Lição 13.1Micro e nanoCapítulo 13 · Micro e nanofabricação

Crescimento Czochralski (wafers de silício)

Puxa lentamente um cristal único gigante de silício para fora de um banho fundido

O crescimento Czochralski (pronuncia-se "tchô-RAL-ski") produz um cristal único gigante de silício: uma peça sólida em que cada átomo está na mesma rede perfeita. Uma pequena semente é mergulhada em silício fundido e puxada muito devagar, e o silício solidifica sobre ela. Fatiados em discos finos chamados wafers, esses cristais são a base de quase todo chip de computador e de muitas células solares.

Foto: ArticCynda, CC0, via Wikimedia Commons

Puxador de cristais Czochralski em corte · 6 etapasOs números circulados correspondem às etapas abaixo. O quadro de cima é um corte pelo forno (o puxador); o de baixo mostra o cristal pronto.

Como funciona

Funda o silício. Pedaços de silício ultrapuro são fundidos em um cadinho de quartzo (uma tigela resistente ao calor) a cerca de 1.420 °C. Uma pitada medida de boro ou fósforo (um dopante, que define como o silício conduz eletricidade) também entra, e o gás argônio mantém o ar longe do banho.
Mergulhe a semente. Um pequeno cristal semente, cortado de modo que sua rede atômica aponte em uma direção escolhida, é baixado até tocar de leve o banho. Os átomos de silício solidificam sobre ele e copiam sua rede.
Puxe um pescoço fino. A semente é puxada primeiro rapidamente, formando um pescoço de apenas alguns milímetros de largura. Os defeitos (discordâncias, falhas na rede atômica) saem pelo pescoço em vez de se espalharem pelo cristal.
Faça crescer o ombro e o corpo. A puxada desacelera, então o cristal se alarga em um cone (o ombro) e depois cresce com o diâmetro total, normalmente 200 ou 300 mm. A semente e o cadinho giram em sentidos opostos para manter o banho uniforme, e o cristal sobe a cerca de um milímetro por minuto.
Afunile a cauda e esfrie. No final, o diâmetro é estreitado em um cone para que o cristal saia do banho sem choque térmico (uma mudança brusca de temperatura que danificaria sua rede). O cristal pronto, chamado lingote, é retirado e esfria lentamente.
Retifique e fatie. O lingote é retificado até virar um cilindro exato e recebe um entalhe que marca a direção do cristal. Um fio revestido de diamante o fatia em wafers com menos de 1 mm de espessura, que depois são polidos até ficarem como espelho.

Dados-chave

Materiais: Principalmente silício; também germânio e alguns cristais de óxido para lasers e óptica
Peças típicas: Lingotes cilíndricos (também chamados de boules), fatiados em wafers
Tamanho da peça: Normalmente 200–300 mm de diâmetro, até cerca de 2 m de comprimento e várias centenas de kg
Precisão: Uma rede atômica contínua sem discordâncias; diâmetro mantido em cerca de um milímetro antes da retificação; wafers prontos planos até cerca de um micrômetro (um milésimo de milímetro)
Acabamento superficial: Como crescido: cinza metálico brilhante com leves cristas ao longo do comprimento; os wafers prontos são polidos como espelho
Tamanho de lote adequado: Produção em massa: cada puxador faz crescer um lingote por vez, dia e noite
Custo de ferramental e máquinas: Um puxador custa da ordem de um milhão de dólares; o cadinho de quartzo é um consumível, trocado depois de um ou alguns lingotes
Velocidade: Cerca de 1 mm de cristal por minuto, então um lingote leva um dia ou mais

Pontos fortes e limites

Pontos fortes

Cristais únicos enormes e quase perfeitos
A dopagem exata define o comportamento elétrico
Maduro e altamente automatizado, até wafers de 300 mm
O ponto de partida padrão para chips e muitas células solares

Limites

O oxigênio do cadinho de quartzo se dissolve no silício
Lento: um lingote pode levar dias
Usa muita energia e consome cadinhos
O nível de dopante varia de uma ponta à outra do lingote

Onde é usado

EletrônicaProcessadores e chips de memória, feitos em wafers de 300 mm
Energia solarCélulas solares monocristalinas
Eletrônica de potênciaTransistores e diodos de potência em carregadores, carros e trens
Sensores e MEMS (minúsculas máquinas gravadas no silício)Sensores de imagem de câmeras de celular, sensores de movimento (acelerômetros)
Óptica e lasersGermânio para óptica de infravermelho, cristais de laser como Nd:YAG

Como reconhecê-lo

Na maioria das vezes, você não vê. O cristal fica invisível dentro de cada chip: um pequeno quadrado cortado de um wafer, selado em um encapsulamento preto na placa de circuito do seu celular ou notebook.
Painéis solares. As células monocristalinas têm um aspecto escuro uniforme, sem padrão de flocos, e muitas vezes têm os cantos levemente cortados: foram esquadrejadas a partir de um lingote redondo.
Wafers nus. Um disco cinza como espelho, normalmente com um pequeno entalhe ou chanfro na borda que marca a direção do cristal.
Lingotes inteiros, em fotos de fábricas ou em museus, parecem balas gigantes cinza com leves cristas retas ao longo que revelam a rede interna do cristal.

Compare com

Fundição de cristal único1.8também faz crescer um cristal a partir de uma semente, mas solidifica uma peça de metal com forma dentro de um molde, em vez de puxar um cilindro livre.Epitaxia por feixe molecular13.3acrescenta novas camadas de cristal sobre um wafer pronto, poucos átomos por vez, em vez de fazer crescer o cristal em massa.Fotolitografia13.2a etapa seguinte para a maioria dos wafers, imprimindo neles os padrões dos circuitos.

Assista

Linton Crystal Technologies · Semeadura, pescoço e puxada, animados dentro de um puxador

Intel · Onde o lingote se encaixa no caminho da areia ao chip pronto

Linton Crystal Technologies · Puxadores de cristal reais e lingotes prontos em uma fábrica

Linton Crystal Technologies · Como um lingote é fatiado em wafers

Veja fotos reais

Wikipedia: Método Czochralski — ilustrações do processo e fotos de lingotes de silício
Busca de fotos no Wikimedia Commons

Lembre-se

Uma semente puxada devagar de silício fundido cresce até virar um único cristal impecável de até cerca de 2 m de comprimento.
Um pescoço fino, puxada lenta, rotações opostas e gás argônio mantêm esse cristal perfeito e limpo.
Quase todo chip e muitas células solares começam como uma fatia de um lingote assim.