إميس عالم المختبر بول كانفيلد يزيل عينة من فرن النمو تدفق. كريديت: إميس لابوراتوري

ث الدجاجة يأتي إلى خلق مواد جديدة، بلورات واحدة تلعب دورا هاما في تقديم صورة أوضح من الخصائص الجوهرية المادية. ستتكون مادة نموذجية من الكثير من البلورات الأصغر حجما ويمكن أن تكون حدود الحبوب بين هذه البلورات بمثابة عوائق تؤثر على خصائص مثل المقاومة الكهربائية أو الحرارية.

\"هذه الحدود يمكن أن يكون لها آثار عميقة، على حد سواء جيدة وسيئة\" وقال اميس مختبر المواد عالم ونائب مدير توم لوغراسو. \"عموما، المواد التي لديها بلورات أصغر وأصغر في الواقع قد تحسنت الخصائص الميكانيكية.\"

استثناء من هذه القاعدة هو أنه في درجة حرارة عالية، بالنسبة إلى نقطة انصهار، يمكن أن يكون بلورات صغيرة ميل للانزلاق الماضي بعضها البعض، خاصية تسمى زحف. وهذا هو السبب في أن شفرات التوربينات في بعض المحركات النفاثة أو المولدات هي في الواقع تتكون من بلورات واحدة من سبائك النيكل. وهناك عدد قليل من التطبيقات اليومية الأخرى باستخدام بلورات واحدة هي شبه موصلات، كاشفات، مثل الأشعة تحت الحمراء أو أجهزة الاستشعار الإشعاع، والليزر.

\"لوغراسو، الذي هو أيضا أستاذ جامعة ولاية ايوا مساعد لعلوم المواد والهندسة،\" لأن العنصر النشط في الليزر هو بلورة واحدة \"، لأن حدود الحبوب الكريستال سوف تبعثر الضوء\".

من وجهة نظر البحث، وخاصة عند إنشاء مادة جديدة، والعلماء يريدون إزالة أكبر عدد ممكن من المتغيرات لأفضل فهم خصائص المواد. والطريقة الأساسية للقيام بذلك هي أن تبدأ بالمواد الخام التي هي نقية قدر الإمكان وإنتاج المواد كبلورة واحدة. \"لو كنت لا تريد العيوب في هيكل وضوح الشمس وكنت لا تريد الشوائب، والتي يمكن أن تكون مصدرا للنوى إضافية\"، وقال لوغراسو. \"المواد الجديدة يمكن أن يكون الفيزياء الجديدة، ويمكننا أن نحدد ما هي تلك إذا قمنا بإجراء قياسات على عينة نظيفة، البكر (أي الكريستال واحد). وإذا فعلنا ذلك باستمرار، يمكننا إجراء مقارنات مع مواد أخرى ونرى كيف تناسبها في فهمنا لسلوكيات معينة \".

علماء المختبرات إميس توظيف عدد من التقنيات لزراعة بلورات واحدة، مع كل مناسبة لإنتاج بلورات من أنواع مختلفة من المواد. ومع ذلك، فإن الفرضية الأساسية هي نفس أوفيرساتورات حل، ثم يعجل من الكريستال.

وقال لوغراسو: \"نحن أطفال على دراية بإضافة ملح صخري أو سكر إلى الماء الساخن حتى تقوم بالتشبع فوق السائل\". \"ثم، كما يبرد الماء ويبدأ في نهاية المطاف تتبخر، بلورات من الملح أو السكر تبدأ في تشكيل ومن ثم تنمو.

\"يمكنك أن تفعل الشيء نفسه مع أي حول اثنين من المواد، وذلك باستخدام واحد كما المذيبات ومن ثم استخدام الحرارة أو درجات حرارة عالية إلى فوق مشبعة المذيبات\"، وقال. \"الجزء الصعب هو الحصول على بلورة واحدة إلى الشكل الأول ثم تنمو\".

إميس مختبر مختبر ديبورا سكلاجيل يحمل بوتقة الجرافيت (يسار) ونحاس الكريستال نمت عريمان (يمين). كريديت: إميس لابوراتوري

هذا \"فن الممارس\" يتطلب الصبر والمهارة، على الرغم من التقنيات المختلفة الموصوفة هنا توفر بعض المساعدة أيضا. عموما، وارتفاع درجة الحرارة التدرج يساعد أيضا على تعزيز انتقال النمو مستقرة من السائل إلى الصلبة.

تقنية العروس

واحدة من الطرق المعروفة، وتقنية برجمان اسمه لفيزيائي هارفارد بيرسي ويليامز بريدجمان-يستخدم بوتقة مع نهاية مدببة، مخروطي الشكل. هذه النقطة غرامة يعزز نمو بلورة واحدة كما بوتقة يخرج جزء ساخنة من الفرن. يتم توفير الحرارة من خلال عنصر التدفئة مماثلة لتلك الموجودة في الفرن المنزل (المقاومة) أو عن طريق المجال المغناطيسي (الحث).

\"بوتقة العمر مع مرور الوقت وتصبح أفضل في إنتاج بلورات واحدة\"، وقال لوغراسو. \"لسوء الحظ، كنت في بعض الأحيان كسر بوتقة إزالة الكريستال. لأنها تنمو داخل بوتقة، بلورات شكلت بهذه الطريقة قد تتطور أيضا الضغوط مثل الشقوق أو الفراغات. \"

مختبر إميس أيضا فرن خاص برجمان التي تسمح نمو الكريستال في ارتفاع الضغوط تصل إلى 15 بار. وهذا يسمح نمو بلورات من السبائك التي تحتوي على مكونات متقلبة. والضغط العالي يمنع هذه المكونات، التي لديها نقطة غليان أقل من مكونات سبيكة أخرى، من وميض قبالة كبخار قبل الكريستال يمكن أن تشكل.

هذا الفرن يستخدم التدفئة التعريفي، والذي يوفر انحدار درجة الحرارة أكثر انحدارا، مما يسمح أسرع معدلات نمو الكريستال لزيادة تقليل التبخر ورد فعل مع بوتقة.

تقنية تشوكرالسكي

هذا الأسلوب أيضا يسخن المواد في بوتقة، ولكن هنا، يتم استخلاص الكريستال فعلا من الحل المنصهر. لوغراسو يشبه ذلك لغمس شمعة \"إلا أنك تراجع مرة واحدة فقط.\"

أربعة عاكسات شبه كروية تركز الطاقة الضوئية من المصابيح الهالوجينية عالية الطاقة على المادة، والتي علقت على الميناء في المركز. كريديت: إميس لابوراتوري

يتم إرفاق الكريستال البذور من المواد إلى نهاية قضيب. يتم خفض قضيب حتى الكريستال البذور فقط يمس سطح المواد المنصهرة في بوتقة. ثم يتم استدارة قضيب وسحب ببطء شديد، وسحب الكريستال التي شكلت حديثا من السائل.

\"لأن الكريستال هو قائما بذاته، فإنه ليس لديها الضغوط التي تحصل في بعض الأحيان مع طريقة عرائس\"، وقال لوغراسو. \"اعتمادا على المادة، ويمكن أيضا أن تكون بلورات 60 سم في القطر، أو أكبر، وعدة أقدام في الطول. وهذا هو طريقة شائعة جدا لإنتاج بلورات السيليكون الكبيرة التي يتم تقطيعها إلى رقائق لاستخدامها في أشباه الموصلات \".

تقنية تعويم المنطقة

تقنية تعويم منطقة الضوئية يستخدم التركيز، وارتفاع كثافة ضوء لخلق بلورات واحدة، ولا سيما تلك التي تحتوي على أكاسيد المعادن. وفقا لعالم مشارك يونغ ليو، وتقنية تقدم بضع مزايا لزراعة العديد من أنواع البلورات.

وقال ليو \"انها خالية من الحاويات، لا تحتاج أو استخدام بوتقة لتنمو الكريستال لذلك يلغي أي رد فعل محتمل بين العينة والحاوية\". \"لأن منطقة الذوبان مركزة جدا وضيقة، ونحن قادرون على تحقيق درجة حرارة كبيرة جدا التدرج بين المراحل الصلبة والسائلة، مما يؤدي إلى نمو الكريستال عالية الجودة\".

ويتكون فرن منطقة العائمة البصرية نموذجية من أربع مصابيح عالية الهالوجين بالطاقة مرتبة في حلقة حول العينة. عاكسات شبه كروية حول كل لمبة التركيز على ضوء الطاقة المكثفة في نطاق ضيق حول العينة في درجات حرارة تصل إلى 2،100 درجة مئوية.

يبدأ سبيكة العينة نفسها في قطعتين. أقصر \"البذور\" الجانب هو في الجزء السفلي وعقد في قاعدة. يتم تعليق الجانب \"تغذية\" أطول بشكل وثيق فوق الجانب البذور. كما يبدأ الجانبان في الذوبان، تجمع صغير من السائل يجمع على كل سطح وكما أنها تقترب معا، والتوتر السطحي من برك ربط الاتصال على شكل ساعة على شكل زجاج الفرقة من المواد المنصهرة بين البذور والأعلاف الجانبين .

عن طريق التواء الجانبين في اتجاهين متعاكسين، يتم تحريك العينة السائلة بشكل فعال لضمان توزيع موحد للمواد في منطقة الذوبان. ثم يتم خفض العينة ببطء من خلال دائرة تركيز الضوء، مما يسمح للمنطقة تذوب ضيقة لتذوب تدريجيا، ومزيج وتصلب طريقها حتى الجانب تغذية العينة.

مرة واحدة وقد شكلت الكريستال في بوتقة النمو، يتم وضع هذا التجمع في جهاز للطرد المركزي. يتم التقاط السائل الزائد في بوتقة الصيد. ثم الصوف الزجاجي ثم الفخاخ السائل، وترك الكريستال في بوتقة النمو. كريديت: إميس لابوراتوري

\"ليو المواد ذات الضغط المنخفض بخار، يمكننا أن تنمو بلورات بمعدل واحد ملليمتر في الساعة\"، وقال ليو. \"يمكننا استخدام هذه التقنية على مجموعة متنوعة من المواد، ولكننا نبدأ دائما مع مخطط المرحلة (نوع من خريطة النمو) لتحديد ما إذا كان ذلك ممكنا. ونحن لا يمكن أن تنمو بلورات مع ارتفاع ضغط البخار أو التي قد تكون سامة باستخدام هذا الأسلوب. \"

حل / نمو تدفق

في حين أن الأساليب الثلاثة الأخرى تعمل بشكل جيد للمواد التي يعرف فيها النتائج البلورية، يبحث الباحثون أيضا لاكتشاف وتنمو بلورات واحدة من مركبات ثنائية أو ثلاثية أو رباعية أو أعلى جديدة. في كثير من الحالات، والمواد في هذه المركبات لا تذوب بشكل متجانس يعني أنها لا تذوب في درجة حرارة واحدة.

\"إن حل النمو هو تنوعا للغاية، ويمكنك في كثير من الأحيان تحسين ودورة من خلال ذلك بسرعة\"، وقال الفيزيائي مختبر أميس والأكاديمية جامعة ولاية ايوا المتميز بول كانفيلد. \"بشكل عام، فإنه لا يعطيك كبيرة وضوح الشمس، ولكن للقياسات المادية الأساسية، شيء بين ملليمتر والسنتيمتر هو أكثر من كافية\".

في الممارسة العملية، يتم الجمع بين المركبات لبلورة الهدف مع المواد التي سوف تكون بمثابة الحل الذي سوف تذوب مجمع الكريستال. على سبيل المثال، لتنمو الكريستال السيريوم-الأنتيمون من محلول القصدير، أو تدفق، قد تبدأ مع أربعة في المئة لكل من سي و سب مع غيرها من 92 في المئة سن.

والمواد تدخل في بوتقة \"النمو\" التي يقترن بوتقة \"الصيد\". ثم يتم ختم هذه في أنبوب السيليكا. يتم وضع التجمع أنبوب في الفرن وتسخين ذلك كل العناصر تذوب. ثم يتم خفض درجة الحرارة أقرب إلى نقطة انصهار عنصر الحل، مما يسمح لبلورة الهدف لتشكيل. في سي-سب في المثال تدفق السوائل، ودرجة الحرارة الأولية هي حوالي 1000 درجة مئوية، ثم خفضت إلى 600 درجة.

ثم فصل القصدير السائل من الكريستال سي-سب، يتم إزالة الجمعية أنبوب من الفرن ووضعها على الفور في جهاز الطرد المركزي، والذي يدور القصدير السائل المتبقية قبالة في بوتقة الصيد، وترك الكريستال وراء. فإن جهاز الطرد المركزي يسلم ما يصل إلى 100 مرة من قوة الصب الجاذبية البسيطة، مما يؤدي إلى بلورات \"أنظف\".

\"عند تطوير مواد جديدة، تحتاج إلى بعض الألفة مع المكونات والتقنيات في متناول اليد\"، وقال كانفيلد. \"مع نمو الحل، يمكننا أن نذهب من النظر في الموصلات الفائقة و فيروماغنيتس، إلى تدور النظارات، إلى الكواكب تذهب من مادة إلى أخرى إلى أخرى فقط عن طريق تغيير العناصر أو ظروف النمو. على مدى 20 عاما هنا، ونحن نغلق في على 10 آلاف نمو مختلف \".

مصدر: فيز

لمزيد من المعلومات، يرجى زيارة موقعنا على الانترنت: http://www.semiconductorwafers.net ،

ترسل لنا البريد الإلكتروني في angel.ye@powerwaywafer.com أو powerwaymaterial@gmail.com .