Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Кристалл өсіру әдісі
Method of crystal growth
Цохральский әдісі, сондай-ақ Цохральский техникасы немесе Цохральский процесі – жартылай өткізгіштердің (мысалы, кремний, германий және галлий арсениді), металдардың (мысалы, палладий, платина, күміс, алтын), тұздар және синтетикалық асыл тастардан тұратын бір кристаллдар алуға қолданылатын кристалл өсіру әдісі. Бұл әдіс 1915 жылы металдардың кристалдану жылдамдығын зерттеген кезде осы әдістің авторы болған поляк ғалымы Ян Цохральскийнің есімімен аталған. Ол бұл жаңалықты кездейсоқ түрде ашты: қаламды сыяға малып алмастан, оны балқыған қалайыға малып, қалайыдан жіпше тартты, бұл кейіннен бір кристалл екені дәлелденді. Әдіс әлі де әлемдегі барлық электрониканың 90 пайызынан астамында қолданылады, олар жартылай өткізгіштерді пайдаланады. Ең маңызды қолданысы – электроника өнеркәсібінде интегралды схемалар сияқты жартылай өткізгіш құрылғыларын жасау үшін қолданылатын бір кристалды кремнийден жасалған үлкен цилиндрлі інготтардың немесе «шашақтардың» өсіруі болуы мүмкін. Галлий арсениді сияқты басқа жартылай өткізгіштер де осы әдіспен өсірілуі мүмкін, бірақ мұндай жағдайда Бриджман-Стокбаргер әдісінің түрлерін қолдану арқылы төменгі дефектілер тығыздығына қол жеткізуге болады. Бұл әдіс тек металл немесе металлоид кристалдарын өндірумен ғана шектелмейді. Мысалы, ол бөлшектер физикасы эксперименттерінде металл иондарының араласуын және өндіріс кезінде сіңірілген суды қатаң бақылаумен (миллиардтың бір бөлігіне дейін) тексеру арқылы, бақыланатын изотоптық құрамы бар материалдарды қоса, өте таза тұздардың кристалдарын өндіру үшін қолданылады.
The Czochralski method, also Czochralski technique or Czochralski process, is a method of crystal growth used to obtain single crystals of semiconductors (e. g. silicon, germanium and gallium arsenide), metals (e. g. palladium, platinum, silver, gold), salts and synthetic gemstones. The method is named after Polish scientist Jan Czochralski, who invented the method in 1915 while investigating the crystallization rates of metals. He made this discovery by accident: instead of dipping his pen into his inkwell, he dipped it in molten tin, and drew a tin filament, which later proved to be a single crystal. The method is still used in over 90 percent of all electronics in the world that use semiconductors. The most important application may be the growth of large cylindrical ingots, or boules, of single crystal silicon used in the electronics industry to make semiconductor devices like integrated circuits. Other semiconductors, such as gallium arsenide, can also be grown by this method, although lower defect densities in this case can be obtained using variants of the Bridgman–Stockbarger method. The method is not limited to production of metal or metalloid crystals. For example, it is used to manufacture very high purity crystals of salts, including material with controlled isotopic composition, for use in particle physics experiments, with tight controls (part per billion measurements) on confounding metal ions and water absorbed during manufacture.
Қолдану
Czochralski әдісімен өсірілген монокристалл кремний (mono Si) көбінесе монокристалл Czochralski кремнийі (Cz Si) деп аталады. Ол компьютерлерде, теледидарларда, ұялы телефондарда және барлық түрдегі электрондық жабдықтар мен жартылай өткізгіш құрылғыларда қолданылатын интегралды схемаларды өндірудегі негізгі материал болып табылады. Монокристалл кремний фотоэлектрлік өнеркәсіпте де дәстүрлі mono Si күн батареяларын өндіру үшін көп көлемде қолданылады. Кристалл құрылымының жоғары дәлдігі кремний үшін жарықтан электр энергиясына айналдырудың ең жоғары тиімділігін қамтамасыз етеді.
