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1. ¿Por qué silicio para chips?¿Existen materiales que puedan sustituirlo en el futuro?
La materia prima de los chips son las obleas, que están compuestas de silicio.Existe la idea errónea de que "la arena se puede utilizar para hacer astillas", pero no es así.El principal componente químico de la arena es el dióxido de silicio, y el principal componente químico del vidrio y las obleas también es el dióxido de silicio.Sin embargo, la diferencia es que el vidrio es silicio policristalino y calentar arena a altas temperaturas produce silicio policristalino.Las obleas, por otro lado, son silicio monocristalino y, si están hechas de arena, es necesario transformarlas de silicio policristalino a silicio monocristalino.

¿Qué es exactamente el silicio y por qué se puede utilizar para fabricar chips? Lo revelaremos uno por uno en este artículo.

Lo primero que debemos entender es que el material de silicio no es un salto directo al paso del chip, el silicio se refina a partir de arena de cuarzo a partir del elemento silicio, el número de protones del elemento silicio es mayor que el del elemento aluminio y uno menor que el del elemento fósforo. , no sólo es la base material de los modernos dispositivos informáticos electrónicos, sino también las personas que buscan vida extraterrestre como uno de los elementos básicos posibles.Por lo general, cuando el silicio se purifica y refina (99,999%), se puede fabricar en obleas de silicio, que luego se cortan en obleas.Cuanto más fina sea la oblea, menor será el coste de fabricación del chip, pero mayores serán los requisitos para el proceso del chip.

Tres pasos importantes para convertir el silicio en obleas

Específicamente, la transformación de silicio en obleas se puede dividir en tres pasos: refinado y purificación del silicio, crecimiento de silicio monocristalino y formación de obleas.

En la naturaleza, el silicio se encuentra generalmente en forma de silicato o dióxido de silicio en arena y grava.La materia prima se coloca en un horno de arco eléctrico a 2000°C y en presencia de una fuente de carbono, y la alta temperatura se utiliza para hacer reaccionar dióxido de silicio con carbono (SiO2 + 2C = Si + 2CO) para obtener silicio de grado metalúrgico ( pureza alrededor del 98%).Sin embargo, esta pureza no es suficiente para la preparación de componentes electrónicos, por lo que es necesario purificarla aún más.El silicio de grado metalúrgico triturado se clora con cloruro de hidrógeno gaseoso para producir silano líquido, que luego se destila y se reduce químicamente mediante un proceso que produce polisilicio de alta pureza con una pureza del 99,9999999999 % como silicio de grado electrónico.

Entonces, ¿cómo se obtiene silicio monocristalino a partir de silicio policristalino?El método más común es el método de extracción directa, en el que se coloca polisilicio en un crisol de cuarzo y se calienta con una temperatura de 1400 °C mantenida en la periferia, lo que produce una masa fundida de polisilicio.Por supuesto, esto va precedido de sumergir un cristal semilla en él y hacer que la varilla de extracción lleve el cristal semilla en la dirección opuesta mientras lo tira lenta y verticalmente hacia arriba desde la masa fundida de silicio.El silicio policristalino fundido se adhiere al fondo del cristal semilla y crece hacia arriba en la dirección de la red cristalina semilla, que después de ser extraído y enfriado crece hasta convertirse en una barra de cristal único con la misma orientación de red que el cristal semilla interior.Finalmente, las obleas monocristalinas se voltean, se cortan, se muelen, se biselan y se pulen para producir las importantes obleas.

Dependiendo del tamaño del corte, las obleas de silicio se pueden clasificar en 6", 8", 12" y 18".Cuanto mayor sea el tamaño de la oblea, más chips se pueden cortar de cada oblea y menor será el costo por chip.
2.Tres pasos importantes en la transformación del silicio en obleas

Específicamente, la transformación de silicio en obleas se puede dividir en tres pasos: refinado y purificación del silicio, crecimiento de silicio monocristalino y formación de obleas.

En la naturaleza, el silicio se encuentra generalmente en forma de silicato o dióxido de silicio en arena y grava.La materia prima se coloca en un horno de arco eléctrico a 2000°C y en presencia de una fuente de carbono, y la alta temperatura se utiliza para hacer reaccionar dióxido de silicio con carbono (SiO2 + 2C = Si + 2CO) para obtener silicio de grado metalúrgico ( pureza alrededor del 98%).Sin embargo, esta pureza no es suficiente para la preparación de componentes electrónicos, por lo que es necesario purificarla aún más.El silicio de grado metalúrgico triturado se clora con cloruro de hidrógeno gaseoso para producir silano líquido, que luego se destila y se reduce químicamente mediante un proceso que produce polisilicio de alta pureza con una pureza del 99,9999999999 % como silicio de grado electrónico.

Entonces, ¿cómo se obtiene silicio monocristalino a partir de silicio policristalino?El método más común es el método de extracción directa, en el que se coloca polisilicio en un crisol de cuarzo y se calienta con una temperatura de 1400 °C mantenida en la periferia, lo que produce una masa fundida de polisilicio.Por supuesto, esto va precedido de sumergir un cristal semilla en él y hacer que la varilla de extracción lleve el cristal semilla en la dirección opuesta mientras lo tira lenta y verticalmente hacia arriba desde la masa fundida de silicio.El silicio policristalino fundido se adhiere al fondo del cristal semilla y crece hacia arriba en la dirección de la red cristalina semilla, que después de ser extraído y enfriado crece hasta convertirse en una barra de cristal único con la misma orientación de red que el cristal semilla interior.Finalmente, las obleas monocristalinas se voltean, se cortan, se muelen, se biselan y se pulen para producir las importantes obleas.

Dependiendo del tamaño del corte, las obleas de silicio se pueden clasificar en 6", 8", 12" y 18".Cuanto mayor sea el tamaño de la oblea, más chips se pueden cortar de cada oblea y menor será el costo por chip.

¿Por qué el silicio es el material más adecuado para fabricar chips?

Teóricamente, todos los semiconductores pueden usarse como materiales para chips, pero las razones principales por las que el silicio es el material más adecuado para fabricar chips son las siguientes.

1, según la clasificación del contenido elemental de la Tierra, en orden: oxígeno > silicio > aluminio > hierro > calcio > sodio > potasio... Se puede ver que el silicio ocupa el segundo lugar, el contenido es enorme, lo que también permite que chip para tener un suministro casi inagotable de materias primas.

2, las propiedades químicas del elemento de silicio y las propiedades del material son muy estables, el primer transistor es el uso de materiales semiconductores de germanio para fabricar, pero debido a que la temperatura excede los 75 ℃, la conductividad será un gran cambio, convertido en una unión PN después de lo contrario. corriente de fuga de germanio que de silicio, por lo que la selección del elemento de silicio como material de chip es más apropiada;

3, la tecnología de purificación de elementos de silicio es madura y de bajo costo; hoy en día, la purificación de silicio puede alcanzar el 99,9999999999%.

4, el material de silicio en sí no es tóxico e inofensivo, lo que también es una de las razones importantes por las que se elige como material de fabricación para chips.