rezist) Nevýhoda negativního rezistu – bobtnání neodleptávané části (swelling) – zmenšení rozlišení možné struktury Vytvoření laterální struktury bez masky, elektronová litografie Meze rozlišení není dána difrakcí (λ ≈ 10-11 m), ale vadami elektronové optiky a rozptylem elektronů v rezistu Analogie: Optická litografie – Xerox elektronová litografie – laserová tiskárna Technologický proces: • difúze • implantace • oxidace • naprašování, napařování Odstranění rezistu, vznik laterální struktury Procesy na selektivně odleptané masce: Difúze: Difúze příměsí z vnějšího zdroje Bariérou proti difúzi není rezist sám, ale oxid SiO2 oxidace litografie fotorezistu odleptání obnaženého oxidu (HF) difúze do okna odleptání zbylého oxidu Difúzní rovnice v 1D kde D je difúzní koeficient. teplotní závislost D: kde E je aktivační energie k Boltzmanova konstanta Si (1000ºC) Si (800ºC) Si02(1000ºC) Si02(800ºC) B 1,5 · 10-14 4,4 · 10-17 4,6 · 10-18 1,5 · 10-20 P 1,2 · 10-14 2,5 · 10-17 2,1 · 10-17 3,3 · 10-20 As 1,3 · 10-15 1,3 · 10-18 1,6 · 10-17 6,1 · 10-21 [cm2/s] Difúze z par AsH3 arsin PH3 fosfin Difúze z neomezeného zdroje Difúze z tenké vrstvy (silikáty) Difúze z omezeného zdroje Iontová implantace přímé vstřelení příměsí do substrátu bez difúze Energie iontů 3 – 500 keV hloubka vniku 0,01 – 1 μm Kanálování Rekonstrukce poškozené mřížky následným žíháním Oxidace Povrch křemíku na vzduchu samovolně oxiduje – nativní oxid Oxidace se urychlí zvýšením teploty – termický oxid Plazmochemická depozice Růst vrstev • výboj v plynu (plazma) • nízká teplota substrátu (100 - 400°C) Depozice oxidu: Depozice nitridu: Naprašování Rozprašování terče ionty Depozice iontů na substrát Elektronické prvky: dioda: bipolární tranzistor pnp: tranzistor nMOS: polovodičový odpor: tenkovrstvý odpor: ladění odporu – laserové trimování polovodičový kondenzátor: tenkovrstvý kondenzátor: Strukturní defekty škodí i prospívají Jak mohou škodit? • při provozu: rekombinační centra • při výrobě: dislokace Jak mohou prospívat? Getrace velmi škodí rychle difundující kovy – Cu, Ni zachytávají se na strukturních defektech - dekorace • vytvoříme defekty mimo aktivní strukturu • ty vyčistí prostor aktivní struktury Vnější getrace • poškrábání zadní strany • vrstva Poly Si Vnitřní getrace kyslíkové precipitáty a související defekty žíhací sekvence: nežíhaná deska 1200ºC vydifundování 750ºC nukleace 1050ºC růst precipitátů