Leçon 13.1Micro et nanoChapitre 13 · Micro- et nanofabrication

Croissance cristalline Czochralski (plaquettes de silicium)

Tire lentement un cristal unique géant de silicium hors d'un bain fondu

La croissance Czochralski (prononcer « tcho-HRAL-ski ») produit un cristal unique géant de silicium : une seule pièce solide dans laquelle chaque atome occupe la même grille parfaite. Un petit germe est trempé dans du silicium fondu et tiré très lentement vers le haut, et le silicium se fige dessus. Découpés en fins disques appelés plaquettes, ces cristaux sont à la base de presque toutes les puces d'ordinateur et de nombreuses cellules solaires.

Photo : ArticCynda, CC0, via Wikimedia Commons

Tireur de cristaux Czochralski en coupe · 6 étapesLes numéros cerclés correspondent aux étapes ci-dessous. La vignette du haut est une coupe du four (le tireur) ; celle du bas montre le cristal fini.

Comment ça marche

Faire fondre le silicium. Des morceaux de silicium ultra-pur sont fondus dans un creuset en quartz (un bol résistant à la chaleur) à environ 1 420 °C. Une pincée dosée de bore ou de phosphore (un dopant, qui fixe la façon dont le silicium conduit l'électricité) y est aussi ajoutée, et de l'argon tient l'air à l'écart du bain.
Tremper le germe. Un petit germe cristallin, découpé de sorte que sa grille atomique soit orientée dans une direction choisie, est descendu jusqu'à toucher à peine le bain. Les atomes de silicium se figent dessus et copient sa grille.
Tirer un col fin. Le germe est d'abord tiré rapidement, ce qui fait un col de quelques millimètres de large seulement. Les défauts (dislocations, imperfections de la grille atomique) sortent par le col au lieu de se propager dans le cristal.
Faire croître l'épaule et le corps. La traction ralentit, donc le cristal s'élargit en un cône (l'épaule), puis croît à plein diamètre, typiquement 200 ou 300 mm. Le germe et le creuset tournent en sens inverse pour garder le bain homogène, et le cristal monte à environ un millimètre par minute.
Effiler la queue et refroidir. À la fin, le diamètre est rétréci en cône pour que le cristal quitte le bain sans choc thermique (un changement brusque de température qui abîmerait sa grille). Le cristal fini, appelé lingot, est sorti et refroidi lentement.
Rectifier et trancher. Le lingot est rectifié en cylindre exact et entaillé pour marquer sa direction cristalline. Un fil diamanté le tranche en plaquettes de moins de 1 mm d'épaisseur, qui sont ensuite polies jusqu'à un état miroir.

Chiffres clés

Matériaux: Surtout du silicium ; aussi du germanium et certains cristaux d'oxydes pour les lasers et l'optique
Pièces typiques: Lingots cylindriques (aussi appelés boules), tranchés en plaquettes
Taille de pièce: Typiquement 200–300 mm de diamètre, jusqu'à environ 2 m de long et plusieurs centaines de kg
Précision: Une seule grille atomique continue sans dislocations ; diamètre tenu à environ un millimètre avant rectification ; plaquettes finies planes à environ un micromètre (un millième de millimètre)
État de surface: Brut de croissance : gris métallique brillant avec de faibles arêtes sur sa longueur ; les plaquettes finies sont polies miroir
Taille de série adaptée: Production de masse : chaque tireur fait croître un lingot à la fois, jour et nuit
Coût d'outillage et de machine: Un tireur coûte de l'ordre d'un million de dollars ; le creuset en quartz est un consommable, remplacé après un ou quelques lingots
Vitesse: Environ 1 mm de cristal par minute, donc un lingot prend un jour ou plus

Atouts et limites

Atouts

Cristaux uniques énormes et presque parfaits
Un dopage précis fixe le comportement électrique
Mature et très automatisé, jusqu'à des plaquettes de 300 mm
Le point de départ standard des puces et de nombreuses cellules solaires

Limites

L'oxygène du creuset en quartz se dissout dans le silicium
Lent : un lingot peut prendre des jours
Consomme beaucoup d'énergie et des creusets
Le niveau de dopant dérive d'un bout à l'autre du lingot

Où on l'utilise

ÉlectroniqueProcesseurs et puces mémoire, fabriqués sur des plaquettes de 300 mm
Énergie solaireCellules solaires monocristallines
Électronique de puissanceTransistors et diodes de puissance dans les chargeurs, les voitures et les trains
Capteurs et MEMS (minuscules machines gravées dans le silicium)Capteurs d'image d'appareils photo de téléphones, capteurs de mouvement (accéléromètres)
Optique et lasersGermanium pour l'optique infrarouge, cristaux laser comme le Nd:YAG

Comment le reconnaître

La plupart du temps, on ne peut pas. Le cristal finit invisible dans chaque puce : un petit carré découpé dans une plaquette, scellé dans un boîtier noir sur la carte électronique de votre téléphone ou de votre ordinateur.
Panneaux solaires. Les cellules monocristallines paraissent d'un sombre uniforme, sans motif écailleux, et ont souvent des coins légèrement coupés : elles ont été mises au carré à partir d'un lingot rond.
Plaquettes nues. Un disque gris comme un miroir, avec en général une petite encoche ou un méplat sur son bord qui marque la direction cristalline.
Les lingots entiers, sur des photos d'usine ou dans des musées, ressemblent à de gigantesques balles grises avec de faibles arêtes droites qui révèlent la grille interne du cristal.

À comparer avec

Coulée de monocristaux1.8fait aussi croître un cristal à partir d'un germe, mais fige une pièce métallique façonnée dans un moule au lieu de tirer un cylindre libre.Épitaxie par jets moléculaires13.3ajoute de nouvelles couches cristallines sur une plaquette finie, quelques atomes à la fois, au lieu de faire croître le cristal massif.Photolithographie13.2l'étape suivante pour la plupart des plaquettes, qui y imprime les motifs des circuits.

À regarder

Linton Crystal Technologies · Ensemencement, amincissement du col et tirage, animés à l'intérieur d'un tireur

Intel · Où le lingot se place sur le chemin du sable à la puce finie

Linton Crystal Technologies · De vrais tireurs de cristaux et des lingots finis dans une usine

Linton Crystal Technologies · Comment un lingot est tranché en plaquettes

Voir de vraies photos

Wikipédia : Procédé Czochralski — illustrations du procédé et photos de lingots de silicium
Recherche de photos sur Wikimedia Commons

À retenir

Un germe tiré lentement d'un bain de silicium fondu devient un cristal unique sans défaut, jusqu'à environ 2 m de long.
Un col fin, une traction lente, des rotations opposées et de l'argon gardent ce cristal parfait et propre.
Presque toutes les puces et de nombreuses cellules solaires commencent comme une tranche d'un tel lingot.