धडा 13.1मायक्रो आणि नॅनोप्रकरण 13 · मायक्रो- आणि नॅनोफॅब्रिकेशन

झोक्रालस्की क्रिस्टल वाढ (सिलिकॉन वेफर)

वितळलेल्या सिलिकॉनमधून सिलिकॉनचा प्रचंड एकल स्फटिक हळूहळू वर ओढतो

झोक्रालस्की वाढीमध्ये (उच्चार “चो-ख्राल-स्की”) सिलिकॉनचा प्रचंड एकल स्फटिक बनतो: एक घन तुकडा ज्यात प्रत्येक अणू एकाच परिपूर्ण जाळ्यात बसलेला असतो. लहान बीज वितळलेल्या सिलिकॉनमध्ये बुडवून खूप हळू वर ओढले जाते, आणि सिलिकॉन त्यावर गोठत जाते. वेफर नावाच्या पातळ तबकड्यांमध्ये कापलेले हे स्फटिक जवळजवळ प्रत्येक संगणक चिपचा आणि अनेक सौर सेलचा पाया आहेत.

फोटो: ArticCynda, CC0, स्रोत: Wikimedia Commons

झोक्रालस्की क्रिस्टल पुलरचा छेद · 6 पायऱ्यावर्तुळातील क्रमांक खालील पायऱ्यांशी जुळतात. वरचे चित्र फर्नेसचा (पुलरचा) छेद आहे; खालचे चित्र तयार स्फटिक दाखवते.

हे कसे चालते

सिलिकॉन वितळवा. अतिशुद्ध सिलिकॉनचे तुकडे क्वार्ट्झ क्रुसिबलमध्ये (उष्णतारोधक वाटी) सुमारे 1,420 °C वर वितळवले जातात. बोरॉन किंवा फॉस्फरसची मोजलेली चिमूट (डोपंट, जो सिलिकॉन वीज कशी वाहतो ते ठरवतो) देखील घातली जाते, आणि आर्गॉन वायू वितळलेल्या धातूपासून हवा दूर ठेवतो.
बीज बुडवा. लहान बीज स्फटिक, ज्याचे अणुजाळे निवडलेल्या दिशेत असे कापलेले असते, वितळलेल्या सिलिकॉनला नुकतेच स्पर्श करेपर्यंत खाली आणले जाते. सिलिकॉन अणू त्यावर गोठतात आणि त्याच्या जाळ्याची नक्कल करतात.
पातळ मान ओढा. बीज आधी वेगाने वर ओढले जाते, आणि फक्त काही मिलिमीटर रुंद मान बनते. दोष (डिस्लोकेशन, अणुजाळ्यातील त्रुटी) स्फटिकात पसरण्याऐवजी मानेतून बाहेर वाढून निघून जातात.
खांदा आणि मुख्य भाग वाढवा. ओढणे हळू होते, त्यामुळे स्फटिक शंकूसारखा (खांदा) रुंद होतो, मग पूर्ण व्यासावर, सहसा 200 किंवा 300 mm, वाढतो. वितळलेला धातू एकसमान राहावा म्हणून बीज आणि क्रुसिबल उलट दिशेने फिरतात, आणि स्फटिक साधारण प्रति मिनिट एक मिलिमीटर वेगाने वर जातो.
शेपूट निमुळते करा आणि थंड करा. शेवटी व्यास शंकूसारखा कमी केला जातो, म्हणजे स्फटिक औष्णिक धक्क्याशिवाय (तापमानातील अचानक बदल जो त्याच्या जाळ्याला नुकसान करेल) वितळलेल्या धातूतून बाहेर पडतो. तयार स्फटिक, ज्याला इंगॉट म्हणतात, बाहेर उचलला जातो आणि हळू थंड केला जातो.
घासा आणि कापा. इंगॉट अगदी अचूक दंडगोलात घासला जातो आणि स्फटिकाची दिशा दर्शवण्यासाठी त्यावर खाच केली जाते. हिऱ्याचे कोटिंग असलेली तार त्याला 1 mm पेक्षा पातळ वेफरमध्ये कापते, जे नंतर आरशासारखे पॉलिश केले जातात.

मुख्य तथ्ये

साहित्य: बहुतेक सिलिकॉन; तसेच जर्मेनियम आणि लेझर व ऑप्टिक्ससाठी काही ऑक्साइड स्फटिक
सामान्य भाग: दंडगोलाकार इंगॉट (बूल असेही म्हणतात), जे वेफरमध्ये कापले जातात
भागाचा आकार: सहसा 200–300 mm व्यास, सुमारे 2 m पर्यंत लांब आणि अनेक शे किलो
अचूकता: डिस्लोकेशनशिवाय एक सलग अणुजाळे; घासण्यापूर्वी व्यास सुमारे एका मिलिमीटरच्या आत; तयार वेफर सुमारे एका मायक्रोमीटरपर्यंत (मिलिमीटरचा हजारावा भाग) सपाट
पृष्ठभागाची फिनिश: वाढवल्यावर: चकचकीत धातूसारखा राखाडी, लांबीवर बारीक उंचवट्यांसह; तयार वेफर आरशासारखे पॉलिश केलेले
कोणत्या बॅच आकारासाठी योग्य: मोठ्या प्रमाणातील उत्पादन: प्रत्येक पुलर एका वेळी एक इंगॉट वाढवतो, चोवीस तास
टूलिंग आणि मशीनचा खर्च: एका पुलरची किंमत सुमारे दहा लाख डॉलर; क्वार्ट्झ क्रुसिबल उपभोग्य आहे, एका किंवा काही इंगॉटनंतर बदलला जातो
वेग: साधारण प्रति मिनिट 1 mm स्फटिक, त्यामुळे एका इंगॉटला एक दिवस किंवा अधिक वेळ लागतो

