Урок 13.1Микро и наноГлава 13 · Микро- и нанопроизводство

Выращивание кристаллов по методу Чохральского (кремниевые пластины)

Медленно вытягивает гигантский монокристалл кремния из расплава

Метод Чохральского (читается «чо-храль-ски») создаёт гигантский монокристалл кремния: цельный кусок, в котором каждый атом стоит в одной и той же идеальной решётке. Маленькую затравку опускают в расплавленный кремний и очень медленно вытягивают вверх, и кремний застывает на ней. Нарезанные на тонкие диски — пластины, — эти кристаллы служат основой почти любой компьютерной микросхемы и многих солнечных элементов.

Фото: ArticCynda, CC0, через Wikimedia Commons

Установка для вытягивания кристаллов по Чохральскому в разрезе · 6 шаговЦифры в кружках соответствуют шагам ниже. Верхняя панель — разрез печи (установки вытягивания); нижняя панель показывает готовый кристалл.

Как это работает

Расплавить кремний. Куски сверхчистого кремния плавят в кварцевом тигле (жаропрочной чаше) примерно при 1 420 °C. Туда же вводят отмеренную щепотку бора или фосфора (легирующей примеси, которая задаёт, как кремний проводит электричество), а аргон не пускает воздух к расплаву.
Опустить затравку. Небольшой затравочный кристалл, вырезанный так, что его атомная решётка направлена в выбранную сторону, опускают, пока он едва не коснётся расплава. Атомы кремния застывают на нём и повторяют его решётку.
Вытянуть тонкую шейку. Затравку сначала вытягивают быстро, получая шейку шириной всего несколько миллиметров. Дефекты (дислокации — нарушения атомной решётки) выходят наружу через шейку, а не распространяются в кристалл.
Вырастить плечики и тело. Вытягивание замедляют, поэтому кристалл расширяется в конус (плечики), затем растёт в полный диаметр, обычно 200 или 300 мм. Затравка и тигель вращаются в противоположные стороны, чтобы расплав был ровным, а кристалл поднимается примерно на миллиметр в минуту.
Сузить хвост и остудить. В конце диаметр сужают до конуса, чтобы кристалл вышел из расплава без теплового удара (резкого перепада температуры, который испортил бы его решётку). Готовый кристалл — слиток — поднимают и медленно остужают.
Обточить и нарезать. Слиток обтачивают до точного цилиндра и делают выемку, отмечающую направление кристалла. Проволока с алмазным покрытием режет его на пластины толщиной менее 1 мм, которые затем полируют до зеркального блеска.

Ключевые факты

Материалы: В основном кремний; также германий и некоторые оксидные кристаллы для лазеров и оптики
Типичные детали: Цилиндрические слитки (их также называют булями), нарезаемые на пластины
Размер детали: Обычно диаметром 200–300 мм, длиной до примерно 2 м и массой несколько сотен кг
Точность: Одна непрерывная атомная решётка без дислокаций; диаметр выдерживается примерно до миллиметра перед обточкой; готовые пластины плоские примерно до микрометра (одной тысячной миллиметра)
Качество поверхности: После выращивания: блестящий металлический серый с едва заметными гребнями вдоль длины; готовые пластины отполированы до зеркала
Подходящая партия: Массовое производство: каждая установка выращивает по одному слитку, круглосуточно
Стоимость оснастки и оборудования: Установка стоит порядка миллиона долларов; кварцевый тигель — расходник, его меняют после одного или нескольких слитков
Скорость: Примерно 1 мм кристалла в минуту, поэтому один слиток занимает сутки и более

Сильные стороны и ограничения

Сильные стороны

Огромные, почти идеальные монокристаллы
Точное легирование задаёт электрическое поведение
Отработанная и сильно автоматизированная технология, пластины до 300 мм
Стандартная отправная точка для микросхем и многих солнечных элементов

Ограничения

Кислород из кварцевого тигля растворяется в кремнии
Медленно: один слиток может расти днями
Расходует много энергии и тиглей
Уровень легирования смещается от одного конца слитка к другому

Где применяется

ЭлектроникаПроцессоры и микросхемы памяти, изготавливаемые на пластинах 300 мм
Солнечная энергетикаМонокристаллические солнечные элементы
Силовая электроникаСиловые транзисторы и диоды в зарядных устройствах, автомобилях и поездах
Датчики и МЭМС (крошечные машины, вытравленные в кремнии)Датчики изображения камер телефонов, датчики движения (акселерометры)
Оптика и лазерыГерманий для инфракрасной оптики, лазерные кристаллы, такие как Nd:YAG

Как узнать процесс

В основном вы его не увидите. Кристалл остаётся невидимым внутри каждой микросхемы: небольшой квадрат, вырезанный из пластины и запечатанный в чёрный корпус на плате вашего телефона или ноутбука.
Солнечные панели. Монокристаллические элементы выглядят равномерно тёмными, без пятнистого узора, и часто имеют слегка срезанные углы: их скруглили из круглого слитка.
Голые пластины. Зеркальный серый диск, обычно с небольшой выемкой или срезом на краю, отмечающим направление кристалла.
Целые слитки на заводских фотографиях или в музеях выглядят как гигантские серые пули с едва заметными прямыми гребнями вдоль них, выдающими внутреннюю решётку кристалла.

Сравните с

Литьё монокристаллов1.8тоже выращивает один кристалл из затравки, но замораживает фасонную металлическую деталь внутри формы, а не вытягивает свободный цилиндр.Молекулярно-лучевая эпитаксия13.3наращивает новые кристаллические слои поверх готовой пластины, по несколько атомов за раз, а не выращивает объёмный кристалл.Фотолитография13.2следующий шаг для большинства пластин: на них печатают рисунок схемы.

Смотрите

Linton Crystal Technologies · Затравка, шейка и вытягивание — анимация внутри установки

Intel · Где слиток находится на пути от песка до готовой микросхемы

Linton Crystal Technologies · Настоящие установки вытягивания кристаллов и готовые слитки на заводе

Linton Crystal Technologies · Как слиток нарезают на пластины

Смотреть реальные фото

Википедия: метод Чохральского — иллюстрации процесса и фотографии кремниевых слитков
Поиск фотографий в Wikimedia Commons

Запомните

Затравка, медленно вытягиваемая из расплавленного кремния, вырастает в один безупречный кристалл длиной до примерно 2 м.
Тонкая шейка, медленное вытягивание, встречное вращение и аргон поддерживают кристалл идеальным и чистым.
Почти каждая микросхема и многие солнечные элементы начинаются с среза такого слитка.