Монокристаллов выращивание
Метод Чохральского. Технология выращивания монокристаллов кремния и германия
Этот процесс был назван в честь выдающегося польского ученого и подданного Российской империи Яна Чохральского, который изобрел его в далеком 1915 году. Открытие произошло случайно, хотя сам интерес Чохральского к кристаллам, разумеется, случайным не был, ведь он очень плотно изучал геологию.
Применение
Пожалуй, самой главной областью применения этого метода является промышленность, особенно тяжелая. В промышленности его до сих пор используют для искусственной кристаллизации металлов и прочих веществ, чего нельзя добиться каким-либо другим способом. В этом отношении метод доказал свою почти абсолютную безальтернативность и универсальность.
Кремний
Монокристаллический кремний — моно-Si. У него есть и другое название. Кремний, выращенный методом Чохральского — Cz-Si. То есть кремний Чохральского.
Это основной материал в производстве интегральных схем, используемых в компьютерах, телевизорах, мобильных телефонах и всех типах электронного оборудования и полупроводниковых приборов.
Кристаллы кремния также используются в больших количествах фотоэлектрической промышленностью для производства обычных моно-Si-солнечных элементов. Почти идеальная кристаллическая структура дает самую высокую эффективность преобразования света в электричество для кремния.
Высокочистый полупроводниковый кремний (всего несколько частей на миллион примесей) расплавляется в тигле при 1425 °C (2,597 °F, 1,698 K), обычно из кварца.Присадочные примесные атомы, такие как бор или фосфор, могут быть добавлены к расплавленному кремнию в точном количестве для легирования, тем самым изменяя его на кремний типа p или n с различными электронными свойствами. Точно ориентированный стержень-семенной кристалл погружается в расплавленный кремний.
Шток семенного кристалла медленно поднимается вверх и вращается одновременно. Благодаря точному регулированию градиентов температуры, скорости вытягивания и скорости вращения можно извлечь крупный монокристаллический цилиндрический слиток из расплава.
Возникновения нежелательных неустойчивостей в расплаве можно избежать, исследуя и визуализируя поля температуры и скорости. Этот процесс обычно проводят в инертной атмосфере — такой, как аргон, в инертной камере — такой, как кварц.
Промышленные тонкости
Из-за эффективности общих характеристик кристаллов в полупроводниковой промышленности используются кристаллы со стандартизованными размерами. В первые дни их були были меньше, всего несколько дюймов в ширину. С передовыми технологиями производители высококачественных устройств используют пластины диаметром 200 мм и 300 мм.
Ширина контролируется точным регулированием температуры, скоростью вращения и скоростью снятия семенного держателя. Кристаллические слитки, из которых нарезаются эти пластины, могут иметь длину до 2 метров, весом несколько сотен килограммов.
Большие пластины позволяют улучшить эффективность производства, поскольку на каждой пластине можно изготовить больше чипов, поэтому устойчивый привод увеличил размеры кремниевых пластин. Следующий шаг вверх, 450 мм, в настоящее время планируется ввести в 2018 году.
Кремниевые пластины обычно имеют толщину около 0,2-0,75 мм и могут быть отполированы до большой плоскостности для создания интегральных схем или текстурирования для создания солнечных элементов.
Процесс начинается, когда камера нагревается примерно до 1500 градусов Цельсия, плавя кремний. Когда кремний полностью расплавляется, маленький затравочный кристалл, установленный на конце вращающегося вала, медленно опускается до тех пор, пока не окажется ниже поверхности расплавленного кремния.
Вал вращается против часовой стрелки, а тигель — по часовой стрелке. Вращающийся стержень затем тянется вверх очень медленно — около 25 мм в час при изготовлении кристалла рубина — с образованием примерно цилиндрической були.
Буль может быть от одного до двух метров, в зависимости от количества кремния в тигле.
Электрическая проводимость
Электрические характеристики кремния регулируются путем добавления к нему материала, такого как фосфор или бор, перед его расплавлением. Добавленный материал называется допантом, а процесс — допированием. Этот метод также используется с полупроводниковыми материалами, отличными от кремния, такими как арсенид галлия.
Особенности и преимущества
Когда кремний выращивают по методу Чохральского, расплав содержится в тигле кремнезема. Во время роста стенки тигля растворяются в расплаве, а получаемое вещество содержит кислород при типичной концентрации 1018 см-3. Кислородные примеси могут оказывать полезные или вредные эффекты.
Тщательно выбранные условия отжига могут приводить к образованию кислородных осадков. Они влияют на захват нежелательных примесей переходных металлов в процессе, известном как геттерирование, улучшая чистоту окружающего кремния. Однако образование осадка кислорода в непреднамеренных местах может также разрушать электрические структуры.
