पाठ 13.1माइक्रो और नैनोअध्याय 13 · माइक्रो- और नैनोफ़ैब्रिकेशन

ज़ोक्रॉल्स्की क्रिस्टल वृद्धि (सिलिकॉन वेफ़र)

पिघले सिलिकॉन से सिलिकॉन का विशाल एकल क्रिस्टल धीरे-धीरे ऊपर खींचती है

ज़ोक्रॉल्स्की वृद्धि (उच्चारण "चो-ख्राल-स्की") सिलिकॉन का विशाल एकल क्रिस्टल बनाती है: एक ठोस टुकड़ा जिसमें हर परमाणु एक ही सटीक जाली में बैठा होता है। एक छोटा सीड पिघले सिलिकॉन में डुबोया जाता है और बहुत धीरे-धीरे ऊपर खींचा जाता है, और सिलिकॉन उस पर जम जाता है। वेफ़र नाम की पतली डिस्कों में कटे ये क्रिस्टल लगभग हर कंप्यूटर चिप और कई सोलर सेलों का आधार हैं।

फ़ोटो: ArticCynda, CC0, स्रोत: Wikimedia Commons

ज़ोक्रॉल्स्की क्रिस्टल पुलर का अनुप्रस्थ काट · 6 चरणघेरे में लिखे नंबर नीचे दिए चरणों से मेल खाते हैं। ऊपर का चित्र भट्टी (पुलर) का कटा हुआ दृश्य है; नीचे का चित्र तैयार क्रिस्टल दिखाता है।

यह कैसे काम करती है

सिलिकॉन पिघलाएँ। अति-शुद्ध सिलिकॉन के टुकड़े क्वार्ट्ज़ क्रूसिबल (ताप-रोधी कटोरे) में लगभग 1,420 °C पर पिघलाए जाते हैं। बोरॉन या फ़ॉस्फ़ोरस की नापी हुई चुटकी (एक डोपैंट, जो तय करता है कि सिलिकॉन बिजली कैसे चलाएगा) भी डाली जाती है, और आर्गन गैस पिघले सिलिकॉन से हवा को दूर रखती है।
सीड को डुबोएँ। एक छोटा सीड क्रिस्टल, जिसे इस तरह काटा गया है कि उसकी परमाणु जाली चुनी हुई दिशा में हो, तब तक नीचे उतारा जाता है जब तक वह पिघले सिलिकॉन को ज़रा-सा न छू ले। सिलिकॉन परमाणु उस पर जम जाते हैं और उसकी जाली की नकल करते हैं।
पतली गर्दन खींचें। सीड को पहले तेज़ी से ऊपर खींचा जाता है, जिससे केवल कुछ मिलीमीटर चौड़ी गर्दन बनती है। दोष (डिस्लोकेशन, परमाणु जाली की खामियाँ) क्रिस्टल में फैलने के बजाय गर्दन से होकर बाहर निकल जाते हैं।
कंधा और बॉडी उगाएँ। खिंचाव धीमा होता है, इसलिए क्रिस्टल चौड़ा होकर शंकु (कंधा) बनता है, फिर पूरे व्यास पर, आमतौर पर 200 या 300 mm, उगता है। पिघले सिलिकॉन को एकसमान रखने के लिए सीड और क्रूसिबल उलटी दिशाओं में घूमते हैं, और क्रिस्टल लगभग एक मिलीमीटर प्रति मिनट की गति से ऊपर उठता है।
पूँछ को पतला करें और ठंडा करें। अंत में व्यास को शंकु के रूप में संकरा किया जाता है ताकि क्रिस्टल बिना थर्मल शॉक (अचानक तापमान बदलाव जो उसकी जाली को नुकसान पहुँचाता) के पिघले सिलिकॉन से बाहर आए। तैयार क्रिस्टल, जिसे इंगॉट कहते हैं, उठाकर बाहर निकाला जाता है और धीरे-धीरे ठंडा होता है।
घिसें और काटें। इंगॉट को ठीक बेलन के आकार में घिसा जाता है और क्रिस्टल की दिशा बताने के लिए उस पर खाँच बनाई जाती है। हीरे की परत वाला तार उसे 1 mm से पतले वेफ़रों में काटता है, जिन्हें फिर दर्पण जैसी फ़िनिश तक पॉलिश किया जाता है।

मुख्य तथ्य

सामग्री: ज़्यादातर सिलिकॉन; साथ ही जर्मेनियम और लेज़र व ऑप्टिक्स के लिए कुछ ऑक्साइड क्रिस्टल
आम पार्ट: बेलनाकार इंगॉट (जिन्हें बूल भी कहते हैं), जिन्हें वेफ़र में काटा जाता है
पार्ट का आकार: आमतौर पर 200–300 mm व्यास, लगभग 2 m तक लंबे और कई सौ kg के
सटीकता: बिना डिस्लोकेशन के एक लगातार परमाणु जाली; घिसाई से पहले व्यास लगभग एक मिलीमीटर के भीतर; तैयार वेफ़र लगभग एक माइक्रोमीटर (मिलीमीटर का हज़ारवाँ हिस्सा) तक समतल
सतह की फ़िनिश: उगाए जाने पर: चमकदार धात्विक स्लेटी, लंबाई के साथ हल्की उभारों वाला; तैयार वेफ़र दर्पण जैसे पॉलिश किए होते हैं
किस बैच साइज़ के लिए उपयुक्त: बड़े पैमाने का उत्पादन: हर पुलर एक बार में एक इंगॉट उगाता है, चौबीसों घंटे
टूलिंग और मशीन की लागत: एक पुलर की क़ीमत लगभग दस लाख डॉलर के आसपास; क्वार्ट्ज़ क्रूसिबल उपभोज्य है, एक या कुछ इंगॉट के बाद बदला जाता है
गति: लगभग 1 mm क्रिस्टल प्रति मिनट, इसलिए एक इंगॉट में एक दिन या ज़्यादा लगता है

