رشد بلور

بلورهای نیم رسانا که برای ساخت قطعات الکترونیکی و مدارهای مجتمع استفاده می‌شوند، باید به صورت دقیق رشد داده شده و ناخالصیهای آنها جدا گردد. در زیر به سه روش رشد این بلورها اشاره می‌کنیم.
پیشرفت تکنولوژی قطعات حالت جامد نه تنها به توسعه مفاهیم قطعات الکترونیکی بلکه به بهبود مواد نیز وابسته بوده است. شرایط رشد بلورهای نیم رسانا که برای ساخت قطعات الکترونیک استفاده می‌شود، بسیار دقیق‌تر و مشکل‌تر از سایر مواد است. علاوه بر این که نیم رساناها باید به صورت تک بلورهای بزرگ در دسترس باشند، باید خلوص آنها نیز در محدوده بسیار ظریفی کنترل شود. مثلا تراکم بیشتر ناخالصیهای مورد استفاده در بلورهای سیلیسیوم فعلی از یک قسمت در ده میلیارد کمتر است. چنین درجاتی از خلوص ، مستلزم دقت بسیار در استفاده و بکارگیری مواد در هر مرحله از فرآیند ساخت است.
● تاریخچه
رشد سیلیسیوم تک بلور اولین بار در آغاز و میانه دهه ۱۹۵۰ انجام گرفت که هم اکنون نیز در ساخت مدارهای مجتمع از آن استفاده می‌شود.
● روشهای رشد بلور
۱) رشد از مذاب
یک روش متداول برای رشد تک بلورها ، سرد کردن انتخابی ماده مذاب است به گونه‌ای که انجماد در راستای یک جهت بلوری خاص انجام می‌پذیرد.
ـ یک مثال
ظرفی از جنس سیلیکا (کوارتز شیشه‌ای) در نظر بگیرید که دارای ژرمانیوم (Ge) مذاب است و می‌توان آن را طوری از کوره بیرون آورد که انجماد از یک انتها شروع شده به تدریج تا انتهای دیگر پیش رود. با قرار دادن یک دانه بلوری کوچک در نقطه شروع انجماد می‌توان کیفیت رشد بلور را بالا برد. شکل بلور بدست آمده توسط ظرف ذوب تعیین می‌شود. ژرمانیوم ، گالیم آرسنیک (GaAs) و دیگر بلورهای نیم رسانا اغلب با این روش که معمولا روش بریجمن (Bridgman) افقی نامیده می‌شود، رشد داده می‌شوند.
▪ معایب رشد بلور در ظرف ذوب
در این روش ماده مذاب با دیوارهای ظرف تماس پیدا می‌کند و در نتیجه در هنگام انجماد تنش‌هایی ایجاد می‌شود که بلور را از حالت ساختار شبکه‌ای کامل خارج می‌سازد. این نکته بویژه در مورد Si که دارای نقطه ذوب بالایی بوده و تمایل به چسبیدن به مواد مذاب را دارد، مشکل جدی است.
۲) روش جایگزین
یک روش جایگزین ، کشیدن بلور از مذاب در هنگام رشد آن است. در این روش یک دانه بلوری در داخل ماده مذاب قرار داده شده و به آهستگی بالا کشیده می‌شود و به بلور امکان رشد بر روی دانه را می‌دهد. معمولا در هنگام رشد ، بلور به آهستگی چرخانده می‌شود تا علاوه بر هم زدن ملایم مذاب از هر گونه تغییرات دما که منجر به انجماد غیر همگن می‌شود، متوسط گیری کند. این روش ، روش چوکرالسکی (Czochoralski) نامیده می‌شود.
۳) پالایش ناحیه‌ای و رشد ناحیه شناور
استفاده از ناحیه مذاب متحرک به خصوص وقتی که رفت و برگشتهای متعددی در راستای شمش انجام می‌پذیرد، موجب خلوص قابل توجهی در ماده اولیه می‌شود. این فرایند پالایش ناحیه‌ای نامیده می‌شود. تکنیکهای متداول برای ذوب شمش عبارتند از : تابش گرما از یک گرماده مقاومتی ، گرمایش القایی و گرمایش بوسیله بمباران الکترونی در فصل مشترک مایع و جامد که در حال انجماد است. توزیع خاصی از ناخالصیها بین دو فاز وجود خواهد داشت، کمیت مهمی که این ویژگی را مشخص می‌کند، ضریب توزیع Distribution Coefficient است که به صورت نسبت تراکم ناخالصی در جامد به تراکم آن در مایع در حالت تعادل تعریف می‌شود.
ضریب توزیع تابعی از ماده ، ناخالصی دمای مرز مشترک بین جامد و مایع و سرعت رشد است. اگر مرورهای متعددی صورت گیرد، طول بیشتری از شمش خالص شده و پس از مرورهای متعدد اکثر ناخالصی‌ها به انتهای شمش کشیده می‌شود که می‌توان آن را برید و جدا کرد و در نتیجه یک بلور با خلوص خیلی زیاد باقی می‌ماند. ضریب توزیع که روند بالایش ناحیه‌ای را کنترل می‌کند، در هر گونه رشد از مذاب نیز اهمیت دارد.