Monocrystalline silicon (mono Si) grown by the Czochralski method is often referred to as monocrystalline Czochralski silicon (Cz Si). It is the basic material in the production of integrated circuits used in computers, TVs, mobile phones and all types of electronic equipment and semiconductor devices. Monocrystalline silicon is also used in large quantities by the photovoltaic industry for the production of conventional mono Si solar cells. The almost perfect crystal structure yields the highest light to electricity conversion efficiency for silicon.
Czochralski кремнийін өндіру
Жоғары тазалықтағы, жартылай өткізгіштік кремний (қоспалардың миллионға бірнеше бөлігі ғана) әдетте кварцтан жасалған ыдыста, температурада балқытылады. Бор немесе фосфор сияқты допингтік қоспа атомдарын балқыған кремнийге дәл мөлшерде қосу арқылы кремнийді допингтеуге болады, осылайша оны әртүрлі электрондық қасиеттері бар p-типті немесе n-типті кремнийге айналдыруға болады. Дәл бағытталған таяқшаға бекітілген бастама кристаллы балқыған кремнийге енгізіледі. Бастама кристаллының таяқшасы бір мезгілде жоғары қарай тартылып, айналдырылады. Температура градиенттерін, тарту жылдамдығын және айналу жылдамдығын қатаң бақылау арқылы балқымадан ірі, бір кристалды, цилиндрлі слитка алуға болады. Кристалл өсу процесінде балқымадағы немесе қайнамастағы қажетсіз тұрақсыздықтардың пайда болуын болдырмау үшін температура мен жылдамдық өрістерін зерттеу және визуализациялау қажет. Бұл процесс әдетте аргон сияқты инерттік атмосферада, кварц сияқты инерттік камерада жүргізіледі.
High purity, semiconductor grade silicon (only a few parts per million of impurities) is melted in a crucible at , usually made of quartz. Dopant impurity atoms such as boron or phosphorus can be added to the molten silicon in precise amounts to dope the silicon, thus changing it into p type or n type silicon, with different electronic properties. A precisely oriented rod mounted seed crystal is dipped into the molten silicon. The seed crystal's rod is slowly pulled upwards and rotated simultaneously. By precisely controlling the temperature gradients, rate of pulling and speed of rotation, it is possible to extract a large, single crystal, cylindrical ingot from the melt. Occurrence of unwanted instabilities in the melt can be avoided by investigating and visualizing the temperature and velocity fields during the crystal growth process. This process is normally performed in an inert atmosphere, such as argon, in an inert chamber, such as quartz.
Кристалл өлшемдері
Масштабтың тиімділігіне байланысты жартылай өткізгіш өнеркәсібі көбінесе стандартталған өлшемдері немесе жалпы ваферлік сипаттамалары бар пластиналарды пайдаланады. Алғашқыда бұлалардың ені бірнеше сантиметр болатын, кішкентай болды. Құрылғыларды жасаудағы жоғары технологиялық өндірушілер 200 мм және 300 мм диаметрлі пластиналарды қолданады. Ені температураны, айналу жылдамдығын және тұқым ұстағыштың жылдамдығын қатаң бақылау арқылы реттеледі. Пластиналар кесілетін кристалдық қорытқыштардың ұзындығы 2 метрге дейін жетеді, ал салмағы бірнеше жүз килограммды құрайды. Үлкен пластиналар өндіріс тиімділігін жақсартады, себебі әр пластинаға көбірек микросхема орналастырылуы мүмкін, сондай-ақ салыстырмалы шығын да төмендейді, сондықтан кремний пластиналарының өлшемдерін ұлғайтуға тұрақты ұмтылыс бар. Келесі 450 мм пластиналарды 2018 жылы енгізу жоспарланған. Кремний пластиналарының қалыңдығы әдетте 0,2–0,75 мм болады, оларды интегралдық схемалар жасау үшін жоғары дәлдікпен жылтыратуға немесе күн батареяларын жасау үшін текстуралауға болады.
