Διεργασίες Παραγωγής Ηλεκτρονικών Υλικών Ενότητα 2: Παραγωγή Πυριτίου. Δημήτριος Ματαράς Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

Transcript

1 Διεργασίες Παραγωγής Ηλεκτρονικών Υλικών Ενότητα 2: Παραγωγή Πυριτίου Δημήτριος Ματαράς Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

2 ΓΕΝΙΚΗ ΑΠΟΨΗ ΤΗΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑΣ από το MGS στο EGS MGS: Metallurgical Grade Silicon EGS: Electronic Grade Silicon MGS EGS σε 4 Βήματα: 1. Φούρνος Aναγωγής: SiO 2 + C MGS 2. MGS+HCl Σιλάνιο + Χλωροσιλάνια 3. Διαχωρισμός (Απόσταξη κ.λ) 4. CVD (SIEMENS) ή Ρευστοστερεά κλίνη EGS MGS SiH 4 Ρευστοστερεά Άμμος Φούρνος Τόξου Διαχωρισμός Κλίνη SiH x Cl 4-x SiH 4 EGS SIEMENS ή Ρευστ. Κλίνη SiH x Cl 4-x 2

3 ΦΟΥΡΝΟΣ ΤΟΞΟΥ: ΑΝΑΓΩΓΗ SiO 2 ΜΕ ΑΝΘΡΑΚΑ Από το ~1900 για την μεταλλουργία σιδήρου και αλουμινίου Διάμετρος Ηλεκτροδίων ~1μ Ισχύς ΜW ~20000 t/yr Πρώτες ύλες: Quartzite: Κρύσταλλοι, άμμος, πέτρωμα % κ.β. ακαθαρσίες Ξύλα ή Κάρβουνο 3

4 ΑΝΑΓΩΓΗ ΤΟΥ ΠΥΡΙΤΙΟΥ II: 1800 C SiO 2 +3C SiC +2CO(g) III: SiO 2 + SiC 3Si +2CO(g) 2 SiO 2 + SiC 3SiO(g) + CO(g) image url To SiO ψύχεται ανερχόμενο Η πλειονότητα του SiO δεσμεύεται μέσω της αντίδρασης: SiO(g) + CO(g) SiO 2 + C 4

5 MGS Η αναγωγή εισάγει ακαθαρσίες (κυρίως Fe, Al, Ti) έως 2% Concentration in MGS, ppm wt Impurity A B C Mn Cr Cu Ni Fe Al Ca Mg Ti B P

6 ΥΔΡΟΧΛΩΡΙΩΣΗ σε Ρευστοστερεά Κλίνη Λεπτή σκόνη MGS + HCl SiHCl 3 + SiCl 4 + H C Τα Χλωροσιλάνια είναι υγρά στην θερμοκρασία δωματίου Ανάγονται εύκολα με υδρογόνο Si(MGS)+ 3HCl SiHCl 3 + H 2 6

7 Απόσταξη Χλωροσιλανίων Compound Normal boiling point, o C SiCl SiHCl SiH 3 Cl SiH Αέρια BCl PCl PCl Βαρέα Al 2 Cl

8 Απόσταξη Χλωροσιλανίων Καταλυτική Ανακατανομή των Χλωροσιλανίων: 2 SiHCl 3 + H 2 SiH 2 Cl 2 + SiCl 4 3 SiH 2 Cl 2 SiH SiHCl 3 8

9 ΕΝΑΠΟΘΕΣΗ EGS Αναγωγή Χλωροσιλανίων με Υδρογόνο SiCl 3 + H 2 Si + (1000 C) SiH 2 Cl 2 + H 2 Si + (900 C) Ή Πυρόλυση του Σιλανίου SiH 4 Si + 2H 2 (600 C) Εναπόθεση σε: Αντιδραστήρα SIEMENS Ή Ρευστοστερεά Κλίνη image url 9

10 ΕΝΑΠΟΘΕΣΗ EGS (SIEMENS) C 10

11 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΡΟΗΣ SIEMENS 11

12 ΒΕΛΤΙΩΜΕΝΟ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΡΟΗΣ 12

13 Ρευστοστερεά Κλίνη 13

14 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΡΕΥΣΤΟΣΤΕΡΕΑΣ ΚΛΙΝΗΣ 14

15 ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΡΥΣΤΑΛΛΩΝ Μέθοδος Bridgeman Μέθοδος Czochralski Θέρμανση Ζώνης image url 15

