Produzione del Silici Produzione del Silicio per uso ... · delle fette (dette “wafers”). ... simile alla tecnica di realizzazione dei circuiti stampati su vetronite. Durante

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SiO2 + C Si + CO2

(in forno elettrico a 1500 °C)

si ottiene Silicio impuro

(purezza massima < 98%)

Produzione del Silicio per uso elettronicoProduzione del Silicio per uso elettronico

1 - Ottenimento del Silicio grezzo dalla quarzite (silice)

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occorre raggiungere una purezza moltoelevata, al fine di consentire l’ottenimento diSilicio ad elevata resistività, utile per garantireun elevato isolamento elettrico ed un accuratocontrollo dei livelli di drogaggio, che debbonopartire anche da solo 1013 atomi al cm3.

SiHCl3 + H2 Si + 3HClsi ottiene Silicio purissimo

2 - Raffinazione per via chimica e fisica (termica)

per separare ulteriormente le impurezze

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3 - Ottenimento del Silicio monocristallino


Nei componenti elettronici occorredisporre di valori di conducibilità e di“tempo di vita medio” dei portatoriil più elevati possibileal fine di ottimizzareil comportamento dei dispositivi.

Per tale motivoi materiali semiconduttoridebbono essere MONOCRISTALLINI

nella foto la barra di Silicio vienefusa in una “zona sospesa” per

ottenerne la cristallizzazione

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4 - Taglio delle barre in fette (wafers)

Dopo il controllo della resistivitàdei monocristalli si procedeal taglio delle barre in fette,(dette “wafers”) su cui verrannorealizzati i componenti

Il taglio viene fatto conlame diamantate, che possonoessere a corona circolarecon bordo tagliente interno

Si ottengono fette con unospessore dai 200 ai 500 micron,ovvero da 0,2 a 0,5 millimetri

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5 - Lappatura, lucidatura e attacco acido

L’operazione di taglio produceun’elevata irregolarità superficiale,che creerebbe problemi in fase difotolitografia

Per tale motivo si sottopone la fettaad un’operazione di “lappatura”con opportuni abrasivi, seguita dauna “lucidatura” in grado di ridurrela rugosità superficiale a pochidecimi di micron

Il passaggio finale è costituito daun attacco acido, che porta lospessore a 50-150 micron

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L’obiettivo delle operazioni ditaglio, lucidatura, lappatura eattacco acido è quello di otteneredelle fette (dette “wafers”).

Le fette di Silicio verranno poiutilizzate come supporti per larealizzazione dei componenti asemiconduttore (diodi, transistor,sensori e circuiti integrati).

Ogni componente occupa un’areaquadrata (chip), che verrà poiseparata per taglio o incisione.

Perché il Silicio in fette ?

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6 - Procedimento “fotolitografico”

Una volta depositata sulla fettauna “lacca fotosensibile”(Resist) si procede in manierasimile alla tecnica direalizzazione dei circuitistampati su vetronite.

Durante la realizzazione deicomponenti, il Silicio vienemodificato chimicamente inmodo da variarne lecaratteristiche elettriche aseconda del tipo dicomponente richiesto.

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7 - Fase di test visuale, elettrico e funzionale


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8 - Taglio e separazione dei chip

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9 - Saldatura e bonding dei fili di connessione esterna

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10 - Incapsulamento: wafer chip package

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10 - Inserimento dei componenti nel prodotto finito


1904tubo a vuoto

1947transistor

1968circuito integrato

1971microprocessore

1971microprocessore

1980integrati VLSI

oggi:1 miliardo di transistor

oggi:1 miliardo di transistor

1910 - 1930:le valvole termoioniche

1950 - 1970:i transistor

1980 - 2000:circuiti integrati emicroprocessori

1947:transistor bipolare

2000:microprocessore

34 milioni ditransistor

l’evoluzione deitransistor discreti

e dei circuiti integrati…

… dai semplici Op Amp

ai complessi microprocessori

non sarebbe stato possibileraggiungere le complessità attuali

senza lo sviluppo di appropriati CAD

non sarebbe stato possibile raggiungerela sofisticazione attuale senza lo sviluppodi adeguate tecnologie e apparecchiature

non sarebbe stato possibile raggiungerela sofisticazione attuale senza lo sviluppodi adeguate tecnologie e apparecchiature

