Tecniche di produzione del Silicio. Silicio monocristallino: Processo Czochralski e metodo del floating zone

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Francesca Fedele
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1 Tecniche di produzione del Silicio Silicio monocristallino: Processo Czochralski e metodo del floating zone

2 Processo Czochralski Il processo consiste nel sollevamento verticale a bassissima velocità di un seme monocristallino di silicio, immerso inizialmente per pochi millimetri in un crogiolo contenete silicio puro fuso. Il seme monocristallino è, in pratica, una bacchetta con sopra un sottile strato di silicio in forma monocristallina. Gli atomi di silicio fuso, a contatto con il seme monocristallino, si orientano secondo il reticolo atomico della struttura del silicio; La temperatura del silicio nel crogiuolo è mantenuta di pochi gradi superiore a quella di fusione (1414 C), e aderendo al seme monocristallino, che gradualmente viene estratto dalla massa fusa, 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. L'operazione successiva consiste nel tagliare il fuso tramite un disco diamantato, ottenendo i 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 al suo diametro, col tempo si è cercato di realizzare fusi con diametro sempre maggiore. Attualmente si realizzano fusi con un diametro di circa 30 centimetri. Un cristallo di Si prodotto con il metodo Czochralski si indica con CZ

Gli atomi di silicio fuso, a contatto con il seme monocristallino, si orientano secondo il reticolo atomico della struttura del silicio; La temperatura del silicio nel crogiuolo è mantenuta di pochi

3 Processo Czochralski

4 Processo Czochralski

5 Processo Czochralski

6 Metodo float-zone Nel metodo di float zone (FZ) un cristallo con struttura e composizione spuria si muove muove attraverso una zona ove il materiale è liquido partendo da un germe cristallino che, come nel metodo Czochralski, ne orienta gl iatomi nella zona fusa. Questo metodo è stato usato inizialmente per purficare i CZ sfruttando gli effetti di segregazione delle impurezze e di riassestamento della struttura nella zona fusa in forma di mono cristallo. Questo metodo permette di ottenere monocristralli di alta purezza e cristallinità. Nel metodo FZ la fusione viene effettuata in vuoto o in gas inerte ed è ad impurezze zero perchè la zona di fuzione non è a contatto diretto con il crogiolo come nel procezzo CZ. I problemi del metodo FZ sono quelli correlati al collasso della zona fusa che rimane compatta e solidale al solido grazie unicamente alle forze di tensione superficiale del fuso. I diametro massimo per pani ottenti con il metodo FZ sono di 20 mm. Con metodi molto sofisticati si possono però raggiungere diameri 150 mm.

Questo metodo è stato usato inizialmente per purficare i CZ sfruttando gli effetti di segregazione delle impurezze e di riassestamento della struttura nella zona fusa in forma di mono cristallo.

7 Metodo float-zone

8 Tecniche di produzione del Silicio policristallino Nasce dall esigenza di diminuire i costi di crescita del cristallo del Silicio monocristallino. Ha lo svantaggio di portare a delle perdite di efficienza dovute alla presenza dei bordi di grano e alle impurezze ed imperfezioni nel reticolo Metodo di prouzione del Si policristallino: Wacker Ingot Facturing Process (WIFP)

Ha lo svantaggio di portare a delle perdite di efficienza dovute alla presenza dei bordi di

9 Metodo Wacker Stampo in cui il Silicio è fatto raffreddare fatto raffreddare mediante un gradiente termico verticale controllato. Il blocco viene poi tagliato in pani di grande misura madinate medinate una lastra segante. I singoli pani vengono tagliati in sottili fette: i wafers policristallini.

Il blocco viene poi tagliato in pani di grande misura madinate medinate

10 Silicio policristallino

11 Silicio amorfo È in assoluto il semiconduttore più economico ma anche il più scadente. La sua tecnica di produzione è molto semplice perché e consiste in una semplice deposizione con una tecnica di Chemical vapor deposition (CVD) del silano SiH4 su lastre di vetro o metalliche. Gli svantaggi del silicio amorfo sono gli stessi del Silicio policristallino però più accentuati. Un metodo per diminuire le imperfezioni del cristallo del silicio amorfo è la passivazione passivazione della superficie della superficie mediante idrogeno

deposition (CVD) del silano SiH4 su lastre di vetro o metalliche.

12 Cella fotovoltaica di prima generazione (Si-based)

13 Tecnologia del Silicio monocristallino

17 Passivazione del silicio Evaporazione dei metalli

18 Photoresist technique 1. deposition (laying down the thin film, SiO2, Al, etc.), 2. doping (changing the conductivity by adding impurities), 3. photolithography (defining the pattern), 4. etching (transferring the pattern into the thin film).

29 Contatti TCO

30 TCO: Transparent Conductive Oxide ITO: Indium Tin (IV) oxide. In2O3 (90%), SnO2 (10%) in peso è un conduttore elettronico con ottima trasparenza ottica. Si deposita in films sottili che diano un buon compromesso tra elevata conducibilità e trasparenza. ZnO- doped Al Al2O3-Cu doped Etc.

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