16 Czochralski image url 16

17 Θέρμανση Ζώνης 17

18 Czochralski 1950 Διεργασία υπό κενό Ροή αδρανούς αερίου σε πίεση >5 mbar ( mbar) για: Απομάκρυνση SiO, CO Ρύθμιση του ρυθμού εξαγωγής του SiO Εισάγεται υλικό εμπλουτισμού 18

19 Czochralski Μέσα στη μηχανή CZ image url 19

20 Czochralski Φάσεις έλξης του κρυστάλλου image url 20

21 Czochralski Ράβδοι κρυσταλλικού πυριτίου image url image url 21

22 Τομή των ράβδων σε δίσκους image url 22

23 Τομή των ράβδων σε δίσκους image url Κοπή και από τις δύο πλευρές ταυτόχρονα για ομοιόμορφο πάχος Κοπή με χορδή πιάνου ή με laser Η επιφάνειες βλάπτονται δομικά και μολύνονται Απομακρύνονται ~20μm από κάθε πλευρά με υγρή χημική εγχάραξη: 3Si+4ΗΝO 3 +18HF 3H 2 SiF 6 +4NO+8H 2 O Γυάλισμα με κολλοειδές SiO2 (σωματίδια ~10nm) και διάλυμα NaOH 23

24 Δίσκοι κρυσταλλικού πυριτίου image url Γυαλίζεται μόνο η μια πλευρά ενώ η άλλη βλάπτεται 24

25 Ανάπτυξη Κρυστάλλων και Κατανομή Προσμίξεων C s k e = C b k e πραγματικός συντελεστής κατανομής C s συγκέντρωση πρόσμιξης στον κρύσταλλο C b συγκέντρωση πρόσμιξης στο τήγμα C k = C s l ΣΤΗ ΔΙΕΠΙΦΑΝΕΙΑ: k τοπικός συντελεστής κατανομής C s συγκέντρωση πρόσμιξης στον κρύσταλλο C l συγκέντρωση πρόσμιξης στο υγρό 25

26 Ανάπτυξη Κρυστάλλων και Κατανομή Προσμίξεων k C C s l ΣΤΗ ΔΙΕΠΙΦΑΝΕΙΑ k τοπικός συντελεστής κατανομής C s συγκέντρωση πρόσμιξης στον κρύσταλλο C l συγκέντρωση πρόσμιξης στο υγρό πρόσμιξη Al As B C Cu O P Sb k x Κατά την έλξη η πρόσμιξη ενσωματώνεται κατά προτίμηση: k>1 στο στερεό (μειώνεται η συγκέντρωση στο τήγμα) k<1 στο τήγμα (μειώνεται η συγκέντρωση στο στερεό) 26

27 Κατανομή Προσμίξεων Μονοδιάστατο Ισοζύγιο Μάζας Για μία πρόσμιξη Στην διεπιφάνεια στερεού-υγρού 2 d C dc V 0 2 D dx dx D διαχυτότητα της πρόσμιξης C συγκέντρωση της πρόσμιξης V ταχύτητα της διεπιφάνειας dc D GC GCs x dx To Καθαρό ρεύμα της πρόσμιξης στην διεπιφάνεια στερεού-υγρού= πρόσμιξη που απορρίπτεται πρόσμιξη που ενσωματώνεται G ρυθμός έλξης της ράβδου 0 27

28 Κατανομή Προσμίξεων x 0 C C V G l Gx / D C Cl(1 k) e k Cl : C C x b C C (1 k) e k C G / D b l l 28

29 Κατανομή Προσμίξεων C C (1 k) e k C G / D b l l k k k k (1 k) e e C e G / D s s k C b C C l 1.8D G 1/3 1/6 1/ 2 29

30 Κατανομή Προσμίξεων παράδειγμα 1: Ράβδος 3 αναπτύσσεται με ρυθμό 2 mm/min. Υποθέτουμε διαχυτότητα των προσμίξεων 5x10-5 cm 2 /s και λ=0.02 cm. Να υπολογιστεί ο λόγος C l /C b για τον Φώσφορο και το Οξυγόνο k ke G / D k (1 k) e Cl ke Cs / Cb (0.2/ 60) C k C / C G / D 5x10 e e b s l k e k k 0.264(1 k) 30

31 Κατανομή Προσμίξεων παράδειγμα 1: Ράβδος 3 αναπτύσσεται με ρυθμό 2 mm/s. Υποθέτουμε διαχυτότητα των προσμίξεων 5x10-5 cm 2 /s και λ=0.02 cm. Να υπολογιστεί ο λόγος C l /C b για τον Φώσφορο και το Οξυγόνο k k e e 0.35 (P) (0.65) 1.25 (O) ( 0.25) C C C C l b l b 1.91 P 0.84 O 31