DISCRETI

COMPONENTI ELETTRONICI

ATTIVI PASSIVI

CIRCUITI INTEGRATI

IBRIDI

a film sottile

MONOLITICI

a film spesso

Le tecnologie utilizzate per la realizzazione dei circuitiintegrati monolitici sono analoghe a quelle già impiegate

per i componenti discreti a semiconduttore(crescita epitassiale, diffusione, attacco acido, metallizzazione, ecc.)

circuiti integrati monolitici

- operazionali- comparatori- timer- filtri- amplificatori audio- controllo motori- regolatori di tensione- sensori integrati

- microprocessori- memorie- LAN controller- circuiti telecom- microcontroller- processori grafici- logiche standard- data converter

circuiti lineari circuiti digitali

tecnologie utilizzatetecnologie utilizzate- Bipolare - Pmos - Nmos - Cmos - BiCmos

- Bipolare - Pmos - Nmos - Cmos - BiCmos

1904tubo a vuoto

1947transistor

1968circuito integrato

1971microprocessore1971microprocessore

1980integrati VLSI1980integrati VLSI

oggiintegrati ULSIoggiintegrati ULSI

l’evoluzione dell’elettronical’evoluzione dell’elettronica

diodidiodi

transistortransistor

tecnologie costruttivetecnologie costruttive

grafici,tabelle,schemiapplicativi

grafici,tabelle,schemiapplicativi

semiconduttorisemiconduttori

Che cosa sono i semiconduttori?

sono materiali di tipo semi-isolantenei quali la struttura atomica e i legami chimicili rendono particolari dal punto di vistatermico, magnetico, ottico, meccanico, ecc.

Silicio

quarzoSiO2

Semiconduttori:

questi materiali sono perfetti isolanti solo a basse temperature,solo ad elevata purezza, se monocristallini, al buioe in assenza di radiazione

questi materiali sono perfetti isolanti solo a basse temperature,solo ad elevata purezza, se monocristallini, al buioe in assenza di radiazione

Silicio (Si)Germanio (Ge)Arseniuro di Gallio (GaAs)e altri (GaAlAs, GaP, GaSb, InP, InSb, SiC, GaN, ecc.)

nelle altre condizioni divengono in parte conduttori,soprattutto ad alta temperatura e se contengono elementi estraneinelle altre condizioni divengono in parte conduttori,soprattutto ad alta temperatura e se contengono elementi estranei

ISOLANTI CONDUTTORI SEMICONDUTTORI

Si14 = 1s2 + 2s2 + 2p6 + 3s2 + 3p2 3p6

Ne10 = Neon elettroni di valenza

struttura elettronica del Silicio

rappresentazione nel diagramma dell’energiaen

ergi

a di

lega

me

ener

gia

pote

nzia

leen

ergi

a po

tenz

iale

BANDA DI VALENZA (piena)

BANDA DI CONDUZIONE (vuota)

allo zero assoluto (e in assenza di altre forme di energia), tutti gli elettroni piùesterni sono impegnati nel legame covalente, e la banda di conduzione è vuotaallo zero assoluto (e in assenza di altre forme di energia), tutti gli elettroni piùesterni sono impegnati nel legame covalente, e la banda di conduzione è vuota

il semiconduttore è un isolanteil semiconduttore è un isolante

Energy gap

elettrone

lacuna

energiatermica

a temperatura ambiente (o in presenza di altre forme di energia), vengonorotti alcuni legami covalenti, e alcuni elettroni passano in banda di conduzionea temperatura ambiente (o in presenza di altre forme di energia), vengonorotti alcuni legami covalenti, e alcuni elettroni passano in banda di conduzione