ताक़तें और सीमाएँ

खूबियाँ

विशाल, लगभग त्रुटिहीन एकल क्रिस्टल
सटीक डोपिंग विद्युत व्यवहार तय करती है
परिपक्व और अत्यधिक स्वचालित, 300 mm तक के वेफ़र
चिप्स और कई सोलर सेलों के लिए मानक शुरुआती बिंदु

सीमाएँ

क्वार्ट्ज़ क्रूसिबल की ऑक्सीजन सिलिकॉन में घुल जाती है
धीमी: एक इंगॉट में दिन लग सकते हैं
बहुत ऊर्जा लगती है और क्रूसिबल खर्च होते हैं
डोपैंट का स्तर इंगॉट के एक सिरे से दूसरे सिरे तक खिसकता है

कहाँ इस्तेमाल होती है

इलेक्ट्रॉनिक्सप्रोसेसर और मेमोरी चिप्स, 300 mm वेफ़र पर बने
सौर ऊर्जामोनोक्रिस्टलीय सोलर सेल
पावर इलेक्ट्रॉनिक्सचार्जरों, कारों और ट्रेनों में पावर ट्रांज़िस्टर और डायोड
सेंसर और MEMS (सिलिकॉन में एच की गई नन्ही मशीनें)फ़ोन कैमरे के इमेज सेंसर, मोशन सेंसर (एक्सेलेरोमीटर)
ऑप्टिक्स और लेज़रइन्फ़्रारेड ऑप्टिक्स के लिए जर्मेनियम, Nd:YAG जैसे लेज़र क्रिस्टल

इसे कैसे पहचानें

ज़्यादातर, आप नहीं देख सकते। क्रिस्टल हर चिप के भीतर अदृश्य रहता है: वेफ़र से कटा एक छोटा वर्ग, जो आपके फ़ोन या लैपटॉप के सर्किट बोर्ड पर काले पैकेज में बंद होता है।
सोलर पैनल। मोनोक्रिस्टलीय सेल एकसमान गहरे दिखते हैं, बिना पपड़ीदार डिज़ाइन के, और अक्सर उनके कोने थोड़े कटे होते हैं: उन्हें गोल इंगॉट से चौकोर किया गया था।
खाली वेफ़र। दर्पण जैसी स्लेटी डिस्क, जिसके किनारे पर आमतौर पर एक छोटी खाँच या समतल हिस्सा होता है जो क्रिस्टल की दिशा बताता है।
पूरे इंगॉट, फ़ैक्टरी की तस्वीरों या संग्रहालयों में, विशाल स्लेटी गोलियों जैसे दिखते हैं, जिन पर हल्की सीधी उभार-रेखाएँ क्रिस्टल की भीतरी जाली को प्रकट करती हैं।

तुलना करें

सिंगल-क्रिस्टल कास्टिंग1.8यह भी सीड से एक क्रिस्टल उगाती है, पर मुक्त बेलन खींचने के बजाय साँचे के भीतर आकार वाला धातु पार्ट जमाती है।मॉलिक्यूलर बीम एपिटैक्सी13.3बल्क क्रिस्टल उगाने के बजाय, तैयार वेफ़र के ऊपर कुछ परमाणुओं के क्रम में नई क्रिस्टल परतें जोड़ती है।फ़ोटोलिथोग्राफ़ी13.2ज़्यादातर वेफ़र का अगला चरण, जिसमें उन पर सर्किट के डिज़ाइन छापे जाते हैं।

देखें

Linton Crystal Technologies · सीडिंग, नेकिंग और खिंचाव, पुलर के भीतर एनिमेशन में

Intel · रेत से तैयार चिप तक के रास्ते में इंगॉट कहाँ आता है

Linton Crystal Technologies · फ़ैक्टरी में असली क्रिस्टल पुलर और तैयार इंगॉट

Linton Crystal Technologies · इंगॉट को वेफ़र में कैसे काटा जाता है

असली तस्वीरें देखें

Wikipedia: Czochralski method — प्रक्रिया के चित्र और सिलिकॉन इंगॉट की तस्वीरें
Wikimedia Commons फ़ोटो खोज

याद रखें

पिघले सिलिकॉन से धीरे-धीरे खींचा गया सीड लगभग 2 m लंबे एक त्रुटिहीन क्रिस्टल में उगता है।
पतली गर्दन, धीमा खिंचाव, उलटे घूर्णन और आर्गन गैस उस क्रिस्टल को सटीक और साफ़ रखते हैं।
लगभग हर चिप और कई सोलर सेल ऐसे ही इंगॉट के एक टुकड़े से शुरू होते हैं।