तीन एसआयसी सिंगल क्रिस्टल ग्रोथ टेक्नोलॉजीज

वाढत्या एसआयसी सिंगल क्रिस्टल्ससाठी मुख्य पद्धती आहेत:भौतिक वाष्प वाहतूक (पीव्हीटी), उच्च तापमान रासायनिक वाष्प जमा (एचटीसीव्हीडी)आणिउच्च तापमान सोल्यूशन वाढ (एचटीएसजी)? आकृती 1 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, त्यापैकी, पीव्हीटी पद्धत या टप्प्यावर सर्वात परिपक्व आणि व्यापकपणे वापरली जाणारी पद्धत आहे. सध्या, 6 इंचाचा सिंगल क्रिस्टल सब्सट्रेट औद्योगिकीकरण करण्यात आला आहे आणि 8 इंचाचा सिंगल क्रिस्टल देखील २०१ 2016 मध्ये अमेरिकेत क्रीने यशस्वीरित्या वाढविला आहे. तथापि, या पद्धतीमध्ये उच्च दोष घनता, कमी उत्पन्न, कठीण व्यासाचा विस्तार आणि उच्च खर्च यासारख्या मर्यादा आहेत.

एचटीसीव्हीडी पद्धत एसआयसी सिंगल क्रिस्टल्सची वाढ साध्य करण्यासाठी सुमारे 2100 of च्या उच्च तापमान वातावरणात एसआयसी तयार करण्यासाठी एसआय स्त्रोत आणि सी स्त्रोत गॅस रासायनिक प्रतिक्रिया देते असे तत्त्व वापरते. पीव्हीटी पद्धतीप्रमाणेच या पद्धतीस उच्च वाढीचे तापमान देखील आवश्यक आहे आणि त्याची वाढीची किंमत जास्त आहे. एचटीएसजी पद्धत वरील दोन पद्धतींपेक्षा भिन्न आहे. एसआयसी सिंगल क्रिस्टल्सची वाढ साध्य करण्यासाठी उच्च तापमान सोल्यूशनमध्ये एसआय आणि सी घटकांचे विघटन आणि पुनर्मुद्रण वापरणे हे त्याचे मूलभूत तत्व आहे. सध्या मोठ्या प्रमाणात वापरल्या जाणार्‍या तांत्रिक मॉडेल ही टीएसएसजी पद्धत आहे.

ही पद्धत कमी तापमानात (2000 डिग्री सेल्सिअसपेक्षा कमी) जवळ-थर्मोडायनामिक समतोल स्थितीत एसआयसीची वाढ साध्य करू शकते आणि प्रौढ क्रिस्टल्समध्ये उच्च गुणवत्तेचे, कमी किंमतीचे, सुलभ व्यासाचा विस्तार आणि सुलभ स्थिर पी-टाइप डोपिंगचे फायदे आहेत. पीव्हीटी पद्धतीनंतर मोठ्या, उच्च-गुणवत्तेची आणि कमी किमतीच्या एसआयसी सिंगल क्रिस्टल्स तयार करण्याची ही एक पद्धत बनण्याची अपेक्षा आहे.

आकृती 1. तीन एसआयसी सिंगल क्रिस्टल ग्रोथ टेक्नोलॉजीजच्या तत्त्वांचे योजनाबद्ध आकृती

01 विकास इतिहास आणि टीएसएसजी पिकवलेल्या एसआयसी सिंगल क्रिस्टल्सची सद्य स्थिती

वाढत्या एसआयसीसाठी एचटीएसजी पद्धतीचा इतिहास 60 वर्षांहून अधिक आहे.

