از ماسه تا اسپلیتر فیبر نوری (قسمت اول: ساخت ویفر)

از ماسه تا اسپلیتر فیبر نوری (قسمت اول: ساخت ویفر)

سیلیسیوم که به انگلیسی سیلیکون نامیده می شود بعد از اکسیژن فراوان ترین ماده در پوسته زمین است. ماسه دارای درصد بالایی از سیلیکون به شکل دی اکسید سیلیکون (SiO۲) است، ماده ای که در تولید چیپ های اسپلیتر فیبر نوری نقشی حیاتی و پایه ای دارد.

 

 

شکل زیر سیلیکون خالص را نشان می دهد. در این مقاله به فرآیند تولید ویفرهای سیلیکونی برای تولید اسپلیترهای فیبر نوری خواهیم پرداخت.

 

 

 

 

ما FTTH را مدیون ستارگان هستیم!

هیدروژن و هلیوم فراوان ترین مواد موجود در جهان هستند. این در حالی است که به لحاظ جرمی، سیلیکون تنها ۰/۱ (یک دهم) درصد از جهان را تشکیل داده است. این عنصر عمدتا از همجوشی دو هسته اکسیژن در دماهای بیشتر از ۱۰۹ کلوین و در  هسته ستارگانی که هشت برابر خورشید جرم داشته باشند، ایجاد می شود. سیلیکون ایجاد شده در هسته چنین ستاره ای بعد از پایان عمر آن و انفجار ستاره، به بیرون پرتاب می شود و سیلیکون موجود در زمین یادگار انفجار چنین ستارگانی بوده است. ۱۷% از کل کره زمین از سیلیکون تشکیل شده است و سومین ماده به لحاظ فراوانی در کره زمین بعد از آهن و اکسیژن است. ۷% از هسته زمین نیز از سیلیکون تشکیل شده است و بعد از آهن دومین ماده فراوان در هسته زمین است. پوسته ۴۰ کیلومتری زمین نیز دارای ۲۸% سیلیکون است که بعد از اکسیژن فراوان ترین ماده در پوسته زمین به شمار می رود. کوارتز که همان بلور SiO۲ است، ماده اولیه برای تولید سیلیکون است. ماده ای که در ماسه فراوان است.

 

 

استحصال سیلیکون خالص از ماسه

 

سیلیسیوم که به انگلیسی سیلیکون نامیده می شود، بعد از اکسیژن فراوان ترین ماده در پوسته زمین است. ماسه دارای درصد بالایی از سیلیکون به شکل دی اکسید سیلیکون (SiO۲) است ، ماده ای که در تولید چیپ های اسپلیتر فیبر نوری نقشی حیاتی و پایه ای دارد. کوارتز موجود در ماسه در یک کوره قوس الکتریکی در دماهای بالاتر از ۱۹۰۰ درجه سانتی گراد توسط واکنش کاهشی کربن به سیلیکون با خلوص ۹۸% تبدیل می شود. قسمت عمده تولیدات این ماده در جهان که در سال ۲۰۰۸ حدود ۶ میلیون تن بوده است، برای تولید آلیاژهای آلومینیوم و استیل و نیز به عنوان ماده خام برای تولید پلی سیلکسان مورد استفاده قرار می گیرد. در سال ۲۰۱۰ تولید ویفر سیلیکون منجر به مصرف ۲۰۰ کیلوتن سیلیکون خالص شده است. تقریبا ۹۰% از این مقدار ویفر تولید شده برای تولید سلول های خورشیدی استفاده می شود و ۱۰ درصد باقیمانده که معادل مساحتی بالغ بر ۵ کیلومتر مربع می شود، در صنعت نیمه رسانا و اسپلیترهای فیبر نوری مورد استفاده قرار می گیرد.