Кроме того, примеси кислорода могут улучшить механическую прочность кремниевых пластин путем иммобилизации любых дислокаций, которые могут быть введены во время обработки устройства.
В 1990-х годах было экспериментально показано, что высокая концентрация кислорода также полезна для радиационной твердости детекторов кремниевых частиц, используемых в суровых радиационных условиях (таких как проекты LHC/HL-LHC CERN).Поэтому радиационные детекторы из кремния, выращенного методом Чохральского, считаются перспективными кандидатами на участие во многих будущих экспериментах по физике высоких энергий. Было также показано, что присутствие кислорода в кремнии увеличивает захват примеси в процессе после имплантации отжига.
Проблемы реакции
Однако примеси кислорода могут вступать в реакцию с бором в освещенной среде. Это приводит к образованию электрически активного бор-кислородного комплекса, который снижает эффективность клеток. Выход модуля падает примерно на 3 % в течение первых нескольких часов освещения.
Концентрация примеси в твердом кристалле, являющаяся результатом замораживания объема, может быть получена из рассмотрения коэффициента сегрегации.
Выращивание кристаллов
Выращивание кристаллов — это процесс, в котором уже существовавший кристалл становится больше по мере увеличения количества молекул или ионов в их положениях в кристаллической решетке, или раствор превращается в кристалл, и дальнейший рост обрабатывается.
Метод Чохральского является одной из форм этого процесса. Кристалл определяется как атомы, молекулы или ионы, расположенные в упорядоченном повторяющемся образце, кристаллическая решетка, распространяющаяся во всех трех пространственных измерениях.
Таким образом, рост кристаллов отличается от роста капли жидкости тем, что во время роста молекулы или ионы должны попадать в правильные положения решетки, чтобы упорядоченный кристалл мог расти.
Это очень интересный процесс, подаривший науке множество любопытных открытий таких, как электронная формула германия.
Процесс выращивания кристаллов осуществляется благодаря специальным приспособлениям — колбам и решеткам, в которых и проходит основная часть процесса кристаллизации вещества.
Эти приспособления в огромном количестве существуют практически на каждом предприятии, на котором идет работа с металлами, минералами и другими подобными веществами.
В ходе процесса работы с кристаллами на производстве было совершено множество важных открытий (например, упомянутая выше электронная формула германия).
Заключение
Метод, которому посвящена эта статья, сыграл большую роль в истории современного промышленного производства. Благодаря нему люди наконец-то научились создавать полноценные кристаллы кремния и многих других веществ. Сначала в лабораторных условиях, а затем и в промышленных масштабах. Метод выращивания монокристаллов, открытый великим польским ученым, массово используется до сих пор.
Установки для выращивания монокристаллов
Установки для выращивания монокристаллов представлены целой серией установок.
Установки для выращивания монокристаллов предназначены для выращивания таких монокристаллов как теллурид кадмия, арсенид индия и галия, антимонид индия, германия, кремния, сапфир, алюмоиттриевый гранат, танталат лития, ниобат лития, молибдат гадолиния, лангасит, ванадаты редкоземельных металлов, силикат и германат висмута и многих других.
Установка для выращивания монокристаллов соединений на основе теллурида кадмия методом движущегося нагревателя:
Кристаллы соединений на основе теллурида кадмия выращиваются в специально изготовленной герметичной ампуле, содержащей исходные материалы.
Ампула устанавливается на шток механизма перемещения, который позволяет перемещать ампулу вертикально вверх/вниз на рабочей и ускоренной скоростях вдоль оси теплового узла. В процессе роста ампула не видна.
Вся информация о ходе процесса приходит от датчиков. Время одного процесса около 300 часов.