32 ( k ) k 1, k ( k ) k (1 k) e 1 k e P e G / D e As kp G / D 1 k e As e G/ D P k Κατανομή Προσμίξεων παράδειγμα 2: Ο ρυθμός έλξης μιας ράβδου εμπλουτισμένης μα As είναι 2 mm/min.να υπολογίσετε τον ρυθμό έλξης μιας ράβδου εμπλουτισμένης με P που θα έχει την ίδια αξονική κατανομή της πρόσμιξης. (k P =0.35, k As =0.3, υποθέτουμε ίδια D και λ) As ( e ) 1.256( e ) G/ D G/ D P 1 ( G ) As ( G ) P D mm GP 1.5 min As 32

33 Συγκέντρωση Προσμίξεων στο τήγμα V C VC C ( ) d 0 0 V s V 0 αρχικός όγκος τήγματος Διαφορίζοντας ως προς x 0 s C 0 αρχική συγκέντρωση στο τήγμα V, C κατά την διάρκεια της έλξης α λόγος πυκνοτήτων τήγμα/κρύσταλλος dc dv dv dx dx dx V Vtx V V V s s V C Cs 0 0 dc dx Vt kv e t C Vx t V0 33

34 Αξονική Κατανομή Προσμίξεων + Συγκέντρωση Προσμίξεων στο τήγμα ί (1 ) ή Vt V 0 dc dx Vt kv e t Vx t V0 C C C (1 x) 0 0 ( k 1) Cs ήke C C k C (1 x) s e e ( k 1) e 34

35 Αξονική Κατανομή Προσμίξεων + Συγκέντρωση Προσμίξεων στο τήγμα 35

36 Αξονική Κατανομή Προσμίξεων + Συγκέντρωση Προσμίξεων στο τήγμα 36

37 Αξονική Κατανομή Προσμίξεων παράδειγμα 3 Α) Να υπολογίσετε την συγκέντρωση Β και Ο σε 5 ισαπέχοντα σημεία μιας ράβδου. (υποθέτοντας k e =k) Β) Υπολογίστε την συγκέντρωση Β στο τήγμα όταν ο κρύσταλλος θα έχει τα ¾ το τελικού του μήκους. Η αρχική συγκέντρωση των προσμίξεων είναι cm -3 (β=1, α=1.1) C s x = k e C 0 1 x (1.1k e 1) C s x C 0 = 0.8(1 x) 0.12 για το Βόριο 1.25(1 x) για το Οξυγόνο 37

38 παράδειγμα 3 Αξονική Κατανομή Προσμίξεων Α) Να υπολογίσετε την συγκέντρωση Β και Ο σε 5 ισαπέχοντα σημεία μιας ράβδου. (υποθέτοντας k e =k) Β) Υπολογίστε την συγκέντρωση Β στο τήγμα όταν ο κρύσταλλος θα έχει τα ¾ το τελικού του μήκους. Η αρχική συγκέντρωση των προσμίξεων είναι cm -3 (β=1, α=1.1) x B C s /C 0 O

39 παράδειγμα 3 Αξονική Κατανομή Προσμίξεων %Απλό Παράδειγμα σε OCTAVE x=0:0.01:0.99; CsB=0.8*(1-x).^-0.12; CsO=1.25*(1-x).^0.375; plot(x,csb,";boron;",x,cso,";oxygen;"); 39

40 παράδειγμα 3 Αξονική Κατανομή Προσμίξεων Α) Να υπολογίσετε την συγκέντρωση Β και Ο σε 5 ισαπέχοντα σημεία μιας ράβδου. (υποθέτοντας k e =k) Β) Υπολογίστε την συγκέντρωση Β στο τήγμα όταν ο κρύσταλλος θα έχει τα ¾ το τελικού του μήκους. Η αρχική συγκέντρωση των προσμίξεων είναι cm -3 (β=1, α=1.1) k C C ( 1- x) e 10 ( 0. 25) ( )

41 Τέλος Ενότητας

42 Σε περίπτωση που δεν αναφέρεται πηγή, το υλικό έχει δημιουργηθεί από τον ίδιο τον διδάσκοντα. 42

43 Σημείωμα Αναφοράς Copyright Πανεπιστήμιο Πατρών, Όνομα μέλους ή μελών ΔΕΠ 2014: Δημήτριος Ματαράς.. Έκδοση: 1.0. Πάτρα Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: 43

44 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στo πλαίσιo του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 44

45 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. 45