Due to efficiencies of scale, the semiconductor industry often uses wafers with standardized dimensions, or common wafer specifications. Early on, boules were small, a few cm wide. With advanced technology, high end device manufacturers use 200 mm and 300 mm diameter wafers. Width is controlled by precise control of temperature, speeds of rotation, and the speed at which the seed holder is withdrawn. The crystal ingots from which wafers are sliced can be up to 2 metres in length, weighing several hundred kilograms. Larger wafers allow improvements in manufacturing efficiency, as more chips can be fabricated on each wafer, with lower relative loss, so there has been a steady drive to increase silicon wafer sizes. The next step up, 450 mm, was scheduled for introduction in 2018. Silicon wafers are typically about 0.2–0.75 mm thick, and can be polished to great flatness for making integrated circuits or textured for making solar cells.
Қоқыс қоспалары бар
Кремний Цохральский әдісімен өсірілген кезде, балқыма кремний (кварц) тигельге салынады. Өсу процесінде тигельдің қабырғалары балқымаға еріп, нәтижесінде Цохральский кремнийінде оттегінің концентрациясы әдетте 10 см-ге жетеді. Оттегінің қоспалары пайдалы немесе зиянды әсер ете алады. Дұрыс таңдалған отқару шарттары оттегі тұнбаларының пайда болуына мүмкіндік береді. Бұл тұнбалар өтпелі металл қоспаларын ұстап тұру арқылы кремнийдің тазалығын арттырады, бұл процесс геттерлеу деп аталады. Дегенмен, қажетсіз жерлерде оттегі тұнбаларының пайда болуы электрлік құрылымдарды жоюы мүмкін. Сонымен қатар, оттегі қоспалары құрылғы өңдеу кезінде пайда болатын деформацияларды тұрақтандыру арқылы кремний пластиналарының механикалық күшін жақсарта алады. 1990 жылдардағы тәжірибелер жоғары оттегі концентрациясының қатты сәулелену ортасында қолданылатын кремний бөлшектерінің детекторларының сәулеленуға төзімділігін арттыратыны көрсетілді (мысалы, CERN-нің LHC/HL LHC жобалары). Сондықтан, Цохральский және магниттік Цохральский кремнийінен жасалған сәулелену детекторлары болашақ жоғары энергиялық физика эксперименттері үшін перспективті кандидаттар саналады. Сондай-ақ, кремнийдегі оттегінің болуы имплантациядан кейінгі отқару процестерінде қоспаларды ұстап тұруды күшейтетіні анықталды. Алайда, оттегі қоспалары күн элементтері сияқты жарық ортада бороммен реакцияға түсе алады. Бұл электрлік белсенді борон-оттегі кешенінің пайда болуына әкеледі, бұл элементтің тиімділігін төмендетеді. Модульдің қуаты жарыққа ұшырағаннан кейінгі алғашқы бірнеше сағат ішінде шамамен 3%-ға төмендейді.
When silicon is grown by the Czochralski method, the melt is contained in a silica (quartz) crucible. During growth, the walls of the crucible dissolve into the melt and Czochralski silicon therefore contains oxygen at a typical concentration of 10 cm. Oxygen impurities can have beneficial or detrimental effects. Carefully chosen annealing conditions can give rise to the formation of oxygen precipitates. These have the effect of trapping unwanted transition metal impurities in a process known as gettering, improving the purity of surrounding silicon. However, formation of oxygen precipitates at unintended locations can also destroy electrical structures. Additionally, oxygen impurities can improve the mechanical strength of silicon wafers by immobilising any dislocations which may be introduced during device processing. It was experimentally shown in the 1990s that the high oxygen concentration is also beneficial for the radiation hardness of silicon particle detectors used in harsh radiation environment (such as CERN's LHC/HL LHC projects). Therefore, radiation detectors made of Czochralski and magnetic Czochralski silicon are considered to be promising candidates for many future high energy physics experiments. It has also been shown that the presence of oxygen in silicon increases impurity trapping during post implantation annealing processes. However, oxygen impurities can react with boron in an illuminated environment, such as that experienced by solar cells. This results in the formation of an electrically active boron–oxygen complex that detracts from cell performance. Module output drops by approximately 3% during the first few hours of light exposure.