il semiconduttore non è più un isolanteil semiconduttore il semiconduttore non è più un isolantenon è più un isolante

a temperatura ambiente il semiconduttore è in parte conduttorea temperatura ambiente il semiconduttore è in parte conduttorea temperatura ambiente il semiconduttore è in parte conduttore

ni = A ·T3/2 ·e -Eg/2KT

il numero ni di legami covalenti rotti dall’agitazione termica è dato da:

essa indica all’incirca il raddoppio ogni 10°C

questa formula fornisce quindi il numero delle coppie elettrone-lacuna liberepresenti nel semiconduttore, che possono quindi dar luogo alla conduzionequesta formula fornisce quindi il numero delle coppie elettrone-lacuna liberequesta formula fornisce quindi il numero delle coppie elettrone-lacuna liberepresenti nel semiconduttore, che possono quindi dar luogo alla conduzionepresenti nel semiconduttore, che possono quindi dar luogo alla conduzione

ni = concentrazione difettiA = costante del semic.T = temperatura assolutaEg = energy gapK = costante di Boltzman

ni = concentrazione difettiA = costante del semic.T = temperatura assolutaEg = energy gapK = costante di Boltzman

semic. Eg (eV) ni (cm-3)

Ge 0.7 2·1013

Si 1.2 1010

GaAs 1.4 106

a causa del diverso Energy-gap dei vari semiconduttori, a 25°C si ha che:

anche la conducibilitàvaria di conseguenza

anche la conducibilitàvaria di conseguenza

conducibilità intrinseca = ni · e · (µe + µp)conducibilità intrinseca = ni · e · (µe + µp)

a bassa temperaturavi sono poche coppieelettrone-lacuna libere,e il semiconduttoreè un buon isolante

a bassa temperaturavi sono poche coppieelettrone-lacuna libere,e il semiconduttoreè un buon isolante

a -100°C il Silicio presenta una resistivitàsimile a quella del vetroa -100°C il Silicio presenta una resistivitàsimile a quella del vetro

all’aumentare della temperaturale coppie elettrone-lacuna aumentano,e il semiconduttorecessa di essere un buon isolante

+200°C

-55°C

gamma ditemperaturadi utilizzo

gamma ditemperaturadi utilizzo

ad alta temperaturail notevole aumentodelle coppie elettrone-lacunafa sì che il semiconduttorediventi un conduttore

ad alta temperaturail notevole aumentodelle coppie elettrone-lacunafa sì che il semiconduttorediventi un conduttore

a 400°C il Silicio presenta una conducibilitàsimile a quella del carbonea 400°C il Silicio presenta una conducibilitàsimile a quella del carbone

La variazione della conducibilità con la temperatura è enorme:il Silicio passa da un ni di 107 a -55°C a 1014 a + 200°C,il che significa un aumento di 10 milioni di volte!!

25°C

al fine di limitarequesta enorme variazione della conducibilità con la temperatura,si introducono nel semiconduttore delle impurezze,(piccole tracce di elementi chimici)

che vengono definite “materiali droganti”

La conducibilità passa cosìda “intrinseca” (Silicio puro)

a “estrinseca”controllata solo dal tenore di drogantia “estrinseca”controllata solo dal tenore di droganti

sigma = ni · e · µ (dove ni = 1010)ma raddoppia ogni 10 °C

sigma = ni · e · µ (dove ni = 1010)ma raddoppia ogni 10 °C

sigma = ND · e · µdove ND = 1015... 1021 atomi/cm3

e indipendente dalla temperatura

sigma = ND · e · µdove ND = 1015... 1021 atomi/cm3

e indipendente dalla temperatura

si noti che il “tenore” delle impurezze introdotte è bassissimo:si va infatti da 1 atomo ogni 108 fino ad un massimo dello 0.1%

variazione della conducibilità a seconda delle impurezze

impurezze droganti di tipo P:Boro 3+ BAlluminio 3+ AlNichelio 2+ NiRame 2+ CuOro 1+ Au

impurezze droganti di tipo N:Fosforo 5+ PArsenico 5+ AsAntimonio 5+ Sb

Silicio

inserendo queste sostanzela conducibilitàdel semiconduttore aumentada 100 mila voltefino a 100 miliardi di volte !

inserendo queste sostanzela conducibilitàdel semiconduttore aumentada 100 mila voltefino a 100 miliardi di volte !

