Nauka

Wynaleziono tani sposób wytwarzania kryształów krzemowych - czy jednak na pewno?

przeczytasz w 3 min.

Kto skorzysta na oszczędnościach?

Kryształy Krzem

Technologia wytwarzania układów elektronicznych bazująca na krzemie nadal ma się dobrze. Produkowane na bazie krzemowych wafli układy doczekały się w ostatnich latach istotnych usprawnień, zwłaszcza dla branży mobilnej, takich jak tranzystory FinFET. I to w obliczu odkrycia grafenu (wytworzono nawet wafel grafenowy). Trzeba jednak coś uczynić, by technologia krzemowa była konkurencyjna w przyszłości.

Niekoniecznie trzeba sięgać od razu po alternatywne dla grafenu materiały, takie jak silicen. Najpierw wystarczy obniżenie kosztów produkcji. Pośrednio pomóc może zastosowanie 450 mm wafli krzemowych. Nadzieje pokładane są także w nowatorskich, a zarazem tanich, technikach wytwarzania kryształów czystego krzemu. Jedna z nich opracowana na Uniwersytecie w Michigan pozwala produkować kryształy w niskich temperaturach. Czy jednak na pewno jej zastosowanie odczują nasze kieszenie?

Piasek

Krzem, a właściwie dwutlenek krzemu, stanowi aż 40% składu skorupy ziemskiej. Gdzie się nie spojrzeć, możemy zobaczyć dwutlenek krzemu, czyli piasek, w bardziej lub mniej czystej postaci, ale droga do kryształu krzemu jest daleka i najeżona przeszkodami. Ostateczny produkt - wafle krzemowe - to pocięty na plasterki pojedynczy kryształ krzemu. Porównajcie to do rozmiaru kryształków cukru i zrozumiecie w czym problem.

Najpopularniejszą techniką wytwarzania bardzo czystych polikryształów krzemu (o czystości > 99,9999999%) jest tak zwany proces Siemensa (1953). Jako wady tej technologii przytaczane są duże nakłady energetyczne wiążące się z wymogiem zapewnienia temperatury około 1100 stopni Celsjusza (do której rozgrzewane są poprzez przepływ prądu pręty krzemowe na których narasta kryształ). W tym procesie wytwarzane są kryształy, które cechuje dość duża niejednorodność.

Krzem polikryształ
Polikryształ krzemu. (foto: Warut Roonguthai/wikipedia
)

Monokryształy krzemu o bardzo dużej jednorodności i kształcie walca wytwarzane są z kolei w procesie Czochralskiego (1916) z roztopionego krzemu polikrystalicznego lub w procesie topienia strefowego (float-zone), dla którego wyjściowym materiałem są walce czystego polikrystalicznego krzemu. Tak wytworzony monokryształ, o wadze ponad 200 kilogramów, jest potem cięty na cienkie plastry i polerowany. Na tym etapie wytwarzania wafli krzemowych trzeba się liczyć ze stratami materiału, które sięgają nawet 50%.

Stephen Maldonado z Uniwersytetu w Michigan dąży do uproszczenia procesu wytwarzania kryształów czystego krzemu. Kluczem do sukcesu jest obniżenie temperatury w jakiej powstają kryształy do poziomu 82,2 stopnia Celsjusza. Jak podkreślają badacze, w nowym procesie jest wytwarzane znacznie mniej szkodliwego dwutlenku węgla.

Kryształy krzem wytwarzanie
Po lewej przed rozpoczęciem krystalizacji, po prawej po wytworzeniu kryształów krzemu.

Stephen Maldonado tak opisuje odkrycie. "Gdy w wodzie rozpuszczono tak dużo cukru, że roztwór staje się przesycony, to może zajść zjawisko spontanicznego powstawania dużych kryształów cukru. My zamiast wody wykorzystaliśmy ciekły metal, a zamiast cukru użyliśmy krzemu". Jak widać, inspiracji można szukać cofając się pamięcią do lat szkolnych lub myszkując w kuchni.

