O silício é o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre e desempenha um papel crucial na indústria de semicondutores. Entre os vários tipos de lingotes de silício, os lingotes de silício FZ (zona flutuante) e os lingotes de silício CZ (Czochralski) são dois dos mais usados. Como fornecedor de lingotes de silício da FZ, eu gostaria de compartilhar algumas idéias sobre as diferenças entre esses dois tipos de lingotes de silício.
Processo de crescimento de cristais
A diferença mais fundamental entre os lingotes de Silicons FZ e CZ está em seus processos de crescimento de cristais.
O método Czochralski, nomeado após seu inventor Jan Czochralski, é uma técnica bem estabelecida para o cultivo de silício único de cristal. Nesse processo, um pequeno cristal de semente é mergulhado em um cadinho cheio de silício derretido. O cristal de semente é então puxado lentamente para cima enquanto gira. À medida que é puxado, o silício fundido solidifica ao redor do cristal de semente, formando um grande lingote de cristal único. Este método permite o crescimento de lingotes de grande diâmetro, normalmente até 300 mm ou até maiores na fabricação moderna de semicondutores.
Por outro lado, o método da zona flutuante é um processo livre de cadinho. Uma haste de silício policristalino é mantida verticalmente entre dois chucks. Uma bobina de indução é usada para aquecer uma pequena zona da haste, derretendo -a. A zona fundida é então movida ao longo do comprimento da haste, movendo lentamente a bobina de indução ou a própria haste. À medida que a zona fundida se move, o silício na zona se solidifica em uma única estrutura cristalina, seguindo a orientação do cristal de semente no topo. Esse processo pode produzir lingotes de silício de alta pureza, mas é mais desafiador crescer lingotes grandes - diâmetro em comparação com o método CZ.
Pureza
A pureza é um fator crítico nas aplicações de semicondutores, e os lingotes de silício de FZ geralmente têm uma pureza mais alta que os lingotes de silício CZ.
No processo CZ, o uso de um cadinho feito de quartzo pode introduzir impurezas no lingote do silício. Durante o processo de crescimento, o silício fundido reage com o cadinho de quartzo, levando à incorporação de oxigênio e outras impurezas na rede de cristal. Embora as técnicas avançadas de purificação possam ser usadas para reduzir os níveis de impureza, é difícil eliminar completamente as impurezas introduzidas pelo Crucible.
Por outro lado, o processo de FZ é cadinho - livre, o que reduz significativamente o risco de contaminação. Como não há contato com um cadinho, os lingotes de silício FZ têm níveis de oxigênio e impureza de carbono muito mais baixos. Essa alta pureza torna os lingotes de silício FZ ideais para aplicações que requerem níveis de impureza extremamente baixos, como dispositivos de alta frequência, radiação - dispositivos rígidos e certos tipos de sensores.
Resistividade
A resistividade é outra propriedade importante dos lingotes de silício, que está intimamente relacionada à concentração de impureza e ao tipo de doping.
Os lingotes de silício CZ podem ser facilmente dopados para obter uma ampla gama de resistividades. Ao adicionar diferentes tipos e quantidades de dopantes ao silício derretido no cadinho, é possível produzir lingotes de silício CZ com resistividades que variam de alguns miliohms - centímetros a vários milhares de ohms - centímetros. Essa flexibilidade no controle de resistividade torna os lingotes de silício CZ adequados para uma variedade de aplicações de semicondutores, incluindo circuitos integrados, células solares e dispositivos de potência.
Os lingotes de silício de FZ, devido à sua alta pureza, geralmente têm uma distribuição de resistividade mais uniforme em comparação com os lingotes de silício CZ. No entanto, alcançar resistividades muito baixas em lingotes de silício de FZ pode ser mais desafiador. O processo de doping no método FZ é mais complexo e menos preciso do que no método CZ. Como resultado, os lingotes de silício de FZ são frequentemente usados em aplicações que requerem silício de alta resistividade, como substratos detectores para experimentos de física de alta energia e certos tipos de transistores de alto desempenho.
Densidade de defeitos
A densidade de defeitos é uma consideração importante na fabricação de semicondutores, pois os defeitos podem afetar o desempenho e a confiabilidade dos dispositivos semicondutores.
Os lingotes de silício CZ tendem a ter uma densidade de defeitos mais alta em comparação com os lingotes de silício de FZ. O estresse térmico durante o processo de crescimento da CZ, bem como a incorporação de impurezas, pode levar à formação de vários tipos de defeitos, como deslocamentos, falhas de empilhamento e precipita oxigênio. Esses defeitos podem atuar como centros de recombinação para transportadoras de cobrança, reduzindo a vida útil da transportadora e degradando o desempenho de dispositivos semicondutores.
Os lingotes de silício de FZ, com seu processo de crescimento mais controlado e níveis mais baixos de impureza, geralmente têm uma menor densidade de defeitos. A ausência de um cadinho e as condições térmicas relativamente suaves durante o processo FZ resultam em uma estrutura cristalina mais perfeita. Essa baixa densidade de defeitos torna os lingotes de silício de FZ adequados para aplicações que requerem silício de cristal único de alta qualidade, como circuitos integrados de alta velocidade e células solares de alta eficiência.
Custo
O custo é um fator importante na seleção de lingotes de silício para aplicações de semicondutores.
O método CZ é uma tecnologia mais madura e amplamente usada, que permite a produção em massa de lingotes de silício de grande diâmetro a um custo relativamente baixo. O equipamento para o crescimento do cristal CZ está bem desenvolvido e o processo de produção pode ser facilmente automatizado, resultando em alta eficiência de produção e baixos custos unitários.
O método FZ, por outro lado, é mais complexo e menos adequado para a produção em massa. A taxa de crescimento dos lingotes de silício de FZ é mais lenta que a dos lingotes de silício CZ, e o equipamento para o crescimento do cristal de FZ é mais caro. Além disso, a dificuldade de crescer lingotes grandes - diâmetro no processo de FZ aumenta ainda mais o custo. Como resultado, os lingotes de silício de FZ geralmente são mais caros que os lingotes de silício CZ e são normalmente usados em aplicações altas - onde o alto custo pode ser justificado pelo desempenho superior.
Aplicações
As diferenças de pureza, resistividade, densidade de defeitos e custo entre os lingotes de silício FZ e CZ levam a diferentes áreas de aplicação.
Os lingotes de silício CZ são amplamente utilizados na indústria de semicondutores para a produção de circuitos integrados, células solares e dispositivos de potência. Seu custo relativamente baixo, ampla gama de controle de resistividade e capacidade de crescer grandes - lingotes de diâmetro os tornam adequados para aplicações de produção em massa. Por exemplo, a maioria dos microprocessadores e chips de memória em computadores modernos é feita a partir de bolachas de silício CZ.
Os lingotes de silício de FZ são usados principalmente em aplicações de alta e extremidade que requerem alta pureza, alta resistividade e baixa densidade de defeitos. Algumas das aplicações típicas incluem dispositivos de alta frequência, radiação - dispositivos rígidos, substratos detectores para experimentos de física de alta energia e certos tipos de sensores. Por exemplo, em detectores de partículas usados em experimentos de física de alta energia, a alta pureza e a baixa densidade de defeitos do silício de FZ são essenciais para detectar e medir partículas com precisão.
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Referências
- "Silicon Materials Science and Technology", de Sm Sze e Kwok K. Ng
- "Tecnologia de fabricação de semicondutores", de Peter Van Zant
- "Handbook of Semiconductor Silicon Technology", de William C. O'Mara, Robert B. Herring e Lee P. Hunt