Boro 3+Boro 3+

Silicio in presenza di atomi estranei (impurezze sostituzionali)

Fosforo 5+Fosforo 5+lacunalacuna

elettroneelettrone

drogante di tipo Ndrogante di tipo Ndrogante di tipo Pdrogante di tipo P

il tenore di lacune(portatori maggioritari)è controllato dal drogaggio,mentre quello degli elettroni(portatori minoritari)è funzione della temperatura

il tenore di elettroni(portatori maggioritari)è controllato dal drogaggio,mentre quello delle lacune(portatori minoritari)è funzione della temperatura

il tenore di elettroni(portatori maggioritari)è controllato dal drogaggio,mentre quello delle lacune(portatori minoritari)è funzione della temperatura

Silicio con 1018 atomi/cm3 di Boro

conducibilità estrinseca = ND · e · µ = 1018·e·µconducibilità intrinseca = ni · e · µ = 1010·e·µconducibilità estrinseca = ND · e · µ = 1018·e·µconducibilità intrinseca = ni · e · µ = 1010·e·µ

semiconduttore di tipo P semiconduttore di tipo N

Silicio con 1018 atomi/cm3 di Fosforo

Silicio di tipo P Silicio di tipo N

(la giunzione P-N deve essere realizzatain un unico monocristallo)

zona di inversione, di carica spaziale,di svuotamento o “depletion layer”

giunzione P-N

BANDA DI VALENZA

BANDA DI CONDUZIONE

Silicio di tipo P

livelli accettori

BANDA DI VALENZA

BANDA DI CONDUZIONE

Silicio di tipo N

livelli donatori

i droganti di tipo Pinducono la formazione di“livelli accettori”poco al di sopra della bandadi valenza

i droganti di tipo Pinducono la formazione di“livelli accettori”poco al di sopra della bandadi valenza

i droganti di tipo Ninducono la formazione di“livelli donatori”poco al di sotto della bandadi conduzione

i droganti di tipo Ninducono la formazione di“livelli donatori”poco al di sotto della bandadi conduzione

quando materiale P ed N vengono a contatto, si equilibrano ilivelli donatori e accettori, il che provoca lo spostamento delleposizioni energetiche delle bande di valenza e di conduzione

L’energia E da superare per avere la conduzione è proporzionale a EgL’energia E da superare per avere la conduzione è proporzionale a Eg

polarizzazione direttapolarizzazione direttapolarizzazione inversapolarizzazione inversa

incremento di Eg

parametro Ge Si GaAs unità

Energy gap Eg a 300 °K 0,7 1,1 1,4 eVconcentrazione ni a 300 °K 2E13 1E10 1E7 - -mobilità elettronica µe 3800 1400 8800 cm2/V·secmobilità delle lacune µh 1800 500 400 cm2/V·secresistività intrinseca a 300 °K 47 2E5 1E7 ohm·cmdensità atomica 4E22 5E22 2E22 cm-3

rigidità dielettrica Emax 10 34 38 V/µmpunto di fusione Tf 937 1415 1238 °Cconducibilità termica Kth 0,6 1,5 0,5 W/cm·°Cpeso specifico 5,3 2,3 5,3 g/cm3

progressività dei parametri legati a Eg

Produzione del Silici Produzione del Silicio per uso ... · delle fette (dette “wafers”). ... simile alla tecnica di realizzazione dei circuiti stampati su vetronite. Durante

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