Метод движущегося нагревателя заключается в том, что в ростовую ампулу загружают затравочный кристалл, на него помещают слиток, при расплавлении которого формируется жидкая зона раствора-расплава на основе теллура, в верхней части помещается поликристаллическая заготовка теллурида кадмия. При перемещении ампулы вниз происходит растворение поликристаллической заготовки, диффузия растворенного соединения через жидкую зону раствора-расплава и кристаллизация соединения на затравочном кристалле.Технические характеристики установки для выращивания монокристаллов соединений на основе теллурида кадмия:
| Тепловой узел размещен внутри герметичной камеры | |
| Тепловой узел включает 3 тепловые зоны и обеспечивает возможность выращивания кристаллов диаметром до 80 мм | |
| Температура средней (основной) тепловой зоны, в интервале °С | 700…950 |
| Температура нижней и верхней подпорных тепловых зон, в интервале °С | 200…400 |
| Число регулируемых зон нагрева (всего / резервных) | 4 / 1 |
| Температурный профиль нагревателя обеспечивает градиент температуры в интервале 30…50 град/см в области затравочного кристалла | |
| Нестабильность температуры по оси температурного профиля, °С | 0.5 |
| Пульт управления выполнен с использованием программируемых микроконтроллеров для управления 4-мя зонами нагревателя и возможностью подключения к персональному или промышленному компьютеру | |
| Перемещение штока по вертикали: | |
| – рабочая скорость, мм сут-1 | 5…25 |
| – маршевая скорость, мм мин-1 | 0,115…115 |
| – величина хода, мм | 350 |
| Частота вращения штока, об мин-1 | 1…60 |
| Нестабильность вращения валов эл. дв., не более % | 0,5 |
| Допустимое биение ампулы при вращении – не более 5 мм в радиальном направлении | |
| Возможность откачки рабочего объема (форвакуум) и напуска инертного газа (аргон) | |
| Установочная мощность тепловых зон, Вт | 1000 |
| Общая мощность, кВт | 4 |
| Максимальный ток зоны нагрева, А | 100 |
| Индицируемые параметры: | |
| – сигналы датчиков температуры зон | |
| – скорость перемещения штока | |
| – положение штока | |
| – частота вращения штока | |
| Габаритные размеры, мм (не более) | |
| – Печной агрегат: | |
| – высота | 2565 |
| – ширина | 1000 |
| – глубина | 850 |
| Масса, кг (не более) | |
| – Печной агрегат | 1000 |
| – Стойка управления | 300 |
| Напряжение питающей сети, В | 380/220 |
| Частота питающей сети, Гц | 50 |
| Расход охлаждающей воды, м3 час | 2,0 |
Установка предназначена для выращивания монокристаллов арсенидов индия InAs и галлия GaAs под давлением инертного газа с последующим отжигом выращенного кристалла.
Технические характеристики установки для выращивания монокристаллов арсенида индия и галлия:
| Максимальные размеры тигля, мм: | |
| – диаметр | 230 |
| – высота | 200 |
| Способ нагрева резистивный | |
| Материал нагревателя | графит |
| Высота нагревателя, мм | 400 |
| Максимальная температура, ˚С на нагревателе | 1400 |
| Точность регулирования температуры, ˚С | 0,1 |
| Среда в камере печи | |
| – предельный вакуум, мм.рт.ст. | 1*10-4 |
| – избыточное давление инертного газа, атм. | 10-20 |
| Устройство перемещения верхнего штока: | |
| – Скорость вращения привода верхнего штока, об/мин | 0-30 |
| – Скорость перемещения привода верхнего штока, рабочая, мм/мин | 0-0,5 |
| – Скорость ускоренного перемещения привода верхнего штока, мм/мин | 100 |
| – Ход штока затравки, мм | 600 |
| Устройство перемещения тигля: | |
| – Величина перемещения тигля, мм | 200 |
| – Скорость вращения привода тигля, об/мин | 0-20 |
| – Скорость перемещения привода нижнего штока, рабочая, мм/мин | 0-0,5 |
| – Скорость ускоренного перемещения привода нижнего штока, мм/мин | 70 |
| Тепловой узел установки: | |
| Верхняя зона: | |
| – Температура нагревателя верхней зоны, ˚С | 1200 |
| – Потребляемая мощность нагревателем верхней зоны, кВт | 20 |
| – Точность поддержания температуры | ±0,1 |
| Средняя Зона: | |
| – Температура на нагревателе, ˚С | 1400 |
| – Потребляемая мощность, не более, кВт | 60 |
| – Точность поддержания температуры | ±0,1 |
| Нижняя зона: | |
| – Температура на нагревателе, ˚С | 1200 |
| – Потребляемая мощность, не более, кВт | 20 |
| – Точность поддержания температуры | ±0,1 |
Установка для выращивания монокристаллов антимонида индия:
Установка предназначена для плавления, синтезирования и выращивания монокристаллов антимонидов индия InSb с последующим отжигом выращенного кристалла.
