Монокристаллы 002

Тут и пол может провалиться

В этой серии завершающий пост про связь аддитивных технологий с технологиями полупроводниковых материалов.

Уже писал про тему печати монокристаллов. Направление очень новое, некоторые результаты уже получают для металлов. Но пока все усилия идут на металлы в традиционном понимании и тему металлургии кремния, да и других полупроводниковых материалов, пока не затрагивают. Но и здесь есть где покопаться.

Полупроводниковые материалы для целей создания микроэлектронных устройств в большинстве случаев нужны в монокристаллическом или поликристаллическом виде, приложения с аморфными материалами есть, но для целей микроэлектроники они не особо подходят. Пригодные монокристаллы можно создать двумя путями. Первое - вырастить большой монокристалл и распилить его под нужные задачи. Второе - выращивать по месту применения на одной из стадий процесса, обычно это какие-то тонкие пленки, т.к. выращивать что-то большое дорого и сложно.

В современной версии технологии монокристаллы кремния выращивают в виде больших кусков, обычно цилиндрической формы, чем больше - тем лучше. На жаргоне их часто называют кремниевыми чушками. Размеры таких кристаллов уже подобрались к 600 мм, 250-300 уже относительно давно используют на практике.

Обусловлено это экономическими и технологическими соображениями. Процесс производства полупроводниковых устройств пока не получается сделать непрерывным как на конвейере (непрерывные одинаковые операции) - требуется разово поместить заготовку в какое-то устройство, например, литографическую машину, провести необходимые операции, извлечь заготовку, повторить процесс для другой заготовки. Такими заготовками являются кремниевые пластины на которые разрезают выращенные кристаллы. Эти пластины и обычно показывают на фотографиях, когда хотят показать принадлежность каких-то материалов к полупроводниковой технологии. Ими же и махают на камеру политики.

Т.е. чем больше такая пластина - тем больше на ней может поместиться чипов, тем меньше всевозможных обрезков по краям (микроэлектронный кремний дорогое удовольствие), тем меньше затрат на всевозможные подготовительные и вспомогательные операции (вроде создания вакуума в системе, выравнивания и т.д.).

Кроме этого, из-за необходимости перемещения таких кремниевых пластин между разными установками требуется ещё и не разбить их по дороге. Т.е. они должны быть достаточно толстыми для сохранения целостности при перевозке и перемещении. Для работы самого чипа такая толщина кремнения уже давно не нужна - современные чипы - довольно тонкие по высоте структуры.

Выращивание нужного кремния по месту использования возможно, но тут все ограничено физикой. Или слишком медленно и трудно контролировать рост нужных структур из газовой фазы или плазмы. Или слишком трудно обеспечить нужное качество кристаллов. Используется уже только для роста каких-то тонких пленок, нужных для чипа.

Но, пластину потом разделяют на отдельные чипы в любом случае. Т.е. для итогового продукта это не особо важно - отдельными ли это частями или одной пластиной.

Собственно, с помощью технологий 3D печати может быть и возможно печать небольшие монокристаллы на месте. Уже имеющиеся работы по выращиванию таким образом монокристаллов говорят, что это в том или ином виде возможно. Но уже надо понимать - возможно ли это на практике и будет ли экономически обоснованным. В случае удачи - будут сняты многие ограничения современной технологии. А то и получится ввести более широко и другие полупроводниковые материалы.

Тут сейчас опять начнется про “слишком много дефектов”. Я прошлый раз не стал продолжать холивар по этому поводу. Проще сказать так, дефекты в кристаллах, особенно, если они в тонких слоях - можно убирать.

Как это возможно? Он же твердый!

Представим для наглядности какой-то прозрачный гель вроде шампуня или средства для мытья посуды. Там часто есть пузырьки. Они находятся в каком-то подвешенном состоянии - вязкость геля и сила Архимеда друг друга уравновешивают. Но, если такой гель начать нагревать - пузырьки пойдут вверх и покинут гель - он станет однородным.

С дефектами похожая ситуация. В кристаллической решетке атома на самом деле не неподвижны. Они дергаются постоянно, занимают какое-то энергетически выгодное место - находятся в некоторой ловушке. А вот дефекты - это всегда нарушение этого порядка - по этой причине они и дефекты. Т.е. или атом кремния находится не на том месте или застыл между другими атомами. Или пустота какая-то возникла и туда не может попасть другой атом. Заставив атомы дергаться и перестраиваться быстрее (просто нагрев) можно добиться перемещения дефектов из одного места в другое. Конечно, сила Архимеда к этому не применима, движение носит случайный характер, но с определённой вероятностью - дефект окажется у поверхности - и его место займет уже атом кремния (или просто встанет на место). Т.е. дефект “испарится”. Такие технологии используются и применяются, т.н. “отжиг дефектов”. Вопрос в целесообразности, которая пока непонятна.

Похожие технологии пытались развивать в 60-70х годах, но попытки уперлись в технологические возможности того времени и их прекратили. Все пошло по современному пути.

Интересно тут ещё и то, что саму технологию печати кристаллов можно дополнить всякими уже используемыми в микроэлектронике технологиями внедрения различных примесей, вроде ионных имплантаций, травления, металлизации и прочее. Чего просто при выращивании кристалла не сделать.

Естественно, пока это все идеи под разработку. И понять насколько это применимо к реальности без вхождения в тему на практике - очень сложно.

А мы предлагаем наши 3D принтеры для разработок технологий печати монокристаллов. Что для электроники, что для индустрии.

www.addsol.ru