 

 

غلظت ناخالصی موجود در سیلیکون استحصال شده از ماسه، از نظر بزرگی چندین مرتبه بیشتر از غلظت مورد نیاز در صنعت سلول های خورشیدی و میکروالکترونیک است. بنابراین این سیلیکون باید خالص سازی شود. خالص سازی پلی سیلیکون تا زمانی که مواد ناخالصی کمتر از چند جزء در میلیارد یا ppb (Point Per Billion)  شود ادامه می یابد. برای انجام فرآیند خالص سازی، پلی سیلیکون به همراه بور (B) و فسفر (P) در یک بوته سیلیکونی قرار داده می شود و در دمای حدود ۱۴۲۰ درجه سانتیگراد ذوب می شوند. ناخالصی های بور و فسفر به این دلیل اضافه می شوند که مقاومت الکتریکی نیمه هادی نهایی را تنظیم کنند. از سیلیکون خالص تا شمش سیلیکون بعد از استحصال سیلیکون از ماسه و خالص سازی آن، محصولی پدید می آید که دارای نظم بلورین نیست و باید آن را به شمش تبدیل کرد. شکل زیر سه مرحله مورد نیاز برای تبدیل این ماده به شمش نهایی را نشان می دهد.

 

اولین مرحله برای تولید شمش این است که تکه های سیلیکون خالص را درون کوره ای مخصوص ریخته و با حرارت آن را ذوب می کنند. شکل زیر نشان دهنده این مرحله است.

 

شمش های سیلیکونی تک کریستال توسط تکنیک رشد کریستال که CZ (Czochralski) نام دارد ساخته می شوند. در این روش یک تک کریستال با همان ساختار و جهت هسته اولیه ایجاد می شود. بعد از ذوب شدن کامل پلی سیلیکون، یک میله بلورین از جنس سیلیکون به نام هسته در بالای سطح سیلیکون مذاب موجود در بوته قرار داده می شود. هسته اولیه کریستال می تواند جهت های مختلفی مثل <100>، <110> و یا <111> داشته باشد. این هسته در حالی که چرخانده می شود، با سرعتی در حدود چند سانتی متر در ساعت از ماده مذاب بیرون کشیده می شود. سرعت بیرون کشیدن هسته تعیین کننده قطر نهایی شمش خواهد بود و علت چرخش نیز بهبود یکنواختی کریستال است. نتیجه این فرآیند یک شمش تک کریستال است که دارای اتم های هم جهت با اتم های کریستال هسته می باشد.

 

سیلیکون موجود در ماسه طی چندین مرحله خالص سازی می شود به طوری که در میان یک میلیارد اتم سیلیکون، تنها یک اتم ناخالصی وجود داشته باشد. این شکل چگونگی رشد یک کریستال بزرگ از سیلیکون خالص شده مذاب را نشان می دهد. این تک کریستال شمش نامیده می شود. قبل از این که رشد کریستال به پایان برسد، سرعت بیرون کشیدن شمش به طور یکنواخت افزایش می یابد تا قطر شمش به صفر برسد. این کار کمک می کند تا از اعمال تنش های حرارتی که ممکن است بواسطه قطع ناگهانی فرآیند بر شمش وارد شود و موجب خرابی کریستال شود، جلوگیری به عمل آید؛ به همین خاطر است که شاهد وجود تیزی در دو انتهای شمش هستیم.

 

 

وزن هر شمش حدود ۱۰۰ کیلوگرم و قطر آن ۳۰ سانتی متر است. خلوص سیلیکون موجود در این شمش ۹۹۹۹۹۹۹/۹۹ درصد است. شکل زیر خلاصه این مراحل را نشان می دهد.

 

فرآیند بدست آوردن ویفر از درون شمش

شمش تک کریستال ساخته شده توسط فرآیند CZ از شش مرحله کنترل شده و دقیق عبور می کند تا به ویفرهای پالیش خورده تبدیل شود. 

 

۱- سایش

برای رساندن شمش تولید شده در فرآیند CZ به قطر دلخواه، آن را توسط یک نوار اره می سایند تا به قطر مورد نظر برسد. در این مرحله ابتدا محیط بیرونی شمش که غیریکنواخت است، به یک استوانه با قطر یکسان و یکنواخت تبدیل می شود. به منظور مشخص کردن جهت کریستال در شمش های کوچکتر از ۸ اینچ، یک پخ مسطح در محیط بیرونی کریستال بوجود می آورند. برای نشان دادن جهت کریستال در شمش های بزرکتر از ۸ اینچ، تنها از یک حفره طولی در محیط شمش استفاده می کنند زیرا ایجاد پخ مسطح در شمش های بزرگ موجب اتلاف زیاد شمش خواهد شد.

