Criação do Cristal Monocristalino de Silício

O silício monocristalino é comumente usado na indústria de circuitos integrados (CI) e na indústria de energia solar. Na indústria solar, os wafers (tradução livre do inglês: bolachas) monocristalinos resultam em maior eficiência que as multicristalinas.   O componente básico para qualquer chip é o wafer de silício que é obtido através da fusão do silício junto com os materiais que permitirão sua dopagem posteriormente. O silício é um dos materiais mais abundantes da natureza, o grande problema é que os wafers de silício precisam ser compostos de silício 99,9999% puro, o que demanda um caro e complicado processo de purificação. Qualquer impureza que passe despercebida nessa fase acabará resultando em um chip defeituoso mais adiante. Inicialmente são produzidos cilindros (Figura 1) com de 20 a 30 centímetros de diâmetro, que são posteriormente cortados em fatias bastante finas: Essas "fatias" são polidas e tratadas, obtendo os wafers de silício (Figura 2). A qualidade do wafer determinará o tipo de chip que poderá ser construído com base nele. Wafers de baixa qualidade, usados para construir circuitos rudimentares, com poucos milhares de transístores, podem ser comprados a preços bastante baixos, a partir de milhares de fornecedores diferentes. Entretanto, para produzir um processador moderno, é preciso utilizar wafers de altíssima qualidade, que são extremamente caros. Embora o silício seja um material extremamente barato e abundante, toda a tecnologia necessária para produzir os wafers faz com que eles estejam entre os produtos mais caros produzidos pelo homem. Cada wafer de 30 centímetros custa mais de 20 mil dólares para um fabricante como a Intel, mesmo quando comprados em grande quantidade. Cada wafer é usado para produzir vários processadores, que no final da produção são separados e encapsulados individualmente. Não seria possível mostrar todos os processos usados na fabricação de um processador, mas para lhe dar uma boa idéia de como eles são produzidos, segue vídeo da Intel que mostra o passo a passo de produção dos processadores que são comercializados pela mesma: https://www.youtube.com/watch?v=Q5paWn7bFg4

Processo de fabricação do cristal: Czochralski Silício semicondutor de alto grau de pureza (com somente poucas partes por milhão em impurezas) é derretido em um forno de alta temperatura, geralmente confeccionado em quartzo. Átomos de impurezas dopantes (em geral fósforo e boro) podem ser adicionados ao silício intrínseco derretido em quantidades bastante precisas, modificando-o em silício tipo-p ou tipo-n. Isso influencia a condutividade elétrica do silício. Um cristal semente, na extremidade de uma vara, é imerso em silício derretido. A vara com o cristal semente é posta a descer e subir ao mesmo tempo em que gira. Por meio do controle preciso dos gradientes de temperatura, da velocidade de rotação da vara e da taxa de translação, é possível extrair um grande lingote cilíndrico de monocristal. A ocorrência de instabilidades indesejadas pode ser evitada monitorando-se cuidadosamente os campos de temperatura e velocidade durante o processo de crescimento do cristal. O processo geralmente é realizado em uma atmosfera inerte, como argônio, e em uma câmara inerte, como as de quartzo. Devido a complexidade, foi inserido uma imagem que exemplifica um esquema simplificado de um forno de crescimento Czocralski.

Bibliografias: https://www.hardware.com.br/termos/wafer-de-silicio https://chasqueweb.ufrgs.br/~hklimach/E061/Trabalho_1/trabalho_wafers.pdf https://www.youtube.com/watch?v=Q5paWn7bFg4 https://www.lumasenseinc.com/BR/solutions/advanced-technology/additional-advanced-technology-applications/crystal-growth/single-crystal-silicon/silcio-monocristalino.html