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1.Perché il silicio per i chip?Esistono materiali che possano sostituirlo in futuro?
La materia prima per i chip sono i wafer, composti da silicio.C'è un malinteso secondo cui "la sabbia può essere utilizzata per produrre patatine", ma non è così.Il principale componente chimico della sabbia è il biossido di silicio, e anche il principale componente chimico del vetro e dei wafer è il biossido di silicio.La differenza, tuttavia, è che il vetro è silicio policristallino e il riscaldamento della sabbia ad alte temperature produce silicio policristallino.I wafer invece sono di silicio monocristallino e, se sono ricavati dalla sabbia, necessitano di un'ulteriore trasformazione da silicio policristallino a silicio monocristallino.

Cos'è esattamente il silicio e perché può essere utilizzato per realizzare chip, lo sveleremo uno per uno in questo articolo.

La prima cosa che dobbiamo capire è che il materiale in silicio non è un passaggio diretto alla fase del chip, il silicio viene raffinato dalla sabbia di quarzo dell'elemento silicio, il numero protonico dell'elemento silicio rispetto all'elemento alluminio uno in più, rispetto all'elemento fosforo uno in meno , non è solo la base materiale dei moderni dispositivi informatici, ma anche le persone in cerca di vita extraterrestre uno degli elementi fondamentali possibili.Di solito, quando il silicio viene purificato e raffinato (99,999%), può essere prodotto in wafer di silicio, che vengono poi tagliati in wafer.Più sottile è il wafer, minore è il costo di produzione del chip, ma maggiori sono i requisiti per il processo del chip.

Tre passaggi importanti per trasformare il silicio in wafer

Nello specifico, la trasformazione del silicio in wafer può essere suddivisa in tre fasi: raffinazione e purificazione del silicio, crescita del silicio monocristallino e formazione del wafer.

In natura il silicio si trova generalmente sotto forma di silicato o biossido di silicio nella sabbia e nella ghiaia.La materia prima viene posta in un forno elettrico ad arco a 2000°C e in presenza di una fonte di carbonio, e l'alta temperatura viene utilizzata per far reagire il biossido di silicio con il carbonio (SiO2 + 2C = Si + 2CO) per ottenere silicio di grado metallurgico ( purezza intorno al 98%).Tuttavia, questa purezza non è sufficiente per la preparazione di componenti elettronici, quindi deve essere ulteriormente purificata.Il silicio di grado metallurgico frantumato viene clorurato con acido cloridrico gassoso per produrre silano liquido, che viene poi distillato e ridotto chimicamente mediante un processo che produce polisilicio di elevata purezza con una purezza del 99,9999999999% come silicio di grado elettronico.

Allora come si ottiene il silicio monocristallino dal silicio policristallino?Il metodo più comune è il metodo di estrazione diretta, in cui il polisilicio viene posto in un crogiolo di quarzo e riscaldato con una temperatura di 1400°C mantenuta alla periferia, che produce una fusione di polisilicio.Naturalmente, questo è preceduto dall'immersione di un cristallo seme al suo interno e dall'asta di trascinamento che trasporta il cristallo seme nella direzione opposta mentre lo estrae lentamente e verticalmente verso l'alto dal silicio fuso.La fusione di silicio policristallino aderisce al fondo del cristallo seme e cresce verso l'alto in direzione del reticolo cristallino, che dopo essere stato estratto e raffreddato cresce in una barra di cristallo singolo con lo stesso orientamento del reticolo del cristallo seme interno.Infine, i wafer monocristallini vengono burattati, tagliati, macinati, smussati e lucidati per produrre gli importantissimi wafer.

A seconda della dimensione del taglio, i wafer di silicio possono essere classificati come 6", 8", 12" e 18".Maggiore è la dimensione del wafer, maggiore è il numero di chip che possono essere tagliati da ciascun wafer e minore è il costo per chip.
2.Tre passaggi importanti nella trasformazione del silicio in wafer

Nello specifico, la trasformazione del silicio in wafer può essere suddivisa in tre fasi: raffinazione e purificazione del silicio, crescita del silicio monocristallino e formazione del wafer.

In natura il silicio si trova generalmente sotto forma di silicato o biossido di silicio nella sabbia e nella ghiaia.La materia prima viene posta in un forno elettrico ad arco a 2000°C e in presenza di una fonte di carbonio, e l'alta temperatura viene utilizzata per far reagire il biossido di silicio con il carbonio (SiO2 + 2C = Si + 2CO) per ottenere silicio di grado metallurgico ( purezza circa 98%).Tuttavia, questa purezza non è sufficiente per la preparazione di componenti elettronici, quindi deve essere ulteriormente purificata.Il silicio di grado metallurgico frantumato viene clorurato con acido cloridrico gassoso per produrre silano liquido, che viene poi distillato e ridotto chimicamente mediante un processo che produce polisilicio di elevata purezza con una purezza del 99,9999999999% come silicio di grado elettronico.

Allora come si ottiene il silicio monocristallino dal silicio policristallino?Il metodo più comune è il metodo di estrazione diretta, in cui il polisilicio viene posto in un crogiolo di quarzo e riscaldato con una temperatura di 1400°C mantenuta alla periferia, che produce una fusione di polisilicio.Naturalmente, questo è preceduto dall'immersione di un cristallo seme al suo interno e dall'asta di trascinamento che trasporta il cristallo seme nella direzione opposta mentre lo estrae lentamente e verticalmente verso l'alto dal silicio fuso.La fusione di silicio policristallino aderisce al fondo del cristallo seme e cresce verso l'alto in direzione del reticolo cristallino, che dopo essere stato estratto e raffreddato cresce in una barra di cristallo singolo con lo stesso orientamento del reticolo del cristallo seme interno.Infine, i wafer monocristallini vengono burattati, tagliati, macinati, smussati e lucidati per produrre gli importantissimi wafer.

A seconda della dimensione del taglio, i wafer di silicio possono essere classificati come 6", 8", 12" e 18".Maggiore è la dimensione del wafer, maggiore è il numero di chip che possono essere tagliati da ciascun wafer e minore è il costo per chip.

Perché il silicio è il materiale più adatto per realizzare chip?

In teoria, tutti i semiconduttori possono essere utilizzati come materiali per chip, ma i motivi principali per cui il silicio è il materiale più adatto per realizzare chip sono i seguenti.

1, secondo la classifica del contenuto elementare della terra, in ordine: ossigeno > silicio > alluminio > ferro > calcio > sodio > potassio...... puoi vedere che il silicio è al secondo posto, il contenuto è enorme, il che consente anche il chip per avere una riserva quasi inesauribile di materie prime.

2, le proprietà chimiche dell'elemento di silicio e le proprietà dei materiali sono molto stabili, il primo transistor è l'uso di materiali semiconduttori in germanio da produrre, ma poiché la temperatura supera i 75 ℃, la conduttività sarà un grande cambiamento, trasformata in una giunzione PN dopo il contrario corrente di dispersione del germanio rispetto al silicio, quindi la selezione dell'elemento in silicio come materiale del chip è più appropriata;

3, la tecnologia di purificazione degli elementi di silicio è matura e a basso costo, al giorno d'oggi la purificazione del silicio può raggiungere il 99,9999999999%.

4, il materiale siliconico stesso è atossico e innocuo, il che è anche uno dei motivi importanti per cui viene scelto come materiale di produzione per i chip.