ताकद आणि मर्यादा

बलस्थाने

प्रचंड, जवळजवळ परिपूर्ण एकल स्फटिक
अचूक डोपिंग विद्युत वर्तन ठरवते
प्रगल्भ आणि अत्यंत स्वयंचलित, 300 mm पर्यंतच्या वेफरसाठी
चिप्स आणि अनेक सौर सेलसाठी प्रमाणित सुरुवातीचा बिंदू

मर्यादा

क्वार्ट्झ क्रुसिबलमधील ऑक्सिजन सिलिकॉनमध्ये विरघळतो
हळू: एका इंगॉटला काही दिवस लागू शकतात
खूप ऊर्जा वापरते आणि क्रुसिबल संपवते
इंगॉटच्या एका टोकापासून दुसऱ्या टोकापर्यंत डोपंटची पातळी बदलत जाते

कुठे वापरली जाते

इलेक्ट्रॉनिक्सप्रोसेसर आणि मेमरी चिप्स, 300 mm वेफरवर बनवलेल्या
सौर ऊर्जामोनोक्रिस्टलाइन सौर सेल
पॉवर इलेक्ट्रॉनिक्सचार्जर, कार आणि रेल्वेमधील पॉवर ट्रान्झिस्टर आणि डायोड
सेन्सर आणि MEMS (सिलिकॉनमध्ये एच केलेली सूक्ष्म यंत्रे)फोन कॅमेऱ्यातील इमेज सेन्सर, गती सेन्सर (अॅक्सेलेरोमीटर)
ऑप्टिक्स आणि लेझरइन्फ्रारेड ऑप्टिक्ससाठी जर्मेनियम, Nd:YAG सारखे लेझर स्फटिक

ओळखायची कशी

बहुतेक वेळा, तुम्ही पाहू शकत नाही. स्फटिक प्रत्येक चिपच्या आत अदृश्य राहतो: वेफरमधून कापलेला लहान चौकोन, तुमच्या फोन किंवा लॅपटॉपच्या सर्किट बोर्डवरील काळ्या पॅकेजमध्ये बंद.
सौर पॅनेल. मोनोक्रिस्टलाइन सेल एकसारखे गडद दिसतात, खपलीसारख्या नक्षीशिवाय, आणि त्यांचे कोपरे अनेकदा थोडे कापलेले असतात: ते गोल इंगॉटपासून चौकोनी केलेले असतात.
उघडे वेफर. आरशासारखी राखाडी तबकडी, सहसा कडेवर स्फटिकाची दिशा दर्शवणारी लहान खाच किंवा सपाट भाग असलेली.
संपूर्ण इंगॉट, कारखान्यांच्या फोटोंमध्ये किंवा संग्रहालयांत, लांबीवर बारीक सरळ उंचवट्यांसह प्रचंड राखाडी गोळ्यांसारखे दिसतात, जे स्फटिकाची अंतर्गत जाळी उघड करतात.

यांच्याशी तुलना

सिंगल-क्रिस्टल कास्टिंग1.8तेही बीजापासून एक स्फटिक वाढवते, पण मोकळा दंडगोल ओढण्याऐवजी साच्याच्या आत आकार दिलेला धातूचा भाग गोठवते.मॉलिक्युलर बीम एपिटॅक्सी13.3तयार वेफरच्या वर, मुख्य स्फटिक वाढवण्याऐवजी, एका वेळी काही अणू या प्रमाणे नवीन स्फटिक थर जोडते.फोटोलिथोग्राफी13.2बहुतेक वेफरसाठी पुढची पायरी, त्यांच्यावर सर्किट नक्षी छापणे.

पाहा

Linton Crystal Technologies · बीज लावणे, मान बनवणे आणि ओढणे, पुलरच्या आत अॅनिमेटेड

Intel · वाळूपासून तयार चिपपर्यंतच्या मार्गात इंगॉट कुठे बसतो

Linton Crystal Technologies · कारखान्यातील खरे क्रिस्टल पुलर आणि तयार इंगॉट

Linton Crystal Technologies · इंगॉट वेफरमध्ये कसा कापला जातो

खरी छायाचित्रे पाहा

Wikipedia: Czochralski method — प्रक्रियेची चित्रे आणि सिलिकॉन इंगॉटचे फोटो
Wikimedia Commons फोटो शोध

लक्षात ठेवा

वितळलेल्या सिलिकॉनमधून हळूहळू ओढलेले बीज सुमारे 2 m लांबीपर्यंतचा एक निर्दोष स्फटिक बनते.
पातळ मान, हळू ओढणे, उलट फिरणे आणि आर्गॉन वायू तो स्फटिक परिपूर्ण आणि स्वच्छ ठेवतात.
जवळजवळ प्रत्येक चिप आणि अनेक सौर सेल अशा इंगॉटच्या एका तुकड्यापासून सुरू होतात.