Метод Чохральського. Технологія вирощування монокристалів кремнію і германія

Цей процес був названий на честь видатного польського вченого і підданого Російської імперії Яна Чохральського, який винайшов його в далекому 1915 році. Відкриття сталося випадково, хоча сам інтерес Чохральського до кристалам, зрозуміло, не був випадковим, адже він дуже щільно вивчав геологію.

Застосування

Мабуть, самою головною сферою застосування цього методу є промисловість, особливо важка. У промисловості його до цих пір використовують для штучної кристалізації металів і інших речовин, чого не можна домогтися яким-небудь іншим способом. У цьому відношенні метод довів свою майже абсолютну безальтернативність і універсальність. Кремній

Монокристалічний кремній - моно-Si. У нього є й інша назва. Кремній, вирощений методом Чохральського - Cz-Si. Тобто кремній Чохральського. Це основний матеріал у виробництві інтегральних схем, що використовуються в комп'ютерах, телевізорах, мобільних телефонах і всіх типах електронного обладнання та напівпровідникових приладів. Кристали кремнію також використовуються у великих кількостях фотоелектричної промисловості для виробництва звичайних моно-Si-сонячних елементів. Майже ідеальна кристалічна структура дає найвищу ефективність перетворення світла в електрику для кремнію.

Плавлення

Високочистий напівпровідниковий кремній (всього декілька частин на мільйон домішок) розплавляється у тиглі при 1425 °C (2,597 °F, 1,698 K), зазвичай з кварцу. Присадні домішкові атоми, такі як бор або фосфор, можуть бути додані до розплавленого кремнію в точній кількості для легування, тим самим змінюючи його на кремній типу p або n з різними електронними властивостями. Точно орієнтований стрижень-насіннєвий кристал занурюється в розплавлений кремній. Шток насіннєвого кристала повільно піднімається вгору і обертається одночасно. Завдяки точному регулюванню градієнтів температури, швидкості витягування і швидкості обертання можна витягти великий монокристалічний циліндричний злиток з розплаву. Виникнення небажаних нестійкостей у розплаві можна уникнути, досліджуючи і візуалізуючи поля температури і швидкості. Цей процес зазвичай проводять в інертній атмосфері - такий, як аргон, в інертному камері - такий, як кварц.

Промислові тонкощі

З-за ефективності спільних характеристик кристалів в напівпровідникової промисловості використовуються кристали зі стандартизованими розмірами. У перші дні їх булі були менше, всього кілька дюймів в ширину. З передовими технологіями виробники високоякісних пристроїв використовують пластини діаметром 200 мм і 300 мм. Ширина контролюється точним регулюванням температури, швидкістю обертання і швидкістю зняття насіннєвого держателя. Кристалічні злитки, з яких нарізаються ці пластини, можуть мати довжину до 2 метрів, вагою кілька сотень кілограмів. Великі пластини дозволяють покращити ефективність виробництва, оскільки на кожній пластині можна виготовити більше чіпів, тому стійкий привід збільшив розміри кремнієвих пластин. Наступний крок вгору, 450 мм, в даний час планується ввести в 2018 році. Кремнієві пластини зазвичай мають товщину близько 0,2-0,75 мм і можуть бути відполіровані до великої площинності для створення інтегральних схем або текстурування для створення сонячних елементів.

Нагрівання

Процес починається, коли камера нагрівається приблизно до 1500 градусів Цельсія, плаве кремній. Коли кремній повністю розплавляється, маленький затравочний кристал, встановлений на кінці обертового вала, повільно опускається до тих пір, поки не виявиться нижче поверхні розплавленого кремнію. Вал обертається проти годинникової стрілки, а тигель - за годинниковою стрілкою. Обертається стрижень потім тягнеться вгору дуже поволі - близько 25 мм на годину при виготовленні кристала рубіна - з утворенням приблизно циліндричної булі. Буль може бути від одного до двох метрів, в залежності від кількості кремнію в тиглі.

Електрична провідність

Електричні характеристики кремнію регулюються шляхом додавання до нього матеріалу, такого як фосфор або бор, перед його розплавленням. Доданий матеріал називається допантом, а процес - допированием. Цей метод також використовується з напівпровідниковими матеріалами, відмінними від кремнію, такими як арсенід галію. Особливості та переваги

Коли кремній вирощують за методом Чохральського, розплав міститься в тиглі кремнезему. Під час росту стінки тигля розчиняються в розплаві, а одержуване речовина містить кисень при типовій концентрації 1018 см-3. Кисневі домішки можуть надавати корисні або шкідливі ефекти. Ретельно вибрані умови відпалу можуть призводити до утворення кисневих опадів. Вони впливають на захоплення небажаних домішок перехідних металів в процесі, відомому як геттерирование, покращуючи чистоту навколишнього кремнію. Однак утворення осаду кисню в небажаних місцях може також руйнувати електричні структури. Крім того, домішки кисню можуть поліпшити механічну міцність кремнієвих пластин шляхом іммобілізації будь-яких дислокацій, які можуть бути введені під час обробки пристрою. У 1990-х роках було експериментально показано, що висока концентрація кисню також корисна для радіаційної твердості кремнієвих детекторів частинок, що використовуються в суворих радіаційних умовах (таких як проекти LHC/HL-LHC CERN). Тому радіаційні детектори з кремнію, вирощеного методом Чохральського, вважаються перспективними кандидатами на участь у багатьох майбутніх експериментах з фізики високих енергій. Було також показано, що присутність кисню в кремнії збільшує захоплення домішки в процесі після імплантації відпалу.

Проблеми реакції

Однак домішки кисню можуть вступати в реакцію з бором в освітленій середовищі. Це призводить до утворення електрично активного бор-кисневого комплексу, який знижує ефективність клітин. Вихід модуля падає приблизно на 3 % протягом перших декількох годин освітлення.

Концентрація домішки в твердому кристалі, що є результатом заморожування обсягу, може бути отримана з розгляду коефіцієнта сегрегації. Вирощування кристалів

Вирощування кристалів - це процес, в якому вже існував кристал стає більше по мірі збільшення кількості молекул або іонів у їх положення в кристалічній решітці, або розчин перетворюється в кристал, і подальше зростання обробляється. Метод Чохральського є однією з форм цього процесу. Кристал визначається як атоми, молекули або іони, розташовані в упорядкованому повторюваному зразку, кристалічна решітка, що розповсюджується у всіх трьох просторових вимірах. Таким чином, зростання кристалів відрізняється від зростання краплі рідини тим, що під час росту молекули або іони повинні потрапляти у правильні положення решітки, щоб впорядкований кристал міг рости. Це дуже цікавий процес, який подарував науці безліч цікавих відкриттів таких, як електронна формула німеччина.

Процес вирощування кристалів здійснюється завдяки спеціальним пристосуванням - колбам і грат, в яких і проходить основна частина процесу кристалізації речовини. Ці пристосування у величезній кількості існують практично на кожному підприємстві, на якому йде робота з металами, мінералами і іншими подібними речовинами. В ході процесу роботи з кристалами на виробництві було скоєно безліч важливих відкриттів (наприклад, згадана вище електронна формула німеччина). Висновок

Метод, якому присвячена ця стаття, відіграв велику роль в історії сучасного промислового виробництва. Завдяки йому люди нарешті навчилися створювати повноцінні кристали кремнію і багатьох інших речовин. Спочатку в лабораторних умовах, а потім і в промислових масштабах. Метод вирощування монокристалів, відкритий великим польським вченим, масово використовується до цих пір. Автор: Сордес Блэкфорд 5 Грудня, 2018

Категория: Новости