 

 

۲- ورقه ورقه کردن

پس از مرحله قبل، شمش توسط تیغه های بسیار دقیق و تیز و یا اره های سیمی مخصوص به ورقه های ویفر برش داده می شود. دو روش برای برش شمش وجود دارد:

برش توسط تیغ اره های حلقوی

برای برش شمش و تولید ویفر می توان از تیغ اره های حلقوی که لبه های آن با دانه های تیز الماس پوشیده شده استفاده کرد. بعد از انجام این کار، سطوح ویفر تقریبا صاف و یکنواخت خواهد بود، بنابراین مرحله بعدی که لایه برداری است به زمان کمتری نیاز خواهد داشت. با این وجود، از آنجایی که تنها یک ویفر به ازای هر تیغه می تواند بریده شود، خروجی این روش بسیار پایین خواهد بود و بنابراین ویفرهای تولیدی در این روش گران تر از ویفرهای تولید شده توسط برش سیمی که در ادامه توضیح داده می شود خواهند بود. شمش تولید شده توسط یک تیغه مخصوص به تعداد زیادی دیسک سیلیکونی که ویفر نامیده می شود، برش می خورد. ضخامت هر ویفر حدود ۱ میلیمتر است.

 

 

 

 

برش توسط اره سیمی

به منظور افزایش ظرفیت ویفر خروجی، اره های سیمی که از تعداد زیادی سیم موازی تشکیل شده است، مورد استفاده قرار می گیرند. در این روش تعداد زیاد ویفر به طور همزمان برش می خورند. این سیستم شامل ۱۰۰ کیلومتر سیم استیل با کیفیت بالا به قطر ۱۰۰ تا ۲۰۰ میکرومتر است که پیرامون رول های چرخشی قرار گرفته است و با سرعتی در حدود ۱۰ متر بر ثانیه بر روی شمش شیار ایجاد می کند. مزیت این روش در آن است که صدها ویفر می تواند به طور همزمان برش بخورد. اما عیب این روش آن است که سطوح ایجاد شده در ویفرها نسبت به خروجی روش تیغ اره، یکنواختی و صافی سطح کمتری دارند بنابراین مرحله بعدی لایه برداری مدت زمان بیشتری طول خواهد کشید. شکل زیر نمایی از ابزارهای مورد استفاده در برش سیمی را نشان می دهد.

 

 

 

 

شکل زیر ویفرهای تولید شده از فرآیند برش سیمی را نشان می دهد.

 

 

 

۳- لایه برداری ویفرهای برش خورده

در دستگاه لایه بردار بوسیله پودر آلومینا تا ضخامت دلخواه نازک می شوند و علاوه بر این، موازی بودن دو طرف آن نیز در این مرحله بهبود می یابد و سطوحی که در فرآیند برش آسیب دیده باشند حذف و برداشته می شوند.

 

 

 

۴- اچینگ

فرآیند برش و لایه برداری موجب کاهش کیفیت ساختار کریستالی سطوح سیلیکونی می شوند. بنابراین ویفرها در این مرحله در محلول های اچینگ مثل KOH یا HNO۳ و HF قرار داده می شوند تا سطوح آسیب دیده از بین بروند.

 

 

 

۵- پالیش

به منظور دستیابی به ویفری بسیار صاف و آینه ای که صافی سطحی در مقیاس اتمی داشته باشد، ویفرها پالیش داده می شوند. فرآیند پالیش ویفر شامل چند مرحله است که در هر مرحله پودرهای خاصی مثل Al۲O۳، SiO۲ یا CeO۲ با ابعاد ۱۰ تا ۱۰۰ نانومتر مورد استفاده قرار می گیرند. این پودرها با فشار مکانیکی و یا به کمک مواد شیمیایی بین دو سطح دوار تزریق می شوند تا سطح ویفرها را جلا دهند.

 

 

 

ویفرها بعد از برش آنقدر پالیش می خورند تا سطح آن ها کاملا آینه ای و بدون عیب شود.

 

۶- تمیزکاری و نظارت

سرانجام ویفرها توسط مواد شیمیایی بسیار خالص تمیز می شوند تا مواد باقیمانده از مرحله پالیش از سطح آن جدا شوند.

 

 

 

** حقوق مالکیت این اثر متعلق به شرکت دیاکو ارتباطات آریا می باشد و نقل مطالب آن با ذکر منبع بلامانع است.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *