نمو البلورات بطريقة تشوخرالسكي (رقائق السيليكون)

كيف تعمل

1. 1

   صهر السيليكون. تُصهر قطع من السيليكون فائق النقاء في بوتقة من الكوارتز (وعاء مقاوم للحرارة) عند نحو 1,420 °C. ويُضاف أيضًا قدر مقيس من البورون أو الفوسفور (مادة منشِّطة، تحدد كيفية توصيل السيليكون للكهرباء)، ويبعد غاز الأرغون الهواء عن المصهور.

2. 2

   غمس البذرة. تُنزَّل بذرة بلورية صغيرة، مقطوعة بحيث تشير شبكتها الذرية إلى اتجاه محدد، حتى تلامس المصهور بالكاد. تتجمد ذرات السيليكون عليها وتنسخ شبكتها.

3. 3

   سحب عنق رفيع. تُسحب البذرة أولًا بسرعة، فتكوّن عنقًا بعرض بضعة مليمترات فقط. تخرج العيوب (الانخلاعات، وهي أخطاء في الشبكة الذرية) من خلال العنق بدل أن تنتشر في البلورة.

4. 4

   نمو الكتف والجسم. يتباطأ السحب، فتتسع البلورة على شكل مخروط (الكتف)، ثم تنمو بالقطر الكامل، عادةً 200 أو 300 mm. تدور البذرة والبوتقة في اتجاهين متعاكسين لإبقاء المصهور منتظمًا، وترتفع البلورة بنحو مليمتر في الدقيقة.

5. 5

   تدبيب الذيل والتبريد. في النهاية يُضيَّق القطر على شكل مخروط لتخرج البلورة من المصهور دون صدمة حرارية (تغيّر مفاجئ في الحرارة يضرّ بشبكتها). وتُرفع البلورة النهائية، وتسمى سبيكة، وتُبرَّد ببطء.

6. 6

   الجلخ والتقطيع. تُجلخ السبيكة إلى أسطوانة مضبوطة ويُعمل فيها حز يحدد اتجاه بلورتها. ويقطّعها سلك مطلي بالألماس إلى رقائق بسماكة أقل من 1 mm، تُصقل بعد ذلك حتى تصير كالمرآة.

حقائق أساسية

المواد

السيليكون في الغالب؛ وكذلك الجرمانيوم وبعض بلورات الأكاسيد لليزر والبصريات

القطع النموذجية

سبائك أسطوانية (تسمى أيضًا بول)، تُقطَّع إلى رقائق

حجم القطعة

عادةً بقطر 200–300 mm، وبطول يصل إلى نحو 2 m ووزن عدة مئات من الكيلوغرامات

الدقة

شبكة ذرية واحدة متصلة دون انخلاعات؛ القطر مضبوط بنحو مليمتر قبل الجلخ؛ والرقائق النهائية مستوية بنحو ميكرومتر (جزء من ألف من المليمتر)

تشطيب السطح

كما نمت: رمادي معدني لامع مع حروف خفيفة على طولها؛ والرقائق النهائية مصقولة كالمرآة

حجم الدفعة المناسب

إنتاج ضخم: كل جهاز سحب ينمّي سبيكة واحدة في كل مرة، على مدار الساعة

كلفة العدّة والآلة

جهاز السحب يكلّف نحو مليون دولار؛ وبوتقة الكوارتز مادة مستهلكة، تُستبدل بعد سبيكة واحدة أو بضع سبائك

السرعة

نحو 1 mm من البلورة في الدقيقة، فتستغرق السبيكة الواحدة يومًا أو أكثر

نقاط القوة والحدود

أين تُستخدم

• الإلكترونياتالمعالجات ورقائق الذاكرة، المصنوعة على رقائق 300 mm
• الطاقة الشمسيةالخلايا الشمسية أحادية البلورة
• إلكترونيات القدرةترانزستورات القدرة والثنائيات في الشواحن والسيارات والقطارات
• الحسّاسات وMEMS (آلات صغيرة محفورة في السيليكون)حسّاسات صور كاميرات الهواتف، حسّاسات الحركة (مقاييس التسارع)
• البصريات والليزرالجرمانيوم للبصريات تحت الحمراء، وبلورات الليزر مثل Nd:YAG

كيف تتعرف عليها

• في الغالب لا يمكنك ذلك. تنتهي البلورة غير مرئية داخل كل شريحة: مربع صغير مقطوع من رقاقة، محكم داخل غلاف أسود على اللوحة الإلكترونية في هاتفك أو حاسوبك.
• الألواح الشمسية. تبدو الخلايا أحادية البلورة داكنة بانتظام، دون نمط متقشر، وغالبًا بزوايا مقطوعة قليلًا: فقد سُوّيت من سبيكة مستديرة.
• الرقائق العارية. قرص رمادي كالمرآة، وغالبًا بحز أو جزء مسطح صغير على حافته يحدد اتجاه البلورة.
• السبائك الكاملة، في صور المصانع أو المتاحف، تبدو كرصاصات رمادية عملاقة بحروف مستقيمة خفيفة على طولها تكشف الشبكة الداخلية للبلورة.

قارنها بـ

شاهدها

Animation of silicon ingot growth inside an LCT furnace

Linton Crystal Technologies · البذر والتعنيق والسحب، متحركة داخل جهاز سحب

Sand to Silicon - The Making of a Chip (Full Screen) | Intel

Intel · أين تقع السبيكة على الطريق من الرمل إلى الشريحة النهائية

About Linton Crystal Technologies (English language version)

Linton Crystal Technologies · أجهزة سحب بلورات حقيقية وسبائك نهائية في مصنع

Diamond Wire Slicer

Linton Crystal Technologies · كيف تُقطَّع السبيكة إلى رقائق

شاهد صورًا حقيقية

• ويكيبيديا: طريقة تشوخرالسكي — رسوم توضيحية للعملية وصور لسبائك السيليكون
• البحث عن الصور في ويكيميديا كومنز