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

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?

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.

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.

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.

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.

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