|
СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ
ПРОЦЕССОРОВ В СУПЕРЭВМ
И.П.Парманкулов (ТУИТ, доцент)
Как известно, для создания полупроводниковых приборов, интегральных
микросхем, процессоров в супер ЭВМ и других устройств электронной техники с
одинаковыми характеристиками и параметрами требуются однородные монокристаллы
полупроводниковых и диэлектрических материалов с одинаковыми свойствами во всех
точках. В учебниках, где описываются методы получения таких монокристаллов, в
основном делаются упор на схематические объяснения некоторых методов получения
монокристаллов из расплавов и растворов. При этом не рассматриваются история развития
технологии получения монокристаллов и их сущность.
В данной работе представлены сведения, дополняющие этот пробел.
Первым монокристаллом, полученным в лабораторных условиях был рубин.
Д.И.Менделеев в примечаниях к тексту своих «Основ химии» писал «Фреми (1890) получил
прозрачные рубины, кристаллизующиеся в ромбоэдрах и не отличающиеся по своей
твердости, цвету, величине и другим свойствам от природных….» и далее приводится
технология получения рубина, первого искусственного монокристалла в мире.
Для выращивания монокристаллов часто применяют методы выращивание из
расплавов. Растить кристалл из расплава можно многими способами. Известен, например,
способ, предусматривающий кристаллизацию всей массы расплава при охлаждении тигля.
Однако чаще всего используют метод Чохральского, польского инженера и металловеда.
Свой метод выращивания кристаллов он разработал в 1916 году. Кристалл наращивался на
вращающейся затравке, которая медленно, но непрерывно вытягивалась из расплава. При
этом образовывалась так называемая буля – кристалл в виде цилиндра с конической
верхушкой и конической нижней частью. Особо популярен метод Чохральского был в 50-е
289
годы, когда создавалась современная электроника и во всех развитых странах начали
организовывать промышленное производство кремниевых монокристаллов. Основные
этапы развития кремниевой электроники тесно связаны с развитием данного метода.
Сначала в установках, управляемых вручную, выращивали були диаметром 25 мм. Затем
установки стали автоматическими, понимание процесса и управление им улучшились,
диаметр були удалось увеличить до 50 мм. Со временем его довели до 300 мм. В настоящее
время начинают выращивают були с диаметром 400-500 мм.
Скорость роста кристаллов в установках Чохральского достигает 80 мм/час, и это
быстрее, чем при других методах выращивания. Если чуть раньше кристаллы массой 50-60
кг считались рекордными, то сейчас уже собираются получить кристаллы массой более 200
кг.
А почему нельзя было сразу сделать большие установки? Дело в том, что при
выращивания кристалла одну часть установки необходимо поддерживать при температуре
выше точки плавления вещества, а другую – при температуре ниже точки плавления. Но
пространственная картина распределения температур по мере протекания процесса
изменяется, поскольку масса расплава уменьшается, масса кристалла растет, а уровень
расплава понижается. Поэтому мощность нагревателей надо по ходу процесса менять,
причем довольно сложным образом. Кроме того, попытки выращивать более крупные
кристаллы поначалу приводили к тому, что они при охлаждении растрескивались,
поскольку внутри них возникали перепады температуры и термические напряжения.
Попытки усовершенствовать метод Чохральского привели к созданию многих
десятков его вариантов и разновидностей. Появились установки с двойным тиглем для
расплава (обеспечивают подпитывание расплава и его постоянный уровень), с плавающим
тиглем и другие. Для управления конвекционными потоками в расплаве применяли и
магнитное поля, и звуковые колебания.
Помимо кристаллов кремния и германия этим методом получают множество
соединений для электроники, оптической и лазерной техники. Это прежде всего различные
по составу гранаты, шпинели, ниобаты и танталаты, рубин, сапфир, комплексные фториды,
а также фианит – легированный диоксид циркония, обладающий бриллиантовым блеском
и потому применяемый не только в технических целях, но и в ювелирном деле.
Другой метод выращивания кристаллов из расплава называется методом
Бриджмена. Сам П.У.Бриджмен был американским физиком, нобелевским лауреатом и
занимался в основном установками для создания высоких давлений и исследованиями
поведения веществ при рекордных давлениях. В методе, названном его именем,
монокристаллы, зарождающиеся в нижней части тигля с расплавом, служит затравкой.
Тигель опускается в более холодную зону печи, при этом кристалл растет вверх, понемногу
заполняя тигель и увеличивая свой диаметр, поскольку нижняя часть тигля выполнена в
виде конуса. Скорость выращивания в такой установке составляет несколько мм/ч.
В методе зонной плавки у длинного монокристалла расплавляется некоторая зона, и
зона расплава прогоняется по длине заготовки. При этом происходит очистка,
перекристаллизация и совершенствование кристаллической структуры, а сам материал
претерпевает два фазовых перехода – сначала он расплавляется, потом кристаллизуется.
Такие же два фазовых перехода происходит при выращивании кристаллов методом
Вернейля. В этом случае порошок сыплется в печь, где он во время падения расплавляется
и этаким дождиком падает на растущий кристалл. Сам кристалл по мере роста опускается,
так что растущая зона кристалла находится все время на одном на одном и том же уровне.
290
Do'stlaringiz bilan baham: |