Технические характеристики установки для выращивания монокристаллов антимонида индия:
| Максимальные размеры тигля, мм: – диаметр | 135 |
| – высота | 70 |
| Способ нагрева | резистивный |
| Материал нагревателя | графит |
| Высота нагревателя, мм | 180 |
| Максимальная температура, ˚С на нагревателе | 1200 |
| Точность регулирования температуры, ˚С | 0,1 |
| Среда в камере печи:- предельный вакуум, мм.рт.ст. | 1*10-5 |
| – проток инертного или горячего газа, л/час | 1-100 |
| Скорость вращения привода верхнего штока, об/мин | 0-50 |
| Скорость перемещения привода верхнего штока, рабочая, мм/ч | 0-50 |
| Скорость перемещения привода верхнего штока, маршевая, мм/мин | 200 |
| Привод перемещения тигля: | |
| – Величина перемещения привода тигля, мм | 200 |
| – Скорость вращения привода тигля, об/мин | 0-20 |
| Электропитание: | |
| – нагреватель | однофазный |
| – частота, гц | 50 |
Малогабаритная установка предназначена для выращивания монокристаллов германия, кремния, антимонидов галлия и индия в автоматическом режиме (кроме затравления) из тигля Ø102х100 мм и для проведения исследовательских работ.
Технические характеристики установки для выращивания монокристаллов германия, кремния и пр.:
| Максимальные размеры тигля: | |
| – диаметр, мм | 102 |
| – высота, мм | 100 |
| Способ нагрева | резистивный |
| Материал нагревателя | графит |
| Предельная температура, °С | 1650 |
| Точность регулирования температуры,°С | ± 5 |
| Среда в камере печи – вакуум ( в чистой сухой камере), мм.рт.ст | 5х10-5 |
| Скорость перемещения верхнего штока, мм/мин: | |
| – рабочая | 0,1-8 |
| – маршевая | 150 |
| Величина перемещения верхнего штока, мм | 400 |
| Частота вращения верхнего штока, об/мин | 1-30 |
| Электропитание: | |
| – нагреватель | однофазный |
| – частота, Гц | 50 |
| Расход охлаждающей воды, м3/час | 1 |
| Давление воды, МПа | 0,3 |
Автоматизированная установка для выращивания монокристаллов сапфира, алюмоиттриевого граната, танталата лития и пр. способом Чохральского:
Многофункциональная установка НИКА-3 предназначена для выращивания широкой гаммы тугоплавких оксидных монокристаллов способом Чохральского, таких как сапфир, алюмоиттриевый гранат, танталат лития, ниобат лития, молибдат гадолиния, лангасит, ванадаты редкоземельных металлов, силикат и германат висмута и многих других.
Технические характеристики установки для выращивания монокристаллов сапфира, алюмоиттриевого граната, танталата лития и пр.:
| Температура плавления | до 2100О С |
| Диаметр тигля для расплава | до 150 мм (в зависимости от типа выращиваемого кристалла) |
| Масса выращиваемого кристалла | до 4 кг; 8 кг |
| Диапазон измерения датчика веса | до 5 кг; 10кг |
| Чувствительность датчика веса | не менее 0,02 г; 0,04 г |
| Рабочий ход верхнего штока | 550 мм |
| Скорость перемещения верхнего штока: | |
| рабочая | от 0,1 до 120,0 мм/ч |
| ускоренная | от 0,5 до 150,0 мм/мин |
| Скорость вращения верхнего штока | 1-100 об/мин |
| Рабочий ход нижнего штока | 200 мм |
| Тип преобразователя | транзисторный (IGBT технология) |
| Выходная мощность преобразователя | 40 кВт; 100 кВт |
| Диапазон использования выходной мощности преобразователя частоты | от 1 до 100 % от используемой |
| Коэффициент полезного действия | не ниже 93% |
| Допустимое отклонение выходной мощности преобразователя частоты от установленной | ± 0,05% |
| Давление инертного газа в камере | не более 1,5х105Па |
| Предельный форвакуум в ростовой камере при выключенном индукторе | не более 2,6 Па |
| Потребляемая мощность установки (без преобразователя частоты) | не более 3 кВт |
| Давление охлаждающей воды | от 200 кПа до 250 кПа |
карта сайта
выращивание монокристаллов
методы выращивание монокристаллов
установка выращивания монокристаллов
установка выращивания кристаллов
выращивание монокристаллов кремния
выращивание монокристаллов в домашних условиях
ростовые установки для выращивания монокристаллов
ищу работу по выращиванию монокристаллов
методы выращивания объемных монокристаллов
метод чохральского выращивание монокристаллов
выращивание монокристаллов по чохральскому
оборудование выращивания монокристалл сапфир цена
гексагональный диоксид германия выращивание монокристаллов
метод вернейля выращивание монокристаллов
ростовые установки для выращивания монокристаллов методом vgf
установка для выращивания монокристаллов йодистого цезия
земсков виктор сергеевич выращивание монокристаллов в невесомости
by HyperComments