Brzmi prosto, ale w praktyce jest to bardziej skomplikowane. Naukowcy wykorzystali czterochlorek krzemu (SiCl4) w roztworze umieszczonym na elektrodzie, którą stanowiła warstwa ciekłego galu (Ga(l)). Dostarczone przez ten metal elektrony pozwoliły przetworzyć krzem zawarty w czterochlorku do postaci czystego krzemu, który rozpuścił się w galu, a następnie skrystalizował do postaci cienkiej ciemnej warstwy na powierzchni elektrody. Zastosowanie galu, który ma niską temperaturę topnienia, jest kluczem do obniżenia temperatury całego procesu. Prowadzone są eksperymenty również z innymi ciekłymi metalami o podobnych właściwościach.

Krystalizacja Krzem niska temperatura
Schemat prezentujący proces krystalizacji krzemu.

Naukowcy cieszą się jak dzieci, ale jednocześnie tonują optymizm. Marzy im się komercjalizacja procesu niskotemperaturowego wytwarzania kryształów czystego krzemu, a nawet jego uproszczenie z perspektywy liczby koniecznych reakcji chemicznych. Jednakże obecnie powstające kryształy, choć o regularnej strukturze, mają jedynie 500 nm (1/2000 milimetra) średnicy. Naukowcy żywią nadzieję na skalowanie się technologii tak, by umożliwiła ona powstawanie kryształów w skali makroskopowej.

Ogniwo słoneczne polikryształy krzemu
Pierwszym beneficjentem nowej technologii byłaby branża energetyczna wykorzystująca fotoogniwa słoneczne. (foto: Schott)

Trudno przewidzieć, czy technologia znajdzie zastosowanie podczas wytwarzania tradycyjnych wafli krzemowych. Być może, zanim zostanie dopracowana, branżę elektroniki użytkowej zdominują lepsze rozwiązania. Z drugiej strony, historia pokazuje, że człowiek lubi trzymać się sprawdzonych pomysłów, nawet w obliczu atrakcyjnych alternatyw. Może dni krzemu nie są jeszcze policzone. Ba, jesteśmy przekonani, że krzem w takiej czy innej postaci odegra jeszcze ważną rolę w elektronice.

Źródło: University of Michigan, JACS, Intel

Komentarze

27
Zaloguj się, aby skomentować
avatar
Komentowanie dostępne jest tylko dla zarejestrowanych użytkowników serwisu.
  • avatar
    Konto usunięte
    7
    Szybko to napisaliście, news na "czasie".
    • avatar
      Konto usunięte
      3
      ludzie po co to się kłócić o bzdury, nie pasuję to nie wchodź na benchamrk jest w uj innych stron.. jeśli jednak lubisz ten portal to nie dopiertalaj jeden z drugim za szczegóły. realia pracy w czymś takim są dla większości z nas abstrakcją i nie wiemy jakimi torami i kryteriami przy wyborze artykułów kierują się wydawcy. wydaję mi się, że ilość czynników jest tak duża, że czepianie się o datę ukazania się artykułu jest infantylna i zdupy. natomiast jeśli ktoś jest malkontentem bo go tak rodzice wychowali, cóż.... każdego szkoda. kurfa każdy taki ciężki przypadek do redakcji na miesiąc, daje sobie rękę uciąć, że posrał by się jeden z drugim pod presją czasu, przełożonych, konkurencji i krytyki user`uffff. dziękuje
      • avatar
        Kam9000
        2
        Naprawdę wierzycie, że spadną ceny podzespołów (patrz Sonda).
        Ceny pozostaną bez zmian, a zaoszczędzone pieniądze pójdą do czyjejś kieszeni.
        • avatar
          Konto usunięte
          0
          (..)
          HIHIHIHIHIHIH :)))))))))
          • avatar
            Konto usunięte
            -1
            "Czy jednak na pewno?"

            Liczyłem na to, że ktoś się wysili i napisze jakieś dywagacje na ten temat, jakąś małą, ale rzeczową analizę nowej technologii... nie, bo po co? Ważne ze tytuł jest nośny, a pytanie retoryczne. Bardzo słabo.
            • avatar
              Konto usunięte
              -3
              To było na pclabie 3 dni temu (..)> Czas przestać kopiować artykuły z pclaba.

              Witaj!

              Niedługo wyłaczymy stare logowanie.
              Logowanie będzie możliwe tylko przez 1Login.

              Połącz konto już teraz.

              Zaloguj przez 1Login