III Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
КРЕМНИЙ: ОТ ПЕСКА ДО КОМПЬЮТЕРНОГО ЧИПА
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Кремний - важнейший элемент жизни
Кремний присутствует во всей Вселенной. Много лет существует жизнь на Земле. Она неуклонно изменяется, т. е. развивается от простого к более сложному. Жизнь на Земле имеет свои особенные качества, отличные от жизни звездных систем. И тем не менее люди давно подметили воздействие космоса на свою жизнь.
Кремний - один из важных элементов. Вернадский написал свой знаменитый труд: "Никакой организм не может существовать без кремния" (1944 г). В справочнике по химии для школьников 9 класса (изд. Минск: "Слово", 1977 г.) в разделе "Кремний" сообщается: "...кремний - исключительно важный полупроводниковый материал, используемый для изготовления микроэлектронных устройств — "микросхем".
Электроника играет непрерывно возрастающую роль в области развития и применения нано-технологий. Сегодня много говорят о разработках интегральных наносхем или электронных нанопроцессоров, и основная цель этих возможное уменьшение размеров электронных компонентов. Такие нанокомпоненты уже исследований – максимально применяются в микропроцессорах некоторых типов, в элементах памяти, лазерных диодах, светодиодах, ЖК-дисплеях, интегральных схемах на приборах с зарядовой связью (например, для цифровых видео- и фотокамер).
Он используется в производстве солнечных батарей, превращает солнечную энергию в электрическую. Среди 104 элементов периодической системы у кремния особая роль. Он - пьезоэлемент.
Он может превращать один вид энергии в другой. Механическую в электрическую, световую в тепловую и др.".
Именно кремний лежит в основе энергоинформационного обмена в космосе и на Земле.
ИсторияВ 1825 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус действием металлического калия на фтористый кремний SiF4 получил чистый элементарный кремний. Новому элементу было дано название «силиций» (от silex—кремень). Русское название «кремний» введено в 1834 году российским химиком Германом Ивановичем Гессом. В переводе c др.-греч. κρημνός — «утёс, гора».
Нахождение в природеСодержание кремния в земной коре составляет по разным данным 27,6—29,5 % по массе. Таким образом, по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Концентрация в морской воде3 мг/л.
Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезёма — соединений на основе диоксид кремния (IV) SiO2 (около 12 % массы земной коры). Основные минералы и горные породы, образуемые диоксидом кремния,— это песок(речной и кварцевый),кварциты, кремень, полевые шпаты. Вторую по распространённое группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосисти в природликаты.
Физические свойстваКристаллическая решётка кремния кубическая гранецентрированная типа алмаза, параметр а = 0,54307 нм (при высоких давлениях получены и другие полиморфные модификации кремния), но из-за большей длины связи между атомами Si—Si по сравнению с длиной связи С—С твёрдость кремния значительно меньше, чем алмаза. Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Он прозрачен для инфракрасного излучения начиная с длины волны 1,1 мкм. Собственная концентрация носителей заряда — 5,81·1015 м−3 (для температуры 300 K).
Электрофизические свойстваЭлементарный кремний в монокристаллической форме является непрямозонным полупроводником. Ширина запрещённой зоны при комнатной температуре составляет 1,12 эВ, а при Т = 0 К — 1,21 эВ[8]. Концентрация собственных носителей заряда в кремнии при нормальных условиях составляет около 1,5·1010 см−3[9].
На электрофизические свойства кристаллического кремния большое влияние оказывают содержащиеся в нём примеси. Для получения кристаллов кремния с дырочной проводимостью в кремний вводят атомы элементов III-й группы, таких, как бор, алюминий, галлий, индий. Для получения кристаллов кремния с электронной проводимостью в кремний вводят атомы элементов V-й группы, таких, как фосфор, мышьяк, сурьма.
ПОЛУЧЕНИЕСвободный кремний получается при прокаливании мелкого белого песка (диоксида кремния) с магнием:
При этом образуется аморфный кремний, имеющий вид бурого порошка.
В промышленности кремний технической чистоты получают, восстанавливая расплав SiO2 коксом при температуре около 1800°C в рудотермических печах шахтного типа. Чистота полученного таким образом кремния может достигать 99,9 % (основные примеси — углерод, металлы).
Возможна дальнейшая очистка кремния от примесей.
Очистка в лабораторных условиях может быть проведена путём предварительного получения силицида магния Mg2Si. Далее из силицида магния с помощью соляной или уксусной кислот получают газообразный моносилан SiH4. Моносилан очищают ректификацией, сорбционными и др. методами, а затем разлагают на кремний и водород при температуре около 1000 °C.
Очистка кремния в промышленных масштабах осуществляется путём непосредственного хлорирования кремния. При этом образуются соединения состава SiCl4, SiHCl3 и SiH2Cl2. Их различными способами очищают от примесей (как правило, перегонкой и диспропорционированием) и на заключительном этапе восстанавливают чистым водородом при температурах от 900 до 1100 °C.
Разрабатываются более дешёвые, чистые и эффективные промышленные технологии очистки кремния. На 2010 г. к таковым можно отнести технологии очистки кремния с использованием фтора (вместо хлора); технологии, предусматривающие дистилляцию монооксида кремния; технологии, основанные на вытравливании примесей, концентрирующихся на межкристаллитных границах.
Содержание примесей в доочищенном кремнии может быть снижено до 10−8—10−6 % по массе.
Монокристаллы из поликристаллического кремния можно получить двумя способами:
-
Метод вытягивания из расплава. Поликристаллический кремний нагревают до плавления в кварцевом тигле (температура плавления кремния составляет 1413 градусов цельсия). В расплав погружают так называемые затравочные монокристаллы кремния и начинают очень медленно (со скоростью 1-3 мм/мин) вытягивать из расплава. В результате получают монокристаллы цилиндрической формы.
-
Метод зонной плавки и очистки. Небольшую узкую часть (зону) поликристаллического кремниевого стержня расплавляют методом индукционного нагрева рядом с затравочным монокристаллом. Зону расплава постепенно перемещают, а расплавленный кремний кристаллизуется в виде монокристалла.
Чтобы получить кремниевые подложки (пластины), монокристаллические стержни обтачивают до требуемого диаметра и затем с помощью узкой алмазной ножовки или специального диска разрезают на тонкие диски. Кромки полученных дисков скругляют. Для получения строго плоскопараллельных пластин (подложек, или «вафлей») монокристаллического кремния с идеальной поверхностью эти диски последовательно шлифуют, полируют, и травят.
Чипы изготавливают на подложках методом литографии. На поверхность подложки наносят покрытие из тонкого (не более 1.5 мкм) слоя (фото)чувствительного материала (фоторезист).
На подложку со слоем фоторезиста наносят так называемую маску – изображение будущей электрической схемы чип, которое состоит из прозрачных и непрозрачных для света участков. Маску плотно прижимают к фоточувствительному слою и облучают светом определенной длины волны (то есть засвечивают фоторезист) Такой процесс называется экспозицией.
Засвеченный фоторезист проявляют в специальных ваннах и получают но полимерном слое изображение точно так же, как при обычном изготовлении фотографий.
Полимерный слой – это мягкая пленка, которая легко подвергается разрушения. Изображение с пленки переносят на поверхность кремниевой подложки путем травления и металлизации. Затем полимерный слой удаляют, поскольку он не является функциональным элементом чипа и служит только для переноса изображения.
При изготовлении компьютерных чипов все эти операции последовательно повторяют 20 раз, использую при этом 20 различных масок. Такой комплект масок стоит несколько сотен евро.
Чем короче длина волны света, которым облучают будущие чипы на стадии литографии, тем более мелкие элементы схемы можно будет получить на этом чипе. Современные технологии используют как ультрафиолетовое (длина волны 365 нм), так и более высокочастотное излучение (с длиной волны 157 нм), что позволяет получать схемы с проводниками шириной всего 45 нм. Чем мельче элементы схемы, тем больше интегральных схем может уместиться на одном чипе. Например, современный компьютерный чип может содержать до 100 миллионов отдельных транзисторов. Это означает, что на одной кремниевой подложке можно уместить несколько сотен чипов. Когда все литографические стадии полностью завершены, кремниевые подложки разрезают на отдельные чипы спощью специального станка с алмазным диском. После этого каждый чип наклеивают на пластмассовую или керамическую микросхемную панель и подсоединяют к нему контакты в виде очень тонких проводников (около 25мкм в диаметре). На последнем этапе изготовления чип заливают пластмассой.