পাঠ 13.1মাইক্রো ও ন্যানোঅধ্যায় 13 · মাইক্রো ও ন্যানোফ্যাব্রিকেশন

জোখরালস্কি ক্রিস্টাল গ্রোথ (সিলিকন ওয়েফার)

গলিত সিলিকন থেকে ধীরে ধীরে একটি বিশাল একক সিলিকন কেলাস টেনে তোলে

জোখরালস্কি গ্রোথ (উচ্চারণ "চো-খ্রাল-স্কি") সিলিকনের একটি বিশাল একক কেলাস বানায়: একটি নিরেট টুকরো যাতে প্রতিটি পরমাণু একই নিখুঁত জালিতে বসে। একটি ছোট সিড গলিত সিলিকনে ডোবানো হয় এবং খুব ধীরে ওপরে টানা হয়, আর সিলিকন তার গায়ে জমে যায়। ওয়েফার নামের পাতলা ডিস্কে কাটা এই কেলাসগুলোই প্রায় প্রতিটি কম্পিউটার চিপ ও অনেক সোলার সেলের ভিত্তি।

ছবি: ArticCynda, CC0, সূত্র: Wikimedia Commons

প্রস্থচ্ছেদে জোখরালস্কি ক্রিস্টাল পুলার · ৬ ধাপবৃত্তাকার সংখ্যাগুলো নিচের ধাপের সঙ্গে মেলে। ওপরের অংশ ফার্নেসের (পুলার) কাটা দৃশ্য; নিচের অংশে সমাপ্ত কেলাস দেখানো হয়েছে।

যেভাবে কাজ করে

সিলিকন গলান। অতি-বিশুদ্ধ সিলিকনের টুকরো প্রায় 1,420 °C-এ কোয়ার্টজ ক্রুসিবলে (তাপ-সহনশীল বাটি) গলানো হয়। সামান্য পরিমাপ-করা বোরন বা ফসফরাসও (ডোপ্যান্ট, যা সিলিকন কীভাবে বিদ্যুৎ পরিবহন করবে তা ঠিক করে) দেওয়া হয়, আর আর্গন গ্যাস গলিত সিলিকনকে বাতাস থেকে দূরে রাখে।
সিড ডোবান। একটি ছোট সিড কেলাস, যা এমনভাবে কাটা যে তার পরমাণু-জালি নির্বাচিত দিকে থাকে, গলিত সিলিকনকে ছুঁয়ে না যাওয়া পর্যন্ত নামানো হয়। সিলিকন পরমাণু তার গায়ে জমে এবং তার জালি নকল করে।
একটি পাতলা গলা টানুন। সিড প্রথমে দ্রুত ওপরে টানা হয়, ফলে মাত্র কয়েক মিলিমিটার চওড়া একটি গলা তৈরি হয়। ত্রুটিগুলো (ডিসলোকেশন, পরমাণু-জালির খুঁত) কেলাসে ছড়ানোর বদলে গলার ভেতর দিয়ে বেরিয়ে যায়।
কাঁধ ও দেহ গড়ুন। টানার গতি কমে, ফলে কেলাস একটি শঙ্কুতে (কাঁধ) চওড়া হয়, তারপর পূর্ণ ব্যাসে বাড়ে, সাধারণত 200 বা 300 mm। গলিত সিলিকন সমান রাখতে সিড ও ক্রুসিবল উল্টো দিকে ঘোরে, আর কেলাস মোটামুটি মিনিটে এক মিলিমিটার হারে ওঠে।
লেজ সরু করুন ও ঠান্ডা করুন। শেষে ব্যাস সরু করে একটি শঙ্কু বানানো হয়, যাতে কেলাস তাপীয় ধাক্কা (আকস্মিক তাপমাত্রা বদল যা তার জালির ক্ষতি করবে) ছাড়াই গলিত সিলিকন ছাড়ে। সমাপ্ত কেলাস, যাকে ইনগট বলে, তুলে নিয়ে ধীরে ঠান্ডা করা হয়।
গ্রাইন্ড করুন ও স্লাইস করুন। ইনগট গ্রাইন্ড করে ঠিক সিলিন্ডার বানানো হয় এবং কেলাসের দিক চিহ্নিত করতে খাঁজ কাটা হয়। হীরা-মোড়া তার তাকে 1 mm-এর কম পুরু ওয়েফারে কাটে, যা পরে আয়নার মতো পালিশ করা হয়।

মূল তথ্য

উপাদান: বেশিরভাগ সিলিকন; এছাড়া জার্মেনিয়াম এবং লেজার ও অপটিকসের জন্য কিছু অক্সাইড কেলাস
সাধারণ অংশ: নলাকার ইনগট (বুলও বলা হয়), ওয়েফারে কাটা হয়
অংশের আকার: সাধারণত 200–300 mm ব্যাসের, প্রায় 2 m পর্যন্ত লম্বা এবং কয়েকশ kg ওজনের
নির্ভুলতা: ডিসলোকেশন ছাড়া একটানা পরমাণু-জালি; গ্রাইন্ডিংয়ের আগে ব্যাস প্রায় এক মিলিমিটারের মধ্যে ধরা; সমাপ্ত ওয়েফার প্রায় এক মাইক্রোমিটার (মিলিমিটারের হাজার ভাগের এক ভাগ) পর্যন্ত সমতল
পৃষ্ঠের মান: গড়ে ওঠা অবস্থায়: চকচকে ধাতব ধূসর, দৈর্ঘ্য বরাবর অস্পষ্ট রেখা; সমাপ্ত ওয়েফার আয়নার মতো পালিশ করা
কোন ব্যাচ আকারে মানানসই: গণ-উৎপাদন: প্রতিটি পুলার একবারে একটি ইনগট গড়ে, দিনরাত
টুলিং ও মেশিনের খরচ: একটি পুলারের দাম প্রায় কোটি ডলারের কাছাকাছি; কোয়ার্টজ ক্রুসিবল ভোগ্য, এক বা কয়েকটি ইনগটের পর বদলাতে হয়
গতি: মোটামুটি প্রতি মিনিটে 1 mm কেলাস, তাই একটি ইনগটে এক দিন বা তারও বেশি লাগে

শক্তি ও সীমাবদ্ধতা

শক্তির দিক

বিশাল, প্রায় নিখুঁত একক কেলাস
সঠিক ডোপিং বৈদ্যুতিক আচরণ ঠিক করে
পরিণত ও অত্যন্ত স্বয়ংক্রিয়, 300 mm ওয়েফার পর্যন্ত
চিপ ও অনেক সোলার সেলের প্রমিত শুরুর বিন্দু

সীমাবদ্ধতা

কোয়ার্টজ ক্রুসিবল থেকে অক্সিজেন সিলিকনে গলে যায়
ধীর: একটি ইনগটে কয়েক দিন লাগতে পারে
প্রচুর শক্তি লাগে এবং ক্রুসিবল খরচ হয়
ইনগটের এক প্রান্ত থেকে অন্য প্রান্তে ডোপ্যান্টের মাত্রা সরে যায়

কোথায় ব্যবহৃত হয়

ইলেকট্রনিক্স300 mm ওয়েফারে বানানো প্রসেসর ও মেমরি চিপ
সৌরশক্তিমনোক্রিস্টালাইন সোলার সেল
পাওয়ার ইলেকট্রনিক্সচার্জার, গাড়ি ও ট্রেনের পাওয়ার ট্রানজিস্টর ও ডায়োড
সেন্সর ও MEMS (সিলিকনে এচ করা ক্ষুদ্র যন্ত্র)ফোন ক্যামেরার ইমেজ সেন্সর, গতি সেন্সর (অ্যাক্সেলেরোমিটার)
অপটিকস ও লেজারইনফ্রারেড অপটিকসের জন্য জার্মেনিয়াম, Nd:YAG-র মতো লেজার কেলাস

কীভাবে চিনবেন

বেশিরভাগ ক্ষেত্রেই দেখা যায় না। কেলাসটি প্রতিটি চিপের ভেতরে অদৃশ্য হয়ে থাকে: ওয়েফার থেকে কাটা একটি ছোট চৌকো টুকরো, আপনার ফোন বা ল্যাপটপের সার্কিট বোর্ডে একটি কালো প্যাকেজে সিল করা।
সোলার প্যানেল। মনোক্রিস্টালাইন সেল সমানভাবে গাঢ় দেখায়, কোনো ফ্লেক-নকশা ছাড়া, আর প্রায়ই কোণ সামান্য কাটা থাকে: গোল ইনগট থেকে চৌকো করা হয়েছিল বলে।
খালি ওয়েফার। আয়নার মতো ধূসর ডিস্ক, সাধারণত কিনারায় ছোট একটি খাঁজ বা সমতল অংশ থাকে যা কেলাসের দিক নির্দেশ করে।
পুরো ইনগট, কারখানার ছবি বা জাদুঘরে, বিশাল ধূসর বুলেটের মতো দেখায়, যার গায়ে দৈর্ঘ্য বরাবর অস্পষ্ট সোজা রেখা কেলাসের ভেতরের জালি প্রকাশ করে।

তুলনা করুন

সিঙ্গল-ক্রিস্টাল কাস্টিং1.8এটিও সিড থেকে একটি কেলাস গড়ে, কিন্তু মুক্ত সিলিন্ডার টানার বদলে ছাঁচের ভেতরে আকৃতিযুক্ত ধাতব অংশ জমায়।আণবিক রশ্মি এপিটাক্সি13.3বাল্ক কেলাস গড়ার বদলে সমাপ্ত ওয়েফারের ওপর, কয়েক পরমাণু করে, নতুন কেলাস স্তর যোগ করে।ফটোলিথোগ্রাফি13.2বেশিরভাগ ওয়েফারের পরের ধাপ, তাতে সার্কিটের নকশা ছাপা।

দেখুন

Linton Crystal Technologies · পুলারের ভেতরে সিডিং, নেকিং ও টানা, অ্যানিমেশনে

Intel · বালি থেকে সমাপ্ত চিপের পথে ইনগট কোথায় বসে

Linton Crystal Technologies · কারখানায় আসল ক্রিস্টাল পুলার ও সমাপ্ত ইনগট

Linton Crystal Technologies · ইনগট কীভাবে ওয়েফারে কাটা হয়

আসল ছবি দেখুন

উইকিপিডিয়া: Czochralski method — প্রক্রিয়ার চিত্র ও সিলিকন ইনগটের ছবি
Wikimedia Commons-এ ছবি খোঁজা

মনে রাখুন

গলিত সিলিকন থেকে ধীরে টেনে তোলা একটি সিড প্রায় 2 m লম্বা একটি নিখুঁত কেলাসে পরিণত হয়।
পাতলা গলা, ধীর টান, উল্টো ঘূর্ণন ও আর্গন গ্যাস সেই কেলাসকে নিখুঁত ও পরিচ্ছন্ন রাখে।
প্রায় প্রতিটি চিপ ও অনেক সোলার সেল এমন একটি ইনগটের টুকরো হিসেবে শুরু হয়।