1961 मध्ये, हॅडन एट अल. प्रथम उच्च-तापमान एसआय वितळलेल्या एसआयसी सिंगल क्रिस्टल्स प्राप्त केल्या ज्यामध्ये सी विरघळली गेली आणि नंतर एसआय+एक्स (जेथे एक्स एक किंवा अधिक घटक फे, सीआर, एससी, टीबी, पीआर इ. घटकांपैकी एक किंवा अधिक आहे अशा उच्च-तापमान सोल्यूशनमधून एसआयसी सिंगल क्रिस्टल्सच्या वाढीचा शोध लावला.

1999 मध्ये, हॉफमॅन एट अल. जर्मनीमधील एरलांजेन विद्यापीठातून शुद्ध एसआयचा वापर सेल्फ-फ्लक्स म्हणून केला आणि उच्च-तापमान आणि उच्च-दाब टीएसएसजी पद्धतीचा वापर केला आणि 1.4 इंच व्यासासह एसआयसी सिंगल क्रिस्टल्स आणि प्रथमच सुमारे 1 मिमी जाडी.

2000 मध्ये, त्यांनी प्रक्रिया अधिक अनुकूलित केली आणि 1900-2400 bar से.

तेव्हापासून, जपान, दक्षिण कोरिया, फ्रान्स, चीन आणि इतर देशांमधील संशोधकांनी टीएसएसजी पद्धतीने एसआयसी सिंगल क्रिस्टल सब्सट्रेट्सच्या वाढीवर सलग संशोधन केले आहे, ज्यामुळे अलिकडच्या वर्षांत टीएसएसजी पद्धत वेगाने विकसित झाली आहे. त्यापैकी, जपानचे प्रतिनिधित्व सुमितोमो मेटल आणि टोयोटा यांनी केले आहे. सारणी 1 आणि आकृती 2 एसआयसी सिंगल क्रिस्टल्सच्या वाढीमध्ये सुमितोमो मेटलची संशोधन प्रगती दर्शविते आणि सारणी 2 आणि आकृती 3 मुख्य संशोधन प्रक्रिया आणि टोयोटाचे प्रतिनिधी परिणाम दर्शविते.

या संशोधन पथकाने २०१ 2016 मध्ये टीएसएसजी पद्धतीने एसआयसी क्रिस्टल्सच्या वाढीवर संशोधन करण्यास सुरवात केली आणि 10 मिमी जाडीसह 2 इंच 4 एच-एसआयसी क्रिस्टल यशस्वीरित्या प्राप्त केला. आकृती 4 मध्ये दर्शविल्यानुसार अलीकडेच, संघाने 4 इंच 4 एच-एसआयसी क्रिस्टल यशस्वीरित्या वाढविला आहे.

आकृती 2.टीएसएसजी पद्धतीचा वापर करून सुमितोमो मेटलच्या टीमने पिकविलेल्या एसआयसी क्रिस्टलचा ऑप्टिकल फोटो

आकृती 3.टीएसएसजी पद्धतीचा वापर करून एसआयसी सिंगल क्रिस्टल्समध्ये वाढणार्‍या टोयोटाच्या टीमची प्रतिनिधी कामगिरी

आकृती 4. टीएसएसजी पद्धतीचा वापर करून एसआयसी सिंगल क्रिस्टल्समध्ये वाढणार्‍या एसआयसी सिंगल क्रिस्टल्समध्ये, चीनी अकादमी, चीनी अकादमी, इन्स्टिट्यूट ऑफ फिजिक्सच्या प्रतिनिधी कामगिरी

02 टीएसएसजी पद्धतीने वाढत्या एसआयसी सिंगल क्रिस्टल्सची मूलभूत तत्त्वे

सामान्य दाबावर एसआयसीचा वितळणारा बिंदू नाही. जेव्हा तापमान 2000 च्या वर पोहोचते तेव्हा ते थेट गॅसिफाई आणि विघटित होईल. म्हणूनच, हळूहळू थंड करून आणि समान रचनांचे एसआयसी वितळवून, म्हणजेच वितळण्याची पद्धत.

एसआय-सी बायनरी फेज आकृतीनुसार, सी-समृद्ध टोकाला "एल+एसआयसी" चा दोन-चरण प्रदेश आहे, जो एसआयसीच्या द्रव टप्प्यातील वाढीची शक्यता प्रदान करतो. तथापि, सीसाठी शुद्ध एसआयची विद्रव्यता खूपच कमी आहे, म्हणून उच्च-तापमान सोल्यूशनमध्ये सी एकाग्रता वाढविण्यात मदत करण्यासाठी एसआय वितळण्यात फ्लक्स जोडणे आवश्यक आहे. सध्या, एचटीएसजी पद्धतीने वाढत्या एसआयसी सिंगल क्रिस्टल्ससाठी मुख्य प्रवाहातील तांत्रिक मोड टीएसएसजी पद्धत आहे. आकृती 5 (अ) टीएसएसजी पद्धतीने वाढत्या एसआयसी सिंगल क्रिस्टल्सच्या तत्त्वाचे एक योजनाबद्ध आकृती आहे.

त्यापैकी, उच्च-तापमान सोल्यूशनच्या थर्मोडायनामिक गुणधर्मांचे नियमन आणि संपूर्ण वाढ प्रणालीमध्ये विद्रव्य सीची पुरवठा आणि विद्रव्य सीची मागणीची चांगली गतिशील संतुलन साध्य करण्यासाठी विरघळलेल्या वाहतुकीच्या प्रक्रियेची गतिशीलता आणि क्रिस्टल ग्रोथ इंटरफेसची गतिशीलता ही टीएसएसजी पद्धतीने एसआयसी सिंगल क्रिस्टल्सच्या वाढीची अधिक चांगली जाणीव आहे.

आकृती 5. (ए) टीएसएसजी पद्धतीने एसआयसी सिंगल क्रिस्टल ग्रोथचे योजनाबद्ध आकृती; (बी) एल+एसआयसी टू-फेज प्रदेशाच्या रेखांशाचा विभागातील योजनाबद्ध आकृती

03 उच्च-तापमान सोल्यूशन्सचे थर्मोडायनामिक गुणधर्म

टीएसएसजी पद्धतीने एसआयसी सिंगल क्रिस्टल्स वाढविणे ही उच्च-तापमान सोल्यूशन्समध्ये पुरेसे सी विरघळणे ही एक गुरुकिल्ली आहे. उच्च-तापमान सोल्यूशन्समध्ये सीची विद्रव्यता वाढविण्याचा एक प्रभावी मार्ग म्हणजे फ्लक्स घटक जोडणे.

त्याच वेळी, फ्लक्स घटकांची जोडणी क्रिस्टल वाढीशी जवळून संबंधित असलेल्या उच्च-तापमान सोल्यूशन्सच्या घनता, चिकटपणा, पृष्ठभागावरील तणाव, अतिशीत बिंदू आणि इतर थर्मोडायनामिक पॅरामीटर्सचे नियमन देखील करेल, ज्यामुळे क्रिस्टल वाढीच्या थर्मोडायनामिक आणि गतीशील प्रक्रियेवर थेट परिणाम होतो. म्हणूनच, एसआयसी सिंगल क्रिस्टल्स वाढविण्यासाठी टीएसएसजी पद्धत साध्य करण्यासाठी फ्लक्स घटकांची निवड ही सर्वात महत्वाची पायरी आहे आणि या क्षेत्रातील संशोधन लक्ष आहे.

साहित्यात ली-सी, टी-सी, सीआर-सी, फे-सी, एससी-सी, नी-सी आणि को-सी यासह अनेक बायनरी उच्च-तापमान सोल्यूशन सिस्टम नोंदवले गेले आहेत. त्यापैकी, सीआर-सी, टीआय-सी आणि फे-सी आणि सीआर-सीई-अल-सी सारख्या बहु-घटक प्रणालीची बायनरी प्रणाली चांगल्या प्रकारे विकसित केली गेली आहे आणि त्यांनी क्रिस्टल वाढीचे चांगले परिणाम प्राप्त केले आहेत.

आकृती 6 (अ) कावानीशी एट अल यांनी सारांशित सीआर-सी, टी-सी आणि फे-सी च्या तीन भिन्न उच्च-तापमान सोल्यूशन सिस्टममध्ये एसआयसी वाढीचा दर आणि तापमान यांच्यातील संबंध दर्शवितो. 2020 मध्ये जपानमधील तोहोकू विद्यापीठाचे.

आकृती 6 (बी) मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, ह्यून एट अल. सीची विद्रव्यता दर्शविण्यासाठी एसआय 0.56 सीआर 0.4 एम 0.04 (एम = एससी, टीआय, व्ही, सीआर, एमएन, एफई, सीओ, नी, क्यू, आरएच आणि पीडी) च्या रचना गुणोत्तरांसह उच्च-तापमान सोल्यूशन सिस्टमची मालिका डिझाइन केली.

आकृती 6. (अ) वेगवेगळ्या उच्च-तापमान सोल्यूशन सिस्टम वापरताना एसआयसी सिंगल क्रिस्टल वाढीचा दर आणि तापमान यांच्यातील संबंध

04 ग्रोथ गतिज नियमन

उच्च-गुणवत्तेचे एसआयसी सिंगल क्रिस्टल्स अधिक चांगले मिळविण्यासाठी, क्रिस्टल पर्जन्यवृष्टीच्या गतीशास्त्रांचे नियमन करणे देखील आवश्यक आहे. म्हणूनच, एसआयसी सिंगल क्रिस्टल्सच्या वाढत्या टीएसएसजी पद्धतीचे आणखी एक संशोधन फोकस म्हणजे उच्च-तापमान सोल्यूशन्स आणि क्रिस्टल ग्रोथ इंटरफेसमध्ये गतिजांचे नियमन.

नियमनाच्या मुख्य साधनांमध्ये हे समाविष्ट आहेः बियाणे क्रिस्टल आणि क्रूसिबलची फिरविणे आणि खेचणे प्रक्रिया, वाढीच्या प्रणालीमध्ये तापमान क्षेत्राचे नियमन, क्रूसिबल स्ट्रक्चर आणि आकाराचे ऑप्टिमायझेशन आणि बाह्य चुंबकीय क्षेत्राद्वारे उच्च-तापमान सोल्यूशन कन्व्हेक्शनचे नियमन. मूलभूत उद्देश म्हणजे उच्च-तापमान सोल्यूशन आणि क्रिस्टल वाढीमधील इंटरफेसमध्ये तापमान क्षेत्र, प्रवाह फील्ड आणि विरघळलेल्या एकाग्रता क्षेत्राचे नियमन करणे, जेणेकरून सुव्यवस्थित पद्धतीने उच्च-तापमान सोल्यूशनपासून चांगले आणि वेगवान पर्जन्यवृष्टी करणे आणि उच्च-गुणवत्तेच्या मोठ्या आकाराच्या सिंगल क्रिस्टल्समध्ये वाढणे.

कुसुनोकी एट अल द्वारे वापरल्या जाणार्‍या "क्रूसिबल प्रवेगक रोटेशन टेक्नॉलॉजी" सारख्या डायनॅमिक रेग्युलेशन साध्य करण्यासाठी संशोधकांनी बर्‍याच पद्धतींचा प्रयत्न केला आहे. 2006 मध्ये त्यांच्या कामात आणि डायकोकू एट अल यांनी विकसित केलेले "अवतल सोल्यूशन ग्रोथ टेक्नॉलॉजी".

2014 मध्ये, कुसुनोकी एट अल. उच्च-तापमान सोल्यूशन कन्व्हेक्शनचे नियमन साध्य करण्यासाठी क्रूसिबलमध्ये विसर्जन मार्गदर्शक (आयजी) म्हणून ग्रेफाइट रिंग स्ट्रक्चर जोडले. ग्रेफाइट रिंगचे आकार आणि स्थिती अनुकूलित करून, एकसमान ऊर्ध्वगामी विरघळवा ट्रान्सपोर्ट मोड बियाणे क्रिस्टलच्या खाली असलेल्या उच्च-तापमान द्रावणामध्ये स्थापित केला जाऊ शकतो, ज्यायोगे आकृती 7 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे क्रिस्टल वाढीचा दर आणि गुणवत्ता सुधारेल.

आकृती 7: (अ) क्रूसिबलमध्ये उच्च-तापमान समाधानाचा प्रवाह आणि तापमान वितरणाचे सिम्युलेशन परिणाम; 

(बी) प्रायोगिक डिव्हाइसचे योजनाबद्ध आकृती आणि निकालांचा सारांश

05 एसआयसी सिंगल क्रिस्टल्ससाठी टीएसएसजी पद्धतीचे फायदे

वाढत्या एसआयसी सिंगल क्रिस्टल्समधील टीएसएसजी पद्धतीचे फायदे खालील बाबींमध्ये प्रतिबिंबित होतात:

(१) वाढत्या एसआयसी सिंगल क्रिस्टल्ससाठी उच्च-तापमान सोल्यूशन पद्धत बियाणे क्रिस्टलमधील मायक्रोट्यूब आणि इतर मॅक्रो दोष प्रभावीपणे दुरुस्त करू शकते, ज्यामुळे क्रिस्टल गुणवत्ता सुधारू शकते. 1999 मध्ये, हॉफमॅन एट अल. आकृती 8 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, टीएसएसजी पद्धतीने एसआयसी सिंगल क्रिस्टल्सच्या वाढत्या प्रक्रियेत मायक्रोट्यूब प्रभावीपणे कव्हर केले जाऊ शकते हे ऑप्टिकल मायक्रोस्कोपद्वारे निरीक्षण केले आणि सिद्ध केले.

आकृती 8: टीएसएसजी पद्धतीने एसआयसी सिंगल क्रिस्टलच्या वाढीदरम्यान मायक्रोट्यूबचे निर्मूलन:

(ए) ट्रान्समिशन मोडमध्ये टीएसएसजीने पिकविलेल्या एसआयसी क्रिस्टलचे ऑप्टिकल मायक्रोग्राफ, जेथे वाढीच्या थराच्या खाली मायक्रोट्यूब स्पष्टपणे दिसू शकतात; 

(बी) प्रतिबिंब मोडमधील त्याच क्षेत्राचे ऑप्टिकल मायक्रोग्राफ, हे दर्शविते की मायक्रोट्यूब पूर्णपणे झाकलेले आहेत.

(२) पीव्हीटी पद्धतीच्या तुलनेत, टीएसएसजी पद्धत अधिक सहजपणे क्रिस्टल व्यासाचा विस्तार प्राप्त करू शकते, ज्यामुळे एसआयसी सिंगल क्रिस्टल सब्सट्रेटचा व्यास वाढू शकतो, एसआयसी उपकरणांची उत्पादन कार्यक्षमता प्रभावीपणे सुधारते आणि उत्पादन खर्च कमी करते.

टोयोटा आणि सुमितोमो कॉर्पोरेशनच्या संबंधित संशोधन पथकांनी आकृती 9 (ए) आणि (बी) मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे "मेनिस्कस उंची नियंत्रण" तंत्रज्ञानाचा वापर करून कृत्रिमरित्या नियंत्रित करण्यायोग्य क्रिस्टल व्यासाचा विस्तार यशस्वीरित्या प्राप्त केला आहे.

आकृती 9: (अ) टीएसएसजी पद्धतीने मेनिस्कस कंट्रोल तंत्रज्ञानाचे योजनाबद्ध आकृती; 

(बी) वाढीच्या कोनात बदल - मेनिस्कसची उंची आणि या तंत्रज्ञानाद्वारे प्राप्त केलेल्या एसआयसी क्रिस्टलच्या बाजूच्या दृश्यासह; 

(क) मेनिस्कस उंचीवर 2.5 मिमीच्या 20 तासांची वाढ; 

(ड) 0.5 मिमीच्या मेनिस्कस उंचीवर 10 तासाची वाढ;

(इ) मेनिस्कसची उंची हळूहळू 1.5 मिमी वरून मोठ्या मूल्यापासून वाढत असताना 35 तासांची वाढ.

()) पीव्हीटी पद्धतीच्या तुलनेत टीएसएसजी पद्धत एसआयसी क्रिस्टल्सची स्थिर पी-प्रकार डोपिंग साध्य करणे सोपे आहे. उदाहरणार्थ, शिराई एट अल. टोयोटाने २०१ 2014 मध्ये अहवाल दिला की आकृती 10 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, टीएसएसजी पद्धतीने त्यांनी कमी-प्रतिरोधक पी-प्रकार 4 एच-एसआयसी क्रिस्टल्स वाढल्या आहेत.

आकृती 10: (अ) टीएसएसजी पद्धतीने पिकविलेले पी-प्रकार एसआयसी सिंगल क्रिस्टलचे साइड व्ह्यू; 

(बी) क्रिस्टलच्या रेखांशाच्या विभागाचे ट्रान्समिशन ऑप्टिकल छायाचित्र; 

(सी) 3% (अणु अपूर्णांक) च्या अल सामग्रीसह उच्च-तापमान सोल्यूशनमधून पिकविलेल्या क्रिस्टलचे शीर्ष पृष्ठभाग मॉर्फोलॉजी

06 निष्कर्ष आणि दृष्टीकोन

एसआयसी सिंगल क्रिस्टल्सच्या वाढत्या टीएसएसजी पद्धतीने गेल्या 20 वर्षात मोठी प्रगती केली आहे आणि टीएसएसजी पद्धतीने काही संघ उच्च-गुणवत्तेच्या 4 इंचाच्या 4 इंचाच्या सिंगल क्रिस्टल्सची वाढ झाली आहेत.

तथापि, या तंत्रज्ञानाच्या पुढील विकासासाठी अद्याप खालील मुख्य बाबींमध्ये प्रगती आवश्यक आहे:

(१) सोल्यूशनच्या थर्मोडायनामिक गुणधर्मांचा सखोल अभ्यास;

(२) वाढीचा दर आणि क्रिस्टल गुणवत्ता यांच्यातील संतुलन;

()) स्थिर क्रिस्टल वाढीच्या परिस्थितीची स्थापना;

()) परिष्कृत डायनॅमिक नियंत्रण तंत्रज्ञानाचा विकास.

जरी टीएसएसजी पद्धत अद्याप पीव्हीटी पद्धतीच्या मागे काही प्रमाणात आहे, असे मानले जाते की या क्षेत्रातील संशोधकांच्या सतत प्रयत्नांमुळे, टीएसएसजी पद्धतीने वाढत्या एसआयसी एकल क्रिस्टल्सच्या मुख्य वैज्ञानिक समस्या सतत सोडवल्या जातात आणि वाढत्या पद्धतीने ही तंत्रज्ञानाची वाढ केली जाते आणि ती संपूर्णपणे वाढविली जाते आणि त्याद्वारे संपूर्णपणे वाढविली जाते आणि ती संपूर्णपणे चालविली जाते आणि ती संपूर्णपणे चालविली जाते आणि ती संपूर्णपणे चालविली जाते आणि ती संपूर्णपणे चालविली जाते आणि ती संपूर्णपणे चालविली जाते आणि ती संपूर्णपणे चालविली जाते आणि त्याद्वारे संपूर्णपणे कार्य केले जाते एसआयसी उद